Bài giảng môn Vật liệu xây dựng – Chương 1

Bài giảng môn Vật liệu xây dựng – Chương 1: Các tính chất cơ lý chủ yếu của vật liệu xây dựng được biên soạn nhằm cung cấp các kiến thức tính chất vật lý của vật liệu xây dựng; các tính chất cơ học của vật liệu xây dựng. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng để nắm chắc các kiến thức, phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu.

CHƯƠNG 1

CÁC TÍNH CHẤT CƠ-LÝ

CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ :

1.1 Khối lượng riêng -  a (g/cm3) :

1.1.3 Phương pháp xác định :

 Vật liệu đặc hoàn toàn, có kích thước hình học rõ ràng như thép, kính : dùng cân kỹ thuật, thước đo,… để xác định.

 Vật liệu đặc hoàn toàn nhưng không có kích

thước hình học rõ ràng : dùng ống

đong có chia tỉ lệ về thể tích để xác định,

hoặc sử dụng phương pháp cân trong nước.

 Vật liệu hoàn toàn dặc,rời rạc như xi măng,

cát : dùng bình tỉ trọng (bình Le Chatelier)

để xác định.

1.1.4 Ý nghĩa :

- Tính độ đặc, độ rỗng của vật liệu.

Le Chatelier flask ( ASTM

C 188 or AASHTO T 133)

Portland Cement

Khối lượng riêng của một số vật liệu

1.2 Khối lượng thể tích -  o (g/cm 3 ) :

 

1.2.3 Phương pháp xác định :

 Vật liệu có kích thước hình học rõ ràng : dùng cân,thước xác định khối lượng và khối lượng thể tích

 Mẫu vật liệu có hình dáng bất kỳ : dùng parafin bọcmẫu thử trước, cân mẫu đã bọc paraffine trong chấtlỏng, tìm thể tích chất lỏng dời chỗ để xác định thể tíchmẫu thử

 Vật liệu rời rạc : dùng dụng cụ có dung tích biếttrước xác định theo tiêu chuẩn hiện hành

Vị trí đo để xác định khối

lượng thể tích mẫu vật liệu có

kích thước hình học xác định Bộ dụng cụ xác định khối

lượng thể tích mẫu vật liệu

Phễu chứa ximăng

Cửa quay Giá đỡ

Thùng đong

Khối lượng thể tích của một số vật liệu

1.2.4 Ý nghĩa :

Vật liệu càng ẩm, o càng cao

Biết o có thể dự đoán cường độ, khả năng dẫn nhiệtcủa vật liệu

Tính độ đặc, độ rỗng của vật liệu, trọng lượng cấu kiệnChọn phương tiện vận chuyển

Tính cấp phối be âtông

o a

ow : khối lượng thể tích ở trạng thái ẩm của vật liệuđược xác định theo công thức:

W ow

Vo : thể tích mẫu thí nghiệm

ở trạng thái tự nhiên(cm3)

- Độ đặc luôn luôn  1, vì o a

V V





Vr : thể tích phần rỗng của vật liệu (ml)

Vo : thể tích tự nhiên của vật liệu(ml)

1.5 Các tính chất có liên quan đến nước :

1.5.1 Độ hút nước – H p , H v (%):

G: khối lượng mẫu đã sấy khô (g)

Vo : thể tích tự nhiên của mẫu thí nghiệm (cm 3 )

n p

n v

- Liên hệ giữa Hp và Hv :

- Hv luôn luôn < 100% ; Hp có thể > 100% đối với vậtliệu rất rỗng và rất nhẹ

Vd : Gạch đất sét : Hp = (818) %

Đá granite : Hp = (0.020.7) % Bêtông nặng : Hp = (24) %

Vật liệu cách nhiệt rỗng : Hp  100 %

1.5.1.3 Ý nghĩa :

- Độ hút nước phụ thuộc độ rỗng r và tính chất lỗ rỗngcủa vật liệu Vì vậy có thể dùng Hp và Hv để đánh giáđộ rỗng r, cường độ R, hệ số dẫn nhiệt , khối lượngthể tích 

o v o p o

1.5 2 Độ bão hòa nước :

1.5.2.1 Khái niệm :

- Độ bão hòa nước là khả năng hút nước tối đa của vật liệu

ở áp suất 20 mmHg, hoặc trong 1 thời gian vô hạn định

- Hệ số bão hòa nước Cbh(%) là tỉ số tính bằng % giữa thể tích nước ở trạng thái bão hòa với thể tích phần rỗng của vật liệu

1.5.2.2 Công thức :

Với : Hv : độ hút nước theo thể tích

r : độ rỗng của vật liệu

1.5.2.3 Phương pháp xác định :

Phương pháp 1 :

- Sấy khô hoàn toàn mẫu thí nghiệm, cân để xác định Gk

- Đun mẫu thí nghiệm trong nước sôi khoảng 4h, để nguội

- Cân xác định khối lượng G1, tính toán theo công thức độhút nước

Phương pháp 2 :

- Ngâm mẫu trong bình nước có nắp đậy kín

- Hạ áp suất xuống 20 mmHg bằng cách hút chân không

- Giữ ở áp suất này đến khi không còn bọt khí thoát ra nữa

- Đưa về áp suất bình thường

- Giữ sau 2 giờ, vớt mẫu, cân xác định khối lượng G1 vàtính kết quả

1.5.3 Hệ số mềm - K m :

Km  [0;1] : từ vật liệu đất sét không nung đến thép, kính

Km > 0.75 : vật liệu bền nước

K < 0.75 : vật liệu kém bền nước, không nên sử dụng

bh m

R K

R



- Độ ẩm tương đối :

- Độ ẩm tuyệt đối :

Gw : khối lượng mẫu TN ở trạng thái ẩm (tự nhiên)

G : khối lượng mẫu TN đã sấy khô hoàn toàn (g)

w w

1.5.5 Độ thấm nước (K t ):

1.5.5.1 Khái niệm:

Độ thấm nước là lưu lượng Q(m3/h) dẫn qua mẫu thí nghiệm có chiều dày d 1m, diện tích tiết

diện bề mặt F 1m2 chịu tác dụng của áp lực thủy

tĩnh (hoặc chiều cao cột nước) H 1m trong thời gian

 1giờ

1.5.5.2 Công thức :

K: hệ số thấm (cm/sec) Q: lượng nước thấm qua (cm3) F: diện tích thấm (cm 2 )

d: chiều dày mẫu TN (cm)

Mức độ thấm phụ thuộc vào các yếu tố:

-Độ rỗng.

-Bản chất của vật liệu -Tính chất của vật liệu -Áp lực nước lên vật liệu

Hệ số thấm của một số vật liệu (cm/sec)

Đất sét 1-6.10 -6 Cát pha sét 1-6.10 -4 Cát hạt nhỏ 1-6.10 -3 Cát hạt thô 1-6.10 -2

Đá granite 5,35.10 -9

Đá ximang 6.10 -11

1.6 Các tính chất có liên quan đến nhiệt:

1.6.1 Tính dẫn nhiệt :

1.61.1 Khái niệm : Là tính chất trao đổi nhiệt giữa hai vật thể tiếp xúc với nhau có độ chênh lệch nhiệt độ trong một thời gian nhất định.

1.6.1.2 Công thức:

Với:  là hệ số dẫn nhiệt (kcal/m.h o C)

Q là nhiệt lượng (kcal)

 là chiều dày mẫu thí nghiệm (m)

F là diện tích mẫu thí nghiệm (m 2 ) (t1-t2 ) là hiệu số nhiệt độ ( o C)

 là thời gian (h) Vậy  là nhiệt lượng Q(kcal) dẫn qua tấm vật liệu có chiều

• Đối với vật liệu khô trong không khí,  có thể xác định bằng

công thức thực nghiệm gần đúng của Giáo sư Necraxov :

• Hoặc theo công thức của Vlaxov :

Với t, o : hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ t o C và 0 o C

t : nhiệt độ trung bình khi tiến hành thí nghiệm (sử dụng khi t < 100 o C)

2 o

0 , 0 1 9 6 0 , 2 2 0 ,1 4

t o (1 0, 002t) o (1 t)

       

1.6.2 Nhiệt dung và nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt):

1.6.2.1 Nhiệt dung:

 Là nhiệt lượng Q (kcal) mà vật liệu thu vào khi được đun nóng.xác định theo cthức:

Với: C là tỉ nhiệt (kcal/kg0C)

G là khối lượng vật liệu được đun nóng (kg)

t1, t2: nhiệt độ vật liệu trước và sau khi đun nóng (0C)

Tỉ nhiệt ở độ ẩm W được xác định theo công thức:

Tỉ nhiệt của vật liệu hỗn hợp được xác định theo công thức:

2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC :

2.1 Tính biến hình :

- Là tính chất biến đổi về hình dáng, và thay đổi về kích thước của mẫu vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực

- Có các loại biến dạng như sau:

2.1.1 Biến dạng đàn hồi : xuất hiện khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu, nhưng khi ngưng tác dụng ngoại lực thì biến dạng triệt tiêu Ngoại lực tác dụng lên vật liệu trong trươnøg hợp này < nội lực (lực liên kết giữa các phân tử bên trong cấu trúc vật liệu) nên chỉ làm cho các phân tử bên trong cấu trúc vật liệu dịch chuyển xung quanh vị trí cân bằng.Do đó, khi ngưng tác dụng ngoại lực thì các phân tử bên trong cấu trúc vật liệu khôi phục lại vị trí cân bằng,nên biến dạng triệt tiêu.

2.1.2 Biến dạng dư (dẻo): xuất hiện khi có ngoại lực tácdụng lên vật liệu, nhưng khi ngưng tác dụng ngoại lực thìbiến dạng không triệt tiêu.ï Ngoại lực tác dụng lên vậtliệu trong trươnøg hợp này > nội lực, nên làm cho cácphân tử bên trong cấu trúc vật liệu dịch chuyển xa vị trícân bằng.Do đó, khi ngưng tác dụng ngoại lực thì cácphân tử bên trong cấu trúc vật liệu không thể khôi phụclại vị trí cân bằng,nên biến dạng không triệt tiêu, gọi làbiến dạng dư (dẻo).

Căn cứ vào biến dạng dư, và biến dạng đàn hồichia vật liệu làm hai loại:

+ vật liệu dẻo: là vật liệu trước khi bị phá hoạixuất hiện biến dạng dư trong một thời gian tương đối dài,và có giá trị bdạng tương đối lớn như: thép ít carbon,bitume,…

+ vật liệu dòn: là vật liệu trước khi bị phá hoạixuất hiện biến dạng dư trong một thời gian rất ngắn, vàcó giá trị biến dạng rất nhỏ như: bê tông, vữa, vật liệu đáthiên nhiên,…

2.1.3 Từ Biến: là biến dạng tăng theo thời gian khingoại lực tác dụng lên vật liệu không đổi.

+ Ở nhiệt độ cao vật liệu có hiện tương từ biến rấtrõ

+ Trong cấu trúc vật liệu rắn có một phần phi tinhthể có tính chảy nhớt gần như thể lỏng, và do cấu tạocủa mạng tinh thể chưa hoàn chỉnh Dưới tác dụngcủa ngoại lực ,những nguyên nhân trên sẽ gây hiệntượng từ biến

2.1.4 Chùng ứng suất: là hiện tượng ứng suất tronggiai đoạn đàn hồi giảm dần theo thời gian nếu giữ cho

2.2 Cường độ :

2.2.1 Định nghĩa :

- Cường độ là khả năng chịu lực của vật liệu

chống lại sự phá hoại khi có tác dụng của

ngoại lực.

- Cường độ của vật liệu phụ thuộc vào thành

phần cấu tạo, độ đồng nhất của cấu trúc, loại vật liệu…

- Cường độ của vật liệu được biểu thị bằng giới hạn sức chịu nén, sức chịu kéo, sức chịu cắt,… của vật liệu.

2.2.2 Cường độ chịu nén (R n ) và cường độ chịu kéo (R k ) :

Pmax : tải trọng tối đa gây tác dụng phá hoại mẫu vật liệu (kgf,daN)

F : diện tích tiết diện mẫu vật liệu (cm 2 ).

: hệ số chuyển đổi giới hạn bền nén (kéo) từ mẫu TN không tiêu chuẩn về mẫu TN tiêu chuẩn.

Máy nén vật liệu

Testing Compressive Strength

2.2.2 Cường độ chịu uốn (R u ) :

Để xác định Ru, mẫu được chế tạo ở dạng thanh, tiết diện chữ nhật Khi mẫu làm việc, phần trên chịu nén, phần dưới chịu kéo.

a) Trường hợp đặt tải ở giữa :

l

Testing Flexural Strength

Thí nghiệm uốn thép

Bộ khuôn 44 16 cm

2.2.3 Hệ số an toàn :

Hệ số an toàn k là tỉ số giữa cường độ giới hạn thực và cường độ tối đa cho phép của vật liệu.

R : cường độ giới hạn thực [R] : cường độ tối đa cho phép

R k

[ R ]



2.2.4 Hệ số phẩm chất của vật liệu : K pc

Hệ số phẩm chất của vật liệu là tỉ số giữa cường độ R và khối lượng thể tích o của vật liệu Kpc được dùng để đánh giá phẩm chất của vật liệu.

R : cường độ giới hạn của vật liệu, kG/cm 2

o : khối lượng thể tích của vật liệu, kg/m 3

2.3 Độ cứng :

Là khả năng của vật liệu chống lại sự xuyên hoặc đâm của các vật thể khác cứng hơn nó Có 2 phương pháp xác định độ cứng :

- Đối với vật liệu khoáng vô cơ : Bảng phân loại độ cứng Morhs

Bậc thang Morhs Tên khoáng vật Đặc điểm độ cứng Morhs

1 Talc Rất mềm, rạch được bằng

Dụng cụ xác định độ cứng các khoáng vật vô cơ &

Bảng thang độ cứng Mohs

Ongle: móng tay, móng chân, vuốt Laiton: đồng, thau

Kim cöông

- Đối với kim loại, gỗ : độ cứng Brinell (kgf/mm2)

Dùng viên bi thép có đường kính D(mm) ấn vào vật liệu cần thử một lực P (kgf) Dựa vào đường kính vết lõm d(mm) nông hay sâu trên bề mặt vật liệu để xác định theo công thức :

K : hệ số phẩm chất phụ thuộc vào tính chất vật liệu

2.4 Độ mài mòn (g/cm 2 ):

Là khả năng vật liệu chịu tác dụng của lực ma sát.

F : tiết diện mẫu, (cm 2 )

G1,G2 : khối lượng mẫu trước, sau khi bị mài mòn (g) Thiết bị mài là máy quay.Khi TN người ta cho thêm cát thạch anh có

1 2 m

Máy đo độ cứng Brinell Máy đo Ma sát, Mài mòn

Dùng búa máy va chạm thả cho quả cầu thép có khối lượng G rơi liên tục ở độ cao xác định h vào bề mặt mẫu vật liệu n lần cho đến khi xuất hiện vết nứt đầu tiên trên mẫu

Công phá hoại do tải trọng va chạm gây ra:

Là khả năng của vật liệu chịu tác dụng đồng thời của 2 lực mài mòn và va chạm.

2.6 Độ hao mòn (%):

Đập nhỏ vật liệu thành những viên khoảng 100g, rồi cho

5 kg vật liệu vào thùng quay Cho thùng quay 10000 vịng rồi lấy mẫu ra, đem sàng qua sàng 2 mm Độ hao mịn là :

G1 : khối lượng mẫu TN (g)

G2 : khối lượng mẫu sĩt lại trên sàng 2mm (g)

Thiết bị xác định độ hao mòn

Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của nhiệt độ cao trong một thời gian dài mà không bị phá hoại (bị chảy)

Căn cứ vào khả năng chịu nhiệt, vật liệu được chia thành 3 nhóm:

Là khả năng của vật liệu chịu được tác động trực tiếp của ngọn lửa trong một thời gian nhất định mà không bị phá hoại