Giáo trình vật liệu xây dựng

Với mỗi loại VLXD, đều được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật hay các tính chất cơ bản và có thể phân chúng thành hai nhóm thông số cơ bản dựa trên một số căn cứ như sau: Nhóm 1: Các t

TS Đặng Văn Thanh (Chủ biên)

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình “Vật liệu Xây dựng” được xuất bản nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo đại học ngành Kỹ thuật Xây dựng của Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam Ngoài ra, giáo trình này có thể làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu cho giáo viên và sinh viên ở các trường đại học khác có đào tạo về các ngành xây dựng

Giáo trình được biên soạn theo chương trình giảng dạy dành cho ngành Kỹ thuật Xây dựng Với phương châm “Cơ bản, hiện đại và thực tế” các tác giả đã thu thập, đúc kết và biên tập mang tính kế thừa có chỉnh sửa bổ sung từ các giáo trình và tài liệu khoa học trong

và ngoài nước có liên quan đến lĩnh vực khoa học này

Giáo trình gồm 9 chương:

Chương 1: Tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng;

Chương 2: Vật liệu đá tự nhiên và gốm xây dựng;

Chương 3: Chất kết dính;

Chương 4: Bê tông xi măng;

Chương 5: Vữa xây dựng;

Chương 6: Vật liệu kim loại và vật liệu gỗ;

Chương 7: Bê tông nhựa;

Chương 8: Vật liệu sơn xây dựng;

Chương 9: Vật liệu kính xây dựng

Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự giúp đỡ quý báu của các nhà khoa học; xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Khoa Cơ điện & Công trình, Phòng Đào tạo, Thư viện - Trường Đại học Lâm nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để cuốn giáo trình này được xuất bản

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng với thời gian và điều kiện hạn chế, giáo trình này chắc chắn không thể tránh khỏi những sự thiếu sót nhất định Nhóm tác giả xin trân trọng đón nhận những ý kiến đóng góp xây dựng của các nhà khoa học và bạn đọc để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn

Các ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Khoa Cơ điện

& Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm tác giả

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3

Mục lục 5

Chương 1 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 Khái niệm chung 13

1.1.1 Khái niệm và yêu cầu của vật liệu xây dựng 13

1.1.2 Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng 13

1.1.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu tính chất của vật liệu xây dựng 14

1.2 Các thông số đặc trưng cấu trúc của vật liệu xây dựng 14

1.2.1 Khối lượng riêng 14

1.2.2 Khối lượng thể tích 15

1.2.3 Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu 18

1.2.4 Độ mịn 21

1.3 Những tính chất có liên quan đến môi trường nước 21

1.3.1 Độ ẩm 21

1.3.2 Độ hút ẩm 22

1.3.3 Độ bão hòa và hệ số bão hòa 24

1.3.4 Tính thấm nước 26

1.3.5 Tính ổn định nước 28

1.3.6 Tính co nở do nước 28

1.4 Những tính chất có liên quan đến nhiệt 29

1.4.1 Tính dẫn nhiệt 29

1.4.2 Nhiệt dung và nhiệt dung riêng 31

1.4.3 Tính chống cháy và tính chịu lửa 33

1.5 Tính chất cơ học 34

1.5.1 Tính biến dạng của vật liệu 34

1.5.2 Cường độ 36

1.5.3 Độ cứng 41

1.5.4 Độ mài mòn 42

1.5.5 Tính chống va chạm 43

1.5.6 Độ hao mòn 45

Chương 2 VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN VÀ GỐM XÂY DỰNG 2.1 Khái niệm chung về đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên 46

2.1.1 Khái niệm đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên 46

2.1.2 Ưu và nhược điểm 48

2.2 Phân loại và đặc tính cơ bản của đá thiên nhiên 48

2.2.1 Đá macma 48

2.2.2 Đá trầm tích 52

2.2.3 Đá biến chất 55

2.3 Phân loại và các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên 58

2.3.1 Phân loại vật liệu đá thiên nhiên 58

2.3.2 Các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên 60

2.4 Bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên 61

2.4.1 Các biện pháp kết cấu 62

2.4.2 Các biện pháp hóa học 62

2.5 Khái niệm chung về vật liệu gốm xây dựng 62

2.5.1 Khái niệm vật liệu gốm xây dựng 62

2.5.2 Ưu và nhược điểm của vật liệu gốm xây dựng 63

2.5.3 Phân loại vật liệu gốm xây dựng 63

2.5.4 Nguyên liệu sản xuất vật liệu gốm xây dựng 64

2.5.5 Công nghệ sản xuất gạch, ngói 68

2.6 Các vật liệu gốm xây dựng thông dụng 73

2.6.1 Vật liệu xây tường 73

2.6.2 Gạch gốm ốp lát 75

2.6.3 Vật liệu lợp 80

2.6.4 Một số vật liệu gốm xây dựng khác 80

Chương 3

CHẤT KẾT DÍNH

3.1 Khái niệm chung về chất kết dính 83

3.1.1 Khái niệm 83

3.1.2 Phân loại chất kết dính 83

3.2 Xi măng 85

3.2.1 Khái niệm chung về xi măng 85

3.2.2 Tính chất cơ bản của xi măng 94

3.2.3 Kỹ thuật bảo quản - sử dụng xi măng 101

3.2.4 Một số loại xi măng đặc biệt 102

3.3 Vôi 103

3.3.1 Khái niệm chung về vôi 104

3.3.2 Phân loại vôi trong xây dựng 105

3.3.3 Tính chất cơ bản của vôi 106

3.3.4 Công dụng và bảo quản vôi 109

3.4 Thạch cao 109

3.4.1 Khái niệm chung về thạch cao 109

3.4.2 Tính chất cơ bản của thạch cao 111

3.4.3 Công dụng và bảo quản thạch cao xây dựng 113

3.5 Bitum dầu mỏ 114

3.5.1 Khái niệm bitum dầu mỏ 114

3.5.2 Thành phần của bitum dầu mỏ 114

3.5.3 Tính chất của bitum dầu mỏ 115

Chương 4 BÊ TÔNG XI MĂNG 4.1 Khái niệm chung 122

4.1.1 Một số khái niệm cơ bản 122

4.1.2 Vai trò của các thành phần vật liệu trong bê tông 122

4.1.3 Phân loại bê tông 123

4.1.4 Ưu và nhược điểm của bê tông 124

4.2 Vật liệu chế tạo bê tông 125

4.2.1 Xi măng 125

4.2.2 Cốt liệu nhỏ 129

4.2.3 Cốt liệu lớn 131

4.2.4 Nước 135

4.2.5 Phụ gia 135

4.3 Tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông 136

4.3.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông 136

4.3.2 Cường độ của bê tông 144

4.3.3 Biến dạng của bê tông 154

4.3.4 Tính thấm nước của bê tông 158

4.4 Thiết kế thành phần bê tông xi măng 159

4.4.1 Khái niệm về thiết kế thành phần bê tông 159

4.4.2 Số liệu cần thiết khi thiết kế 160

4.4.3 Trình tự và phương pháp thiết kế thành phần bê tông 160

4.4.4 Xác định lượng vật liệu cho một mẻ trộn máy 168

4.5 Thi công bê tông 169

4.6 Một số loại bê tông đặc biệt 171

4.6.1 Bê tông chất lượng cao 171

4.6.2 Bê tông tự đầm 171

4.6.3 Bê tông nhẹ 173

4.6.4 Bê tông cốt thép 174

Chương 5 VỮA XÂY DỰNG 5.1 Khái niệm chung về vữa xây dựng 178

5.1.1 Khái niệm vữa 178

5.1.2 Phân loại vữa 178

5.2 Nguyên liệu chế tạo vữa 179

5.2.1 Chất kết dính 179

5.2.2 Cốt liệu - cát 179

5.2.3 Phụ gia 180

5.2.4 Nước 180

5.3 Tính chất cơ bản của vữa 181

5.3.1 Độ dẻo của hỗn hợp vữa 181

5.3.2 Tính giữ nước của hỗn hợp vữa 182

5.3.3 Tính chống thấm của vữa 183

5.3.4 Cường độ vữa 183

5.4 Lựa chọn thành phần vữa 184

5.4.1 Cấp phối vữa vôi 185

5.4.2 Cấp phối vữa hỗn hợp xi măng - vôi 185

5.4.3 Cấp phối vữa xi măng 187

Chương 6 VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ VẬT LIỆU GỖ 6.1 Vật liệu kim loại 188

6.1.1 Khái niệm và ưu, nhược điểm 188

6.1.2 Tính chất của vật liệu kim loại 188

6.1.3 Vật liệu kim loại đen và màu 192

6.1.4 Thép cacbon và thép hợp kim 193

6.1.5 Hợp kim nhôm 194

6.1.6 Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép 194

6.1.7 Hư hỏng và biện pháp bảo vệ vật liệu kim loại 195

6.2 Vật liệu gỗ 197

6.2.1 Khái niệm và ưu - nhược điểm của vật liệu gỗ 197

6.2.2 Phân loại và tên gọi của gỗ 197

6.2.3 Cấu tạo của của gỗ 200

6.2.4 Tính chất của gỗ 202

6.2.5 Khuyết tật của gỗ 211

6.2.6 Các biện pháp phòng chống phá hoại và nâng cao tuổi thọ của vật liệu gỗ 214

Chương 7 BÊ TÔNG NHỰA 7.1 Khái niệm, phân loại và cấu trúc bê tông nhựa 219

7.1.1 Khái niệm bê tông nhựa 219

7.1.2 Phân loại hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa 219

7.1.3 Cấu trúc của bê tông nhựa 221

7.2 Tính chất cơ bản của bê tông nhựa 222

7.2.1 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của bê tông nhựa 223

7.2.2 Độ ổn định và độ dẻo Marshall 229

7.2.3 Cường độ chịu nén, tính ổn định nước và ổn định nhiệt 230

7.2.4 Cường độ chịu kéo gián tiếp 233

7.2.5 Biến dạng vĩnh cửu - vệt hằn lún bánh xe 234

7.3 Thiết kế thành phần bê tông nhựa 236

7.3.1 Vật liệu chế tạo bê tông nhựa 236

7.3.2 Thiết kế thành phần bê tông nhựa 242

7.4 Công nghệ chế tạo bê tông nhựa 245

7.4.1 Chuẩn bị 245

7.4.2 Trộn hỗn hợp 245

7.4.3 Vận chuyển, rải và đầm lèn 246

7.4.4 Kiểm tra chất lượng 246

Chương 8 VẬT LIỆU SƠN XÂY DỰNG 8.1 Khái niệm chung về sơn xây dựng 249

8.1.1 Khái niệm 249

8.1.2 Phân loại sơn 249

8.2 Thành phần của sơn xây dựng 250

8.2.1 Chất kết dính 250

8.2.2 Chất tạo màu và chất độn 250

8.2.3 Dung môi 251

8.2.4 Các chất phụ gia 252

8.3 Đặc tính của một số loại sơn dùng trong xây dựng 253

8.3.1 Sơn lót 253

8.3.2 Sơn phủ 254

8.3.3 Sơn chống thấm 254

8.3.4 Sơn ngoại thất 255

8.3.5 Sơn nội thất 255

8.3.6 Sơn bảo vệ kết cấu thép 256

8.3.7 Sơn Vecni và sơn PU 258

8.4 Thi công và đánh giá chất lượng sơn xây dựng 258

8.4.1 Công tác chuẩn bị 258

8.4.2 Sơn các lớp sơn theo trình tự thiết kế 259

8.4.3 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sơn xây dựng 260

Chương 9 VẬT LIỆU KÍNH XÂY DỰNG 9.1 Tổng quan về vật liệu kính 262

9.1.1 Khái niệm chung 262

9.1.2 Lịch sử về vật liệu kính 262

9.2 Tính chất cơ bản của vật liệu kính 264

9.2.1 Độ nhớt 264

9.2.2 Khả năng kết tinh 264

9.2.3 Sức căng bề mặt 264

9.2.4 Độ bền hóa 264

9.2.5 Khối lượng riêng 265

9.2.6 Tính chất cơ học 265

9.2.7 Tính chất liên quan đến nhiệt 266

9.2.8 Tính chất liên quan tới điện 266

9.2.9 Tính chất quang học 267

9.3 Ưu và nhược điểm của vật liệu kính xây dựng 269

9.4 Đặc tính và quá trình sản xuất một số vật liệu kính thông dụng 270

9.4.1 Kính thường 270

9.4.2 Kính dán an toàn 270

9.4.3 Kính cách âm cách nhiệt 272

9.4.4 Kính cường lực 274

9.4.5 Kính phản quang 276

Tài liệu tham khảo 279

Chương 1

TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm và yêu cầu của vật liệu xây dựng

Vật liệu xây dựng (VLXD) là các loại vật liệu được sử dụng cho việc xây dựng công trình nói chung Sự tồn tại của VLXD được xác định bằng các thông số vật lý đặc trưng cho thành phần và cấu trúc của chúng (khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng, độ xốp…) Đồng thời, khi đã được sử dụng vào công trình xây dựng, vật liệu phải chịu các tác động mang tính chất cơ - lý - hóa của tải trọng và của môi trường Những tác động từ tải trọng và của môi trường gây nên những ảnh hưởng có hại đến vật liệu; chúng có thể làm

hư hỏng vật liệu và dẫn đến phá hoại kết cấu, phá hoại công trình Để không xảy ra hay hạn chế các hiện tượng hư hỏng và phá hoại, VLXD phải có khả năng chịu được tải trọng yêu cầu theo thiết kế, phải đảm bảo được tính ổn định cần thiết trước những ảnh hưởng có hại của các nhân tố môi trường trong suốt quá trình sử dụng

1.1.2 Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng

Đối với mỗi công trình xây dựng, tùy theo công năng của nó khi làm việc, VLXD có thể chịu các yếu tố tác động bên ngoài bao gồm: Tác động cơ học (các tác động do trọng lượng bản thân, gió, hoạt tải sử dụng, sóng, động đất, tuyết ); tác động hóa học (các tác động do xâm thực của môi trường axit, nước biển, sinh vật biển, nước mưa ) và các tác động khác (các tác động do áp suất hơi, nhiệt, phóng xạ )

Xét về nội bộ bên trong vật liệu, khả năng làm việc của vật liệu xây dựng lại phụ thuộc vào các yếu tố như: sự sắp xếp các cấu trúc, hàm lượng các thành phần khoáng, các liên kết (ion, phân tử, cộng hóa trị ), thành phần các pha Mỗi tính chất của vật liệu được đặc trưng bởi một đại lượng cụ thể, chúng được xác định bằng các thí nghiệm, hay tính toán dẫn xuất

Với mỗi loại VLXD, đều được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật hay các tính chất cơ bản và có thể phân chúng thành hai nhóm thông số cơ bản dựa trên một số căn cứ như sau:

Nhóm 1: Các thông số liên quan tới đặc trưng cấu trúc của vật liệu: khối lượng riêng (KLR), khối lượng thể tích (KLTT) Các thông số này thuộc về bản chất của mỗi loại vật liệu, nó là cơ sở để nhận biết, phân biệt các loại vật liệu

Nhóm 2: Các thông số liên quan đến môi trường sử dụng vật liệu, bao gồm: Các tính chất có liên quan đến môi trường nước (độ ẩm, độ hút ẩm…), các tính chất có liên quan đến nhiệt (tính dẫn nhiệt, tính chống cháy ) và các tính chất cơ học (cường độ, tính biến dạng )

1.1.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu tính chất của vật liệu xây dựng

Việc nghiên cứu các tính chất của vật liệu xây dựng nhằm mục đích cơ bản là so sánh, đánh giá chất lượng để từ đó lựa chọn và sử dụng vật liệu trong xây dựng công trình hợp lý hơn và có hiệu quả hơn; đồng thời, cải thiện tính chất vật liệu truyền thống và phát triển vật liệu mới sao cho phù hợp với yêu cầu và điều kiện sử dụng hiện tại

1.2 Các thông số đặc trƣng cấu trúc của vật liệu xây dựng

1.2.1 Khối lượng riêng

1.2.1.1 Khái niệm

Khối lượng riêng (ký hiệu: , a) là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở

trạng thái hoàn toàn đặc; được xác định theo công thức (1-1)

k a a

G V

  (g/cm3

Trong đó:

+ Gk: Khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô, g;

+ Va: Thể tích của vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3

1.2.1.2 Phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng riêng

Tùy theo từng loại vật liệu mà có những phương pháp xác định khối lượng riêng khác nhau

a Vật liệu được coi như hoàn toàn đặc

Với vật liệu coi như hoàn toàn đặc (như thép, kính ), việc xác định khối lượng khô (Gk) được thực hiện bằng cách sấy mẫu thí nghiệm ở nhiệt độ 105÷ 1100C cho tới khi khốilượng không đổi, rồi cân với độ chính xác ± 0,1 g Thể tích đặc của vật liệu thì tùy theo hình dạng của từng loại vật liệu mà có các cách xác định khác nhau:

- Với vật liệu đặc có hình dạng hình học rõ ràng: Đo kích thước với độ chính xác đến

± 0,1 mm và dùng công thức để tính ra thể tích đặc của vật liệu (Va);

- Với vật liệu đặc nhưng không có hình dạng hình học rõ ràng: Dùng phương pháp

“vật liệu chiếm chỗ chất lỏng” Cụ thể: Thả vật liệu vào bình chất lỏng, khi đó thể tích chất lỏng dâng lên chính là thể tích đặc của vật liệu

b Vật liệu không hoàn toàn đặc

Với vật liệu không hoàn toàn đặc (như gạch, đá, bê tông ), mẫu được sấy khô rồi nghiền nhỏ, sàng qua sàng có kích thước lỗ nhỏ hơn 0,2 mm; khối lượng khô (Gk) của vật liệu được xác định bằng việc cân khối lượng bột vật liệu; thể tích đặc (Va) được xác định bằng cách dùng bình tỷ trọng với phương pháp “vật liệu chiếm chỗ chất lỏng”: Thả bột vật liệu vào bình tỉ trọng, khi đó thể tích chất lỏng dâng lên chính là thể tích đặc của vật liệu

1.2.1.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Khối lượng riêng của vật liệu chỉ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và cấu trúc vi mô, nên biến động trong phạm vi rất nhỏ Khối lượng riêng được dùng để phân biệt các vật liệu cùng loại, tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa) và tính toán một số chỉ tiêu vật lý khác như độ đặc, độ rỗng… của vật liệu

Đối với vật liệu hỗn hợp, khối lượng riêng được lấy bằng khối lượng riêng trung bình xác định theo công thức (1-2)

+ γkhh: Khối lượng riêng trung bình của vật liệu, g/cm3;

+ G1, G2, Gn: Khối lượng các vật liệu thành phần ở trạng thái khô, g;

+ γ1, γ2, γn,: Khối lượng riêng của các vật liệu thành phần, g/cm3

1.2.2 Khối lượng thể tích

1.2.2.1 Khái niệm

Khối lượng thể tích (KLTT) của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở các trạng thái và thời điểm khác nhau; tùy thuộc vào loại vật liệu và trạng thái của vật liệu mà ta thường dùng khái niệm khối lượng thể tích với các tên gọi như: khối lượng thể tích tiêu chuẩn, khối lượng thể tích tự nhiên, khối lượng thể tích xốp và khối lượng thể tích đẩy nổi

Khối lượng thể tích tiêu chuẩn (ký hiệu: γ, γtc, γk, γ0, γ0tc): Là khối lượng của một đơn

vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên; được sấy khô ở nhiệt độ 105 ÷ 1100C, do vậy còn được gọi là khối lượng thể tích khô Khối lượng thể tích tiêu chuẩn được xác định theo công thức (1-3)

0

tc k k

G V

  (g/cm3

Trong đó:

+ Gk: Khối lượng vật liệu ở trạng thái khô, g;

+ Vk: Thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô (có lỗ rỗng), cm3

Khối lượng thể tích tự nhiên (ký hiệu: γtn, γw, γ0tn, γ0W): Là khối lượng của một đơn

vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên, tại thời điểm thí nghiệm (có kể đến cả nước chứa trong các lỗ rỗng, khe nứt của mẫu vật liệu) Khối lượng thể tích tự nhiên được xác định theo công thức (1-4)

w

o

G V

  (g/cm3

Trong đó:

+ G: Khối lượng vật liệu ở trạng thái tự nhiên, g;

+ V0: Thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (có lỗ rỗng), cm3

Trong thực tế để tránh nhầm lẫn với khối lượng thể tích tiêu chuẩn (khối lượng thể tích khô), khối lượng thể tích tự nhiên còn được gọi là khối lượng thể tích ẩm

Khối lượng thể tích xốp (ký hiệu: γx, γdd, γ0x, γ0dd): Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu có dạng hạt rời rạc; được đổ đống tự nhiên, do vậy còn được gọi là khối lượng thể tích đổ đống Khối lượng thể tích xốp được xác định theo công thức (1-5)

x x

x

G V

Trong đó:

+ Gdn: Khối lượng đẩy nổi của vật liệu, g;

+ V0: Thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (có lỗ rỗng), cm3;

+ Gbh: Khối lượng vật liệu ở trạng thái bão hòa nước, g;

+ Gn: Khối lượng nước có trong vật liệu, g;

+ γbh: Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hòa nước của vật liệu, g/cm3;

+ γn: Khối lượng thể tích của nước, g/cm3

1.2.2.2 Phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng thể tích

Việc xác định khối lượng của mẫu vật liệu được thực hiện bằng cách sấy khô mẫu vật liệu ở nhiệt độ 105 ÷ 1100C, rồi cân với độ chính xác ± 0,1 g Còn thể tích tự nhiên của vật liệu, thì tùy theo hình dáng của mẫu thí nghiệm mà có các phương pháp xác định nhau:

Với mẫu có hình dạng hình học rõ ràng: Đo kích thước chính xác đến ± 0,1 mm và

dùng công thức toán học để tính thể tích tự nhiên (V0)

Với mẫu không có hình dạng hình học rõ ràng: Dùng phương pháp vật liệu chiếm

chỗ trong chất lỏng Cụ thể: Sau khi sấy khô, lấy parafin đun chảy rồi nhúng mẫu vào parafin để parafin bao bọc quanh mẫu; sau đó thả mẫu vật liệu vào bình chất lỏng; căn cứ mức chất lỏng ban đầu, mức chất lỏng dâng lên khi cho mẫu vật liệu đã bao bọc parafin vào và thể tích parafin bọc quanh mẫu vật liệu sẽ xác định được thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu thí nghiệm Ngoài phương pháp bọc parafin, trong thực tế có thể dùng phương pháp: ngâm mẫu bão hòa nước

Với vật liệu dạng hạt rời rạc: Đổ vật liệu đã sấy khô từ một chiều cao nhất định

xuống một dụng cụ có thể tích biết trước (ca, thùng…); từ khối lượng vật liệu chứa trong dụng cụ và dung tích dụng cụ sẽ xác định được khối lượng thể tích của mẫu vật liệu

1.2.2.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Giá trị khối lượng thể tích của vật liệu xây dựng biến đổi trong phạm vi rộng và phụ thuộc vào loại vật liệu, cũng như kết cấu nội bộ bản thân vật liệu Với vật liệu cùng loại nhưng cấu tạo (đặc, rỗng) khác nhau thì giá trị khối lượng thể tích cũng khác nhau Với vật liệu dạng hạt, khối lượng thể tích xốp phụ thuộc vào kích thước hạt và sự sắp xếp giữa các hạt

Dựa vào khối lượng thể tích của vật liệu có thể phán đoán được một số tính chất cơ bản như: cường độ, độ rỗng, độ đặc, khả năng hút nước Ngoài ra, khối lượng thể tích còn

được sử dụng để tính toán trọng lượng bản thân của kết cấu, tính cấp phối cho vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa…), lựa chọn phương tiện vận chuyển, kho bãi

Khối lượng riêng và khối lượng thể tích của một số loại vật liệu thường gặp được ghi

Độ đặc (ký hiệu: d) của vật liệu là tỷ số hoặc tỉ lệ phần trăm giữa thể tích đặc với thể

tích tự nhiên của vật liệu; được xác định theo công thức (1-7)

0

a

V d V

Độ rỗng (ký hiệu: r) là tỷ số hay tỉ lệ phần trăm giữa phần thể tích rỗng với thể tích

tự nhiên của vật liệu; được xác định theo công thức (1-8)

0

r

V r V

Hệ số rỗng (ký hiệu: e) là tỷ số giữa phần thể tích rỗng với thể tích đặc của vật liệu;

được xác định theo công thức (1-9)

r a

V e V



(1-9) Trong đó:

+ Va: Thể tích hoàn toàn đặc của vật liệu;

+ V0: Thể tích tự nhiên của vật liệu;

+ Vr: Thể tích lỗ rỗng của vật liệu

Lưu ý:

Đa số các loại vật liệu đều có độ đặc nhỏ hơn 1 (nhỏ hơn 100%), riêng một số loại vật liệu như thép, kính thì độ bặc coi như bằng 1 (100%); và như vậy, độ rỗng của các loại vật liệu có thể nằm trong khoảng từ 0 đến nhỏ hơn 1 (không thể bằng 1), trong khi hệ

số rỗng của vật liệu có thể lớn hơn 1

Lỗ rỗng trong vật liệu xây dựng có thể được phân thành 2 loại: kín và hở Lỗ rỗng kín là loại lỗ rỗng riêng biệt, không thông với nhau và không thông với môi trường không khí bên ngoài vật liệu; lỗ rỗng hở là loại lỗ rỗng thông với nhau và thông với môi trường không khí bên ngoài vật liệu

1.2.3.2 Phương pháp xác định

Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu thường được xác định từ tính toán thông qua kết quả thí nghiệm xác định khối lượng riêng và khối lượng thể tích Việc tính toán được thực hiện bằng các công thức quan hệ giữa các chỉ tiêu này

Từ các công thức định nghĩa về độ đặc và độ rỗng, có thể biến đổi để đạt được công thức quan hệ giữa độ đặc và độ rỗng như (1-10):

Từ các công thức định nghĩa về độ đặc, có thể biến đổi để đạt được công thức quan

hệ giữa độ đặc với khối lượng riêng và khối lượng thể tích như (1-11):

Từ định nghĩa, có:

0

/ /

Từ các công thức định nghĩa về độ rỗng, có thể biến đổi để đạt được công thức quan

hệ giữa độ rỗng với khối lượng riêng và khối lượng thể tích như (1-12):



 và 0

0

kG V



a a

G V

1.2.3.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu và thường biến đổi trong phạm vi rộng Đây là các thông số ảnh hưởng tới các tính năng quan trọng của vật liệu như cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính cách âm, tính cách nhiệt Thông qua độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng có thể dự đoán được một số tính năng cơ bản của vật liệu: cường độ, độ hút nước, tính thấm…

1.2.4.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa của độ mịn

Độ mịn của vật liệu xây dựng phụ thuộc đặc điểm điều kiện của quá trình hình thành

và công nghệ chế tạo Dựa vào độ mịn, ta có thể sơ bộ đánh giá một số tính chất của vật liệu xây dựng như: độ rỗng, khả năng hút nước, mức độ phân tán trong môi trường

1.3 Những tính chất có liên quan đến môi trường nước

Trong đó:

+ Gn: Khối lượng nước chứa trong mẫu vật liệu ở thời điểm thí nghiệm;

+ Gk: Khối lượng của mẫu vật liệu ở trạng thái khô

1.3.1.2 Cách xác định

Độ ẩm thường được xác định bằng phương pháp sấy: Trước khi sấy, cân mẫu vật liệu thí nghiệm để xác định được khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (Gvl); sau đó,

sấy khô ở nhiệt độ 100 ÷ 1100C đến khối lượng không đổi, rồi cân để xác định được khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô (Gk) Khi đó độ ẩm của mẫu thí nghiệm được xác định theo công thức (1-15):

1.3.1.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Độ ẩm là đại lượng thay đổi liên tục theo điều kiện môi trường (nhiệt độ và độ ẩm) Vật liệu có thể hút ẩm hoặc nhả ẩm tùy theo sự chênh lệch của áp suất hơi nước trong không khí và trong vật liệu Ngoài ra, độ ẩm cũng phụ thuộc vào cấu tạo nội bộ và bản chất

ưa nước hay kỵ nước của vật liệu

Khi độ ẩm của vật liệu thay đổi thì một số tính chất của nó cũng bị thay đổi theo, ví

dụ như: cường độ, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, khối lượng thể tích… Đồng thời, độ ẩm thay đổi tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng và giảm theo, gây hiện tượng co nở thể tích, sinh ra nội ứng suất phá hủy cấu trúc của vật liệu Ngoài ra, trong chế tạo các vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa…) khi biết độ ẩm của vật liệu, ta có thể điều chỉnh lượng dùng vật liệu thực tế cho hợp lý

1.3.2 Độ hút ẩm

1.3.2.1 Khái niệm

Độ hút ẩm (độ hút nước) là khả năng của vật liệu hút và giữ nước trong các lỗ rỗng của nó ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường (p = 1 atm và t0 = 20 ± 5oC) Độ hút nước có thể được đánh giá theo khối lượng hoặc theo thể tích của vật liệu:

- Độ hút nước theo khối lượng:

Độ hút nước theo khối lượng (Hp) là tỉ lệ phần trăm giữa khối lượng nước có trong vật liệu khi nó được bão hòa ở điều kiện nhiệt độ - áp suất thường và khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-16):

H 100, %

bh n p k

G G

Trong đó:

+ Gnbh:Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được trong vật liệu;

+ Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối

- Độ hút nước theo thể tích:

Độ hút nước theo thể tích (Hv) là tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước có trong vật liệu khi được bão hòa ở điều kiện nhiệt độ - áp suất thường và thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-17):

0

H 100, %

bh n v

V V

Trong đó:

+ Vnbh:Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được trong vật liệu;

+ V0 : Thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối

1.3.2.2 Quan hệ giữa độ hút nước theo thể tích và độ hút nước theo khối lượng

Để tìm ra quan hệ giữa Hv và Hp ta thực hiện biến đổi như sau:

p k

1.3.2.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của vật liệu: độ đặc, độ rỗng, đặc biệt là cấu trúc của lỗ rỗng (lỗ rỗng kín, hở, thông nhau ); bản chất kỵ nước hay ưa nước của vật liệu

Độ hút nước theo khối lượng Hp có thể lớn hơn 1 (100%), nhưng độ hút nước theo thể tích Hv luôn nhỏ hơn 1 (100%);

Khi vật liệu bão hòa nước thì một số tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo: cường

độ giảm, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tăng, thể tích tăng Dựa vào độ hút ẩm có thể đánh giá một số tính năng cơ bản của vật liệu

1.3.3 Độ bão hòa và hệ số bão hòa

1.3.3.1 Khái niệm về độ bão hòa

Độ bão hòa là khả năng của vật liệu hút và giữ nước cao nhất trong các lỗ rỗng ở

điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất (có thể gọi: Độ hút nước cưỡng bức) Tương

tự như độ hút nước, độ bão hòa cũng được được đánh giá theo cả khối lượng và thể tích:

- Độ bão hòa nước theo khối lượng:

Độ bão hòa nước theo khối lượng (Hpmax) là tỉ lệ phần trăm giữa khối lượng nước có trong vật liệu khi nó được bão hòa ở điều kiện cưỡng bức (về nhiệt độ - áp suất) và khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-20):

max

bhcb n p

k

G G

Trong đó:

+ Gnbhcb: Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất;

+ Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối

- Độ bão hòa nước theo thể tích:

Độ bão hòa nước theo thể tích (Hvmax) là tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước có trong vật liệu khi được bão hòa ở điều kiện cưỡng bức và thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-21):

max

0

bhcb n v

V V

Trong đó:

+ Vnbhcb: Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất;

+ V0: Thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối

- Quan hệ độ bão hòa nước theo thể tích và độ bão hòa nước theo khối lượng:

Cũng tương tự như độ hút nước, để tìm ra quan hệ giữa Hvbhcb và Hpbhcb ta thực hiện biến đổi như sau:

p k

Có thể xác định độ bão hòa bằng hai phương pháp: dùng nhiệt độ và áp suất

Phương pháp nhiệt độ: Đun sôi liên tục 4 giờ; chờ nguội đến nhiệt độ phòng, vớt

mẫu, cân và tính toán

- Phương pháp áp suất: Hạ suất trong bình xuống 20 mmHg; đợi đến không còn bọt

khí; khôi phục lại áp suất khí quyển (760 mmHg) và để trong 2h; vớt mẫu, cân và tính toán Với cả hai phương pháp, độ bão hòa nước theo khối lượng của mẫu thí nghiệm được xác định theo công thức (1-23):

1.3.3.4 Hệ số bão hòa nước

Hệ số bão hòa (Cbh) là chỉ tiêu đánh giá mức độ bão hòa của nước trong các lỗ rỗng

của vật liệu; nó là tỉ số hay tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước chứa trong vật liệu khi được

bão hòa ở điều kiện cưỡng bức so với tổng thể tích lỗ rỗng của vật liệu

Theo định nghĩa, hệ số bão hòa được xác định theo công thức (1-24):

n bh

r

V C

1.3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng - ý nghĩa

Cũng như độ hút nước, độ bão hòa của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của vật liệu: độ đặc, độ rỗng, đặc biệt là cấu trúc của lỗ rỗng (lỗ rỗng kín, hở, thông nhau ); bản chất kỵ nước hay ưa nước của vật liệu

Độ bão hòa theo khối lượng Hp có thể lớn hơn 1 (100%), nhưng độ bão hòa theo thể tích Hv luôn không vượt quá 1 (100%); và như vậy, Hệ số bão hòa Cbh cũng luôn không vượt quá 1 (100%)

Khi vật liệu bão hòa nước thì một số tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo: cường

độ giảm, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tăng, thể tích tăng

Dựa vào độ hút ẩm có thể đánh giá một số tính năng cơ bản của vật liệu

1.3.4 Tính thấm nước

1.3.4.1 Một số khái niệm

Tính thấm nước của vật liệu là tính chất của vật liệu cho nước thấm qua chiều dày

của nó khi có sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa hai bề mặt

Tính chống thấm nước của vật liệu là khả năng của vật liệu ngăn không cho nước

thấm qua chiều dày của nó khi có sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa hai bề mặt

Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu được biểu thị bằng hệ số thấm (Kth), xác định theo công thức (1-26):

1 2

n tn

V a K



Trong đó:

+ Ktn: Hệ số thấm nước của vật liệu, m3/h;

+ Vn: Thể tích nước thấm qua mẫu vật liệu, m3;

+ a: Chiều dày của mẫu vật liệu nước thấm qua, m;

Như vậy, hệ số thấm nước là thể tích nước thấm qua mẫu vật liệu có chiều dày một

mét, tiết diện một mét vuông, trong thời gian một giờ, khi chênh lệch áp suất thủy tĩnh ở hai bề mặt đối xứng là một mét cột nước

Mác chống thấm là khả năng chịu được áp lực thủy tĩnh lớn nhất của vật liệu; nó

được đặc trưng bởi độ chênh lệch áp suất thủy tĩnh tối đa (p1 - p2)max mà vật liệu chưa cho nước thấm qua

1.3.4.2 Phương pháp thí nghiệm

Với các vật liệu làm việc ở dạng hình khối, sơ đồ thí nghiệm thấm được thể hiện ở Hình (1.1a): Dùng mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ; các diện tích mặt bên của mẫu được bọc vật liệu cách nước, mặt trên và dưới để trống Sau mỗi khoảng thời gian nhất định (thường là 2 tiếng), áp lực nước được tăng dần từng cấp nhờ máy bơm và van điều tiết Thí nghiệm dừng lại khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm thấm

Với các vật liệu làm việc ở dạng bản mỏng, sơ đồ thí nghiệm thấm được thể hiện ở Hình (1.1b): Dùng mẫu thí nghiệm có dạng bản mỏng hình tròn Áp lực nước dùng thí nghiệm chỉ cần nhỏ, nên thường không cần dùng máy bơm và khoảng thời gian giữ cho mỗi cấp áp lực chỉ là 5 phút Thí nghiệm dừng lại khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước Mác chống thấm chính là trị số tương ứng với cấp áp lực liền sát trước khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước

1.3.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của từng loại vật liệu, cụ thể là: Độ rỗng và cấu trúc của các lỗ rỗng trong vật liệu Mức độ thấm nước lớn hay yếu còn phụ thuộc vào áp lực và thời gian nước tác dụng lên bề mặt vật liệu Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi vật liệu làm việc trong môi trường nước hoặc chịu ảnh hưởng trực tiếp của mưa gió

1.3.5 Tính ổn định nước

Tính ổn định nước (tính ổn định cường độ với nước) là chỉ tiêu đánh giá sự thay đổi (giảm) cường độ khi vật liệu tiếp xúc với nước hoặc ở trong môi trường nước Tính ổn định nước được đánh giá bằng chỉ tiêu “hệ số mềm - Km”, xác định theo công thức (1-27)

bh m

R K

R

Trong đó:

+ Rbh: Cường độ vật liệu ở trạng thái bão hòa nước;

+ R: Cường độ vật liệu ở trạng thái khô

Dựa vào hệ số mềm có thể đánh giá và lựa chọn vật liệu sử dụng phù hợp với yêu cầu và điều kiện môi trường làm việc

1.3.6 Tính co nở do nước

1.3.6.1 Khái niệm

Tính co nở (co giãn) do nước là khả năng đổi thể tích của một số loại vật liệu khi độ

ẩm môi trường thay đổi

Khi độ ẩm giảm: Chiều dày lớp nước hấp phụ quanh các phần tử của vật liệu giảm,

làm lực mao dẫn bên trong kéo các phần tử vật liệu xích lại gần nhau hơn, gây nên hiện tượng co

Khi độ ẩm tăng: Các phân tử H2O thâm nhập vào các lỗ rỗng, đẩy các phần tử vật liệu ra xa nhau, gây nên hiện tượng nở

1.3.6.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Trị số co nở của vật liệu lớn hay nhỏ phụ thuộc vào từng loại vật liệu và điều kiện môi trường: Vật liệu có độ rỗng lớn sẽ có khả năng hút ẩm cao, độ co nở sẽ lớn và ngược lại; trong môi trường ẩm, vật liệu thường sẽ nở ra; khi trong môi trường khô, vật liệu sẽ bị

Tính truyền nhiệt của vật liệu được đánh giá bằng hệ số truyền nhiệt; được xác định theo công thức (1-29):

+ λ: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu, Kcal/mh0C ;

+ F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2;

+ t1, t2: Nhiệt độ ở mặt trước và mặt sau của tấm vật liệu, 0C;

+ z: Thời gian truyền nhiệt, h;

+ a: Chiều dày của tấm vật liệu dẫn nhiệt, m

Từ công thức (1-29) ta thấy: Khi chiều dày của tấm vật liệu dẫn nhiệt a = 1 m, diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 1 m2

, thời gian truyền nhiệt z = 1 giờ, chênh lệch nhiệt độ ở mặt trước và mặt sau của tấm vật liệu ∆t = (t2 –t1) = 10C thì λ = Q

Như vậy, hệ số truyền nhiệt là lượng nhiệt truyền qua mẫu vật liệu có chiều dày 1 m,

tiết diện 1 m2, trong thời gian 1 giờ, khi chênh lệch ở hai bề mặt đối xứng là 10C

1.4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng - ý nghĩa

Hệ số truyền nhiệt (λ) phụ thuộc vào khối lượng thể tích (), độ rỗng (r), cấu trúc lỗ rỗng, độ ẩm (W) và nhiệt độ trung bình của bản thân vật liệu

Do không khí có hệ số truyền nhiệt λ nhỏ (λ = 0,02 Kcal/m 0

C.h) nên khi độ rỗng của

vật liệu càng lớn (khối lượng thể tích càng nhỏ) sẽ làm cho hệ số truyền nhiệt của vật liệu càng nhỏ

- Ảnh hưởng của cấu tạo bản thân vật liệu:

Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt λ vào khối lượng thể tích  của vật liệu được xác định bằng công thức thực nghiệm của V.P Nhekraxov (1-30):

Công thức (1-30) được sử dụng ứng với điều kiện vật liệu khô trong không khí (độ

ẩm nằm trong khoảng 1% đến 7%)

- Ảnh hưởng của nhiệt độ trung bình của vật liệu:

Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt (λ) vào nhiệt độ trung bình (còn gọi: Nhiệt độ bình quân - t) của vật liệu được thể hiện theo công thức (1-31):

 t  0(1 0, 002 )  t (13) Trong đó:

+ λt: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở t0C;

+ λ0: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 00C;

+ t: Nhiệt độ trung bình của vật liệu; công thức (1-31) được sử dụng ứng với điều kiện nhiệt độ trung bình của vật liệu nằm trong khoảng từ 400C đến 700

C)

- Ảnh hưởng của độ ẩm của vật liệu:

Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt (λ) vào độ ẩm W của vật liệu là do hệ số truyền

nhiệt của nước (λ = 0,51 Kcal/m 0

C.h) lớn gấp 25 lần hệ số truyền nhiệt λ của không khí

nên khi độ ẩm W tăng, tức là lượng nước có trong vật liệu cũng tăng, làm cho hệ số truyền nhiệt λ của vật liệu cũng tăng Sự ảnh hưởng này được thể hiện theo công thức (1-32):

Trong đó:

+ λw: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở trạng thái ẩm;

+ λ: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở trạng thái khô;

Nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt) là lượng nhiệt hấp thụ (hay giải phóng) khi nung nóng

(hay làm nguội) 1 kg vật liệu 10C

1.4.2.2 Công thức xác định

- Nhiệt dung của vật liệu (Q) được xác định theo công thức (1-33) như sau:

Q  CG t ( 2 t1), Kcal (1-33) Trong đó:

+ C: Nhiệt dung riêng của vật liệu, kcal/kg0C;

+ G: Khối lượng vật liệu được làm nóng, kg;

+ t2, t1: Nhiệt độ của vật liệu sau và trước khi nung nóng hoặc làm nguội, 0C

- Nhiệt dung riêng của vật liệu được xác định bằng công thức (1-34):

Q C

C

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

- Ảnh hưởng của độ ẩm:

Nhiệt dung riêng của nước rất lớn (C n = 1 Kcal/kg 0 C) nên độ ẩm có ảnh hưởng đáng

kể đến nhiệt dung riêng của vật liệu Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào độ ẩm của vật liệu được thể hiện qua công thức (1-35):

W

C W C

W

.01,01

01,0

+ Cn: Nhiệt dung riêng của nước

- Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo:

Mỗi loại vật liệu có nhiệt dung riêng biệt Nhiệt dung riêng của vật liệu hỗn hợp Chhđược tính theo công thức (1-36)

n

n n hh

G G

G

G C G

C G C C

2 1

2 2 1 1

Trong đó:

+ C1, C2…Cn: Nhiệt dung riêng của các vật liệu thành phần;

+ G1, G2 …Gn: Khối lượng của các vật liệu thành phần

Nhiệt dung và nhiệt dung riêng được sử dụng trong tính toán nhiệt lượng cho gia công nhiệt của vật liệu, hoặc dùng để lựa chọn vật liệu xây dựng các trạm nhiệt

1.4.3 Tính chống cháy và tính chịu lửa

1.4.3.1 Tính chống cháy

Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một

khoảng thời gian nhất định

Dựa vào tính chống cháy có thể chia vật liệu xây dựng thành 3 nhóm sau:

- Nhóm vật liệu không cháy: Là nhóm vật liệu không bắt lửa, không cháy âm ỷ và

không bị cacbon hóa dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt độ cao Đa số những vật liệu

không cháy thường ít bị biến dạng khi nhiệt độ cao;

- Nhóm vật liệu khó cháy: Là nhóm vật liệu mà dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt

độ cao có thể bị bắt lửa, cháy âm ỷ và bị cacbon hóa một cách khó khăn Khi bỏ nguồn gây

cháy (ngọn lửa) thì các hiện tượng trên cũng kết thúc;

- Nhóm vật liệu dễ cháy: Là nhóm vật liệu mà dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt

độ cao sẽ bắt lửa, tiếp tục cháy và cacbon hóa ngay cả khi đã bỏ nguồn lửa

Hầu hết các vật liệu hữu cơ đều thuộc nhóm vật liệu dễ cháy

1.4.3.2 Tính chịu lửa

Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà

không bị cháy và không bị biến dạng

Theo khả năng chịu lửa vật liệu được chia thành 3 nhóm:

- Vật liệu chịu lửa: Là loại vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ lớn hơn

1.5800C (gạch chịu lửa sa mốt, gạch chịu lửa cao nhôm,… dùng để lót lò cao) mà không bị

cháy và không bị biến dạng;

- Vật liệu khó cháy: Là loại vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao

trong khoảng từ 1.350 ÷ 1.5800C (các loại gạch đặc xây vỏ lò cao, ống khói…) mà không bị cháy và không bị biến dạng;

- Vật liệu dễ cháy: Là loại vật liệu chỉ chịu được nhiệt độ nhỏ hơn 1.3500C đã có thể bị cháy hoặc bị biến dạng

1.5.1.2 Phân loại biến dạng

1 Căn cứ vào phương thức xác định biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là

biến dạng tuyệt đối và biến dạng tương đối:

Biến dạng tuyệt đối:

+ l: Độ biến dạng tuyệt đối của vật liệu;

+ ε: Biến dạng tương đối;

+ l 0: Chiều dài ban đầu của vật liệu;

+ l 1: Chiều dài lớn nhất sau khi bị biến dạng của vật liệu;

2 Căn cứ vào khả năng phục hồi biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là

biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo:

Biến dạng đàn hồi là loại biến dạng mà sẽ mất đi khi ngoại lực ngừng tác dụng, khi

đó vật liệu sẽ khôi phục lại hình dạng và kích thước ban đầu Tính chất này của vật liệu gọi

là tính đàn hồi Biến dạng đàn hồi xuất hiện khi ngoại lực tác dụng chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm trong vật liệu Công của ngoại lực sẽ chuyển hóa thành nội năng dưới dạng năng lượng đàn hồi Khi ngoại lực ngừng tác dụng thì nội năng (năng lượng đàn hồi) sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất điểm, vật liệu sẽ khôi phục lại hình dạng ban đầu và làm cho biến dạng bị triệt tiêu Biến dạng đàn

hồi chỉ xảy ra khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng nhỏ trong một thời gian ngắn Tính đàn hồi của vật liệu được đặc trưng bởi Mô đun đàn hồi Eđh; được xác định theo công thức (1-39)

+ σ: Ứng suất trong vật liệu ở giai đoạn đàn hồi, Mpa;

+ ε: Biến dạng đàn hồi tương đối,

0

l l

   ;

+ l: Độ biến dạng tuyệt đối của vật liệu ở giai đoạn đàn hồi, mm;

+ l 0 : Chiều dài ban đầu của vật liệu, mm

Biến dạng dẻo là loại biến dạng mà không bị mất đi khi ngoại lực ngừng tác dụng,

vật liệu không khôi phục lại được hình dạng và kích thước ban đầu Tính chất này của vật liệu được gọi là tính dẻo Biến dạng dẻo xuất hiện khi ngoại lực tác dụng vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm trong vật liệu, gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ cấu trúc vật liệu Lúc này công của ngoại lực không chuyển hóa thành nội năng mà được dùng

để phá hoại cấu trúc của vật liệu, do đó khi ngoại lực ngừng tác dụng thì biến dạng sẽ không bị triệt tiêu

3 Căn cứ vào thời điểm xuất hiện biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là

biến dạng tạm thời (biến dạng ngắn hạn) và biến dạng theo thời gian (biến dạng dài hạn) -

từ biến

Biến dạng tạm thời xảy ra khi tải trọng tác dụng trong thời gian ngắn (tức thời); khi tải trọng tác dụng dài hạn thì sẽ là biến dạng theo thời gian; và đi kèm với biến dạng dài hạn sẽ là hiện tượng từ biến (hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian trong khi tải trọng tác dụng không tăng) Nguyên nhân gây nên hiện tượng từ biến là do có sự tồn tại của một số bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất gần giống với chất lỏng; hoặc bản thân mạng lưới tinh thể có khuyết tật về mặt cấu trúc hoặc do vật liệu bị thay đổi cấu trúc theo thời gian, nên dưới tác dụng lâu dài của ngoại lực nó bị chảy nhớt ra

1.5.1.3 Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của vật liệu, trong đó có các yếu tố cơ bản là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gia tải: Tính dẻo và tính giòn của vật liệu phụ thuộc nhiều

vào nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ tăng lực do vậy, khi các yếu tố này thay đổi thì khả năng biến

dạng của vật liệu cũng thay đổi

Căn cứ vào đặc điểm của hiện tượng biến dạng trước khi bị phá hoại, vật liệu được chia thành các loại: vật liệu dẻo, vật liệu giòn, vật liệu đàn hồi…

Vật liệu dẻo là loại vật liệu mà trước khi bị phá hoại có biến dạng dẻo rõ rệt trước khi

bị phá hoại Ví dụ: các loại thép ít cacbon, bitum…

Vật liệu giòn là loại vật liệu mà trước khi bị phá hoại không có biến dạng dẻo rõ rệt

trước khi bị phá hoại Ví dụ: gang, đá, bê tông…

Vật liệu có tính đàn hồi là loại vật liệu mà khả năng biến dạng đàn hồi lớn hơn biến

Cường độ là một chỉ tiêu rất quan trọng dùng để đánh giá vật liệu về mặt cơ học, lựa chọn vật liệu cho công trình, tính toán kết cấu công trình, kiểm tra đánh giá công trình cũ hoặc đánh giá nghiệm thu công trình xây dựng mới Nó là là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của vật liệu dùng trong các kết cấu chịu lực và được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác vật liệu

Cường độ tiêu chuẩn (Rtc) của vật liệu được xác định theo quy trình thí nghiệm chuẩn quy định trong các tiêu chuẩn ngành, tiêu chuẩn Quốc gia hoặc tiêu chuẩn Quốc tế Trong quá trình thí nghiệm xác định cường độ của vật liệu, kết quả thí nghiệm có thể chịu ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạng, kích thước, đặc điểm bề mặt mẫu thí nghiệm

và điều kiện thí nghiệm, cũng có thể sẽ có kể đến hệ số điều kiện

Khi thí nghiệm xác định các chỉ tiêu: Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo dọc trục, cường độ chịu kéo khi uốn (cường độ chịu uốn) thường được tiến hành và tính toán theo các sơ đồ Hình 1.2 và các công thức từ (1-40) đến (1-42)

a) Sơ đồ nén mẫu b) Sơ đồ kéo mẫu

Hình 1.2 Sơ đồ thí nghiệm phá hoại mẫu

+ Pmax: Tải trọng nén (kéo) phá hoại mẫu, N;

+ F: Tiết diện chịu lực của mẫu, mm 2;

+ M: Mômen uốn phá hoại mẫu, N.mm;

+ W: Mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, mm 3

b) Phương pháp gián tiếp

Ngày nay đã có các phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu theo hai nhóm nguyên tắc là nhóm theo nguyên tắc cơ học và nhóm theo nguyên tắc vật lý

- Nhóm thí nghiệm theo nguyên tắc cơ học: Gồm các phương pháp thí nghiệm mang

tên dụng cụ đo như phương pháp búa bi, phương pháp búa có thanh chuẩn, phương pháp súng bật nẩy Schimidt, phương pháp súng bắn đạn thử…

- Nhóm thí nghiệm theo nguyên tắc vật lý: Gồm các phương pháp cộng hưởng, phương

pháp phóng xạ và xung siêu âm Trong đó phương pháp xung siêu âm được sử dụng rộng rãi nhất

Các phương pháp không phá hoại mẫu rất tiện lợi, song mức độ chính xác còn hạn chế và tùy thuộc vào rất nhiều yếu tố; do đó không thể thay thế hoàn toàn phương pháp phá hoại mẫu

1.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ

a) Các yếu tố thuộc về bản thân cấu tạo vật liệu

Các loại vật liệu khác nhau có cường độ khác nhau: Vật liệu có cấu trúc kết tinh hoàn toàn có cường độ cao hơn vật liệu có cấu trúc kết tinh không hoàn toàn; vật liệu có cấu trúc kết tinh mịn có cường độ cao hơn vật liệu có cấu trúc kết tinh thô; vật liệu có cấu trúc rỗng

có cường độ thấp hơn vật liệu đặc chắc (vì độ rỗng lớn, lực liên kết giữa các chất điểm sẽ yếu hơn, diện tích chịu lực nhỏ hơn, ứng suất tập trung ở gần lỗ rỗng nên khả năng chịu lực giảm); vật liệu có cấu trúc dạng lớp hoặc sợi (thành phần cấu tạo phân bố theo một chiều nhất định) có cường độ theo mỗi phương sẽ khác nhau

b) Các yếu tố thuộc điều kiện thí nghiệm

Với cùng một loại vật liệu, nếu mẫu có hình dáng và kích thước khác nhau sẽ cho

kết quả thí nghiệm cường độ khác nhau Thông thường, mẫu có kích thước nhỏ, chiều cao thấp thì sẽ cho kết quả cường độ cao hơn; mẫu hình trụ cho kết quả cường độ nhỏ hơn mẫu lăng trụ

Trong thí nghiệm nén, nếu bề mặt mẫu trơn, lực ma sát sẽ nhỏ, sẽ cho kết quả cường

độ thấp hơn mẫu thông thường

Khi tốc độ tăng tải lớn, tốc độ biến hình của vật liệu chậm so với tốc độ tăng tải, nên

sẽ cho kết quả kết quả cường độ cao hơn khi thí nghiệm với tốc độ tăng tải thông thường (chậm hơn)

Ngoài ra, với một số loại vật liệu nhạy cảm với độ ẩm và nhiệt độ thì ảnh hưởng của

hai yếu tố này đến kết quả thí nghiệm cường độ rất lớn

Để khắc phục các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ, các tiêu chuẩn thí nghiệm thường phải quy định về kích thước mẫu tiêu chuẩn, điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn (điều kiện chế tạo và bảo dưỡng mẫu, phương pháp thử mẫu…) Khi thực hiện thí nghiệm khác với điều kiện tiêu chuẩn thì phải có sự hiệu chỉnh kết quả

Ví dụ: Với thí nghiệm nén của bê tông, do hình dáng và kích thước mẫu có ảnh hưởng nhất định đến kết quả thí nghiệm cường độ, nên đối với cường độ chịu nén tiêu chuẩn quy định phải dùng hệ số điều chỉnh cường độ giữa các loại khuôn mẫu được ghi ở Bảng 1.3

Bảng 1.3 Hệ số điều chỉnh cường độ giữa các loại khuôn mẫu

bh

R K

R

Trong đó:

+ Rbh: Cường độ của vật liệu ở trạng thái bão hòa nước;

+ Rk: Cường độ của vật liệu ở trạng thái khô

Hệ số mềm của vật liệu biến động rất lớn (0 ÷ 1) với các loại vật liệu khác nhau: Với vật liệu bằng đất sét không nung, có thể bằng 0; với các vật liệu hoàn toàn đặc như thép, kính, coi như bằng 1