Giao trinh bai tap tài liệu tham khảo bài giảng chương 4

Các tính chất lý VLXD Ảnh hưởng cấu trúc thành phần đến tính chất vật liệu Vật Liệu Xây Dựng Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khối lượng thể tích đở đống, độ rỗng, độ hổng hạt vật liệu rời, thành phần hạt… (Construction Materials) Các tính chất mơi trường nước: độ hút nước, độ bão hịa nước, tính thấm nước độ biến dạng ẩm Bộ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chı́ Minh Các tính chất nhiệt (biến dạng nhiệt, tính dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tính chống cháy chịu lửa) Các tính chất (biến dạng, cường độ, độ mài mịn) VLXD-Tính chất lý Ảnh hưởng cấu trúc Hướng tiếp cận Từ bên ngồi: tuỳ theo cơng làm việc • • • 1-2 Tác động học (trọng lượng thân, gió, hoạt tải sử dụng, sóng, động đất, băng tuyết, sóng thần ) Tác động hóa học (xâm thực mơi trường axit, nước biển, sinh vật biển, nước mưa ) Gồm dạng, số lượng, hình dáng, kích thước phân bố pha trạng thái rắn Cấu trúc vĩ mô (macrostructure): thô, quan sát mắt thường, giới hạn đến 200µm Cấu trúc vi mơ (microstructure): kính hiển vi x105 Các tác dụng khác (áp suất hơi, nhiệt, phóng xạ) Từ bên trong: • Các liên kết (ion, phân tử, cộng hố trị ) • Hàm lượng thành phần khống, thành phần pha • Sự xếp cấu trúc VLXD-Tính chất lý 1-3 VLXD-Tính chất lý 1-4 Ảnh hưởng cấu trúc Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3) Khối lượng riêng khối lượng (m) đơn vị thể tích vật liệu trạng thái đặc hồn tồn (Va) Cấu trúc vĩ mơ (macrostructure): thuật ngữ dùng để cấu trúc thơ, quan sát mắt thường, giới hạn đến 200µm γa = Cấu trúc vi mô (microstructure): quan sát loại kính hiển vi, giới hạn đến độ phóng đại 105 lần - m : khối lượng cân khô vật liệu - Va: thể tích đặc tuyệt đối vật liệu khơng tính lỗ rỗng Ý nghĩa: để xác định chất vật liệu, độ rỗng, phân biệt tính tốn phối liệu • Mẫu bột : sử dụng bình tỷ trọng để xác định khối lượng →Tính chất vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mơ • VLXD-Tính chất lý m Va 1-5 Dụng cụ xác định riêng vật liệu thơng qua thể tích bị chiếm chỗ chất lỏng (trơ) Mẫu có hình dạng: cân khối lượng đo kích thước VLXD-Tính chất lý 1-6 Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3) Ảnh hưởng khối lượng riêng đến tính chất vật liệu • Khơng ảnh hưởng nhiều đến tính vật liệu như: độ bền, độ hút nước, … • Ảnh hưởng đến tính chất như: khả chịu nhiệt, độ cứng, khả ăn mòn hóa học… Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng riêng • Thành phần hóa vật liệu • Điều kiện thí nghiệm? VLXD-Tính chất lý 1-7 VLXD-Tính chất lý 1-8 Khối lượng thể tıc ́ h (g/cm3, t/m3) Khối lượng thể tıc ́ h (g/cm3, t/m3) Khối lượng thể tích khối lượng (m) đơn vị thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên bao gồm lỗ rỗng (V0) γ = m V0 Khối lượng thể tích số loại vật liệu xây dựng - m; khối lượng tự nhiên vật liệu - V0; thể tích vật liệu bao gồm lỗ rỗng (tự nhiên) Đối với vật liệu hoàn toàn đặc KLTT ≈ KLR Phương pháp xác định; • • • Cân đo với vật liệu có kích thước hình học rõ ràng Bọc mẫu parafin, cân chất lỏng tìm thể tích chất lỏng dời chỗ Áp dụng cho mẫu có hình dáng Dùng dụng cụ có dung tích để xác định vật liệu dạng rời rạc VLXD-Tính chất lý = m VX (kg/m3) 1600 – 1900 1800 – 2500 100% vật liệu rỗng nhẹ Độ hút nước phụ thuộc độ rỗng đặc điểm lỗ rỗng vật liệu, chất dùng Hp Hv để đánh giá độ truyền nhiệt, đợ thấm tính chất khác cường đợ, KLTT vật liệu • • • Mối quan hệ Hp Hv H v= 1-14 Độ hút nước Độ hút nước khả hút giữ nước lỗ rỗng vật liệu áp lực thường (tự nhiên) Độ hút nước biểu diễn theo khối lượng (Hp) theo thể tích (Hv) Hp = VLXD-Tính chất lý 1-13 1-15 Xác định gián tiếp độ rỗng vật liệu Đánh giá khả sử dụng vật liệu mơi trường nước VLXD-Tính chất lý 1-16 Đợ hút nước bão hịa Đợ hút nước bão hòa Là độ hút nước tối đa vật liệu điều kiện thí nghiệm định (ở 20mmHg đun sôi) Được đánh giá hệ số bão hòa nước Cbh C bh = Hv V , C bh = n r Vr hay tỉ số % thể tích nước chứa vật liệu trạng thái bão hịa với thể tích rỗng vật liệu Cbhmax = Khi Cbh tăng lượng nước vào lỗ rỗng vật liệu nhiều Vật liệu bão hòa nước, KLTT, thể tích, hệ số truyền nhiệt tăng cường độ giảm mạnh VLXD-Tính chất lý 1-17 Ở trạng thái bão hòa nước, độ bền VL giảm Để đánh giá chất lượng vật liệu môi trường nước người ta dùng hệ số mềm Hệ số mềm Km: hệ số giảm cường độ vật liệu bão hịa nước Km • • • • • Sấy khơ mẫu thí nghiệm, cân m Đun nước sơi, để nguội Cân m1, tính tóan theo công thức độ hút nước Phương pháp 2: • • • • • Ngâm mẫu bình nước có nắp đậy kín Hạ áp suất xuống 20mmHg, rút chân không Giữ áp suất đến không cịn bọt khí Đưa áp suất bình thường 760mmHg Giữ sau giờ, vớt mẫu, cân tính kết qủa VLXD-Tính chất lý 1-18 Độ ẩm tự nhiên Hệ số mềm R = MBH RK Phương pháp 1: Trong đó: - RMBH: Cường độ mẫu trạng thái bão hòa - RK: Cường độ mẫu khơ Km ≥ 0,75: Vật liệu bền nước (thép, kính) Km < 0,75: Vật liệu bền nước, không nên sử dụng điều kiện tác dụng nước (đất sét khơng nung) VLXD-Tính chất lý 1-19 Độ ẩm tỉ lệ phần trăm lượng nước có thật nằm vật liệu Độ ẩm phụ thuộc vào môi trường khơ ẩm xung quanh m − m2 • Đợ ẩ m tương đối W = m − m2 Wah = rh m2 m • Đợ ẩ m tuyệt đối Độ ẩm thay đổi theo môi trường, độ ẩm tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng giảm theo, gây tượng co nở thể tích, sinh nội ứng suất phá hủy cấu trúc vật liệu Phụ thuộc vật liệu, phương biến dạng Ví dụ: Gỗ có độ nở dọc thớ 1% độ nở ngang thớ 3-10% VLXD-Tính chất lý 1-20 Tính thấm Tính dẫn nhiệt Là tính chất nước thấm qua có chênh lệch áp lực nước thủy tĩnh Đặc trưng tính thấm nước hệ số thấm Kth Trong Vn a K th = S ( p1 − p2 ).t - Vn: thể tích nước thấm qua, m3 - a: Chiều dày mẫu, m - S: diện tích mẫu, m2 λ = ,0196 + ,22 ρ v − ,14 - (p1-p2): chênh áp suất thủy tĩnh hai mặt, m H2O λt = λ0 (1 + 0,002t )(0 ≤ t ≤ 200 C ) - t: thời gian, h Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc lớn vào chất vật liệu VLXD-Tính chất lý m kg / m 500 / ium 00kg calc s de lcium e t a a Silic te c at Silic m Tấ ủy t th mú e cat Sili /m kg 45 h tin e in um al i Sợ 1-22 Nhiệt dung riêng hay tỉ nhiệt Nhiệt dung riêng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg vật liệu tăng lên 10C Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào chất vật liệu độ ẩm /m kg 13 • • • m3 kg/ 200 m u ci cal ane ureth poly Mút VLXD-Tính chất lý 1-21 m3 kg/ 400 iệt hiệ n h Sợ ik ho án g 10 0k g/m ch Gạ Là tính chất vật liệu nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp, tức có gradient nhiệt đợ (∇T) Đặc trưng tính dẫn nhiệt hệ số dẫn nhiệt Mối liên hệ hệ số dẫn nhiệt với khối lượng thể tích, nhiệt độ : Nhiệt dung riêng VL hữu lớn VL khoáng, Chênh lệch nhiệt dung riêng chất rắn khí khơng đáng kể, Nhiệt dung riêng pha lỏng lớn nhiều so với hai pha Ví dụ: Tỉ nhiệt số loại vật liệu thông dụng g/m 32k λ(Wm-1K-1) VLXD-Tính chất lý vs T(°C) BêBê-tơng cố cốt liệ liệu đá đá calcite (EC) 1-23 • • • • Đá thiên nhiên, nhân tạo: C=0,18 – 0,22 kCal/kg.0C Gỗ: C=0,57 – 0,65 kCal / kg.0C Thép: C=0,115 kCal / kg.0C Nước: C=1,00 kCal / kg.0C VLXD-Tính chất lý 1-24 Nhiệt dung, nhiệt dung riêng Nhiệt dung khối vật liệu G hấp thụ để tăng nhiệt độ từ t1 đến t2 là: Q = C.G.(t2-t1) (kCal) Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vật liệu phụ thuộc vào độ ẩm: C + , 01 WC n CW = + , 01 W Xác định giá trị nhiệt dung riêng vật liệu: • • Bằng phân tích DSC, DTA, Bằng tính tốn biết thành phần hỗn hợp C = m1C1 + m C + + m n C n m1 + m + + m n VLXD-Tính chất lý BêBê-tơng cố cốt liệ liệu đá đá calcite (EC) 1-25 Tính chống cháy, chịu lửa • Vật liệu khơng cháy : vật liệu khơng cháy • VLXD-Tính chất lý 1-26 Chuyển hố thành phần Tính chống cháy khả vật liệu chịu tác dụng lửa khoảng thời gian định Phân loại: • Cp(kJkg-1K-1) vs T(°C) lửa nhiệt độ cao bị phá hủy bị biến dạng nhiệt độ >6000C Vật liệu khó cháy: vật liệu bị cháy tác dụng lửa hay nhiệt độ cao ngừng tác nhân gây cháy vật liệu ngừng cháy Vật liệu dễ cháy: vật liệu bùng cháy tác dụng nhiệt độ cao 30 – 1050C: bay ẩm 110 – 1700C: phân huỷ thạch cao (quá trình thu nhiệt) 180 – 3000C: nước phân huỷ CSH CAH 450 – 5500C: nước canxi hydroxit 700 – 9000C: phân huỷ canxi cacbonat xi-măng số loại cốt liệu giàu calcite Trên 10000C: phá hoại cấu trúc Một số thành phần bắt đầu có tượng chuyển pha lỏng Nguồn : A.M.Neville, Properties of Concrete, Longman Scientific & Technical VLXD-Tính chất lý 1-27 VLXD-Tính chất lý 1-28 Tính chống cháy, chịu lửa Các tính chất học Tính chịu lửa: Là khả chịu tác dụng lâu dài nhiệt độ cao mà không bị biến dạng bị chảy Có nhóm vật liệu: • • • Vật liệu chịu lửa: chịu tác dụng t°> 1580°C Gạch samốt Vật liệu khó chảy: chịu tác dụng t°∈ [1350 - 1580°C] Vật liệu dễ chảy: Độ chịu lửa < 1350°C Gạch đất sét Tính chất học vật liệu tính biến hình khả chống lại phá hoại có ngoại lực tác dụng Tính biến dạng Cường đợ chiụ lực Vật liệu chịu lửa sử dụng để xây phận tiếp xúc với lửa buồng đốt, ống khói, phận phải chịu lực nhiệt độ cao thường xuyên VLXD-Tính chất lý Tính biến dạng 1-30 Tính biến dạng đàn hồi Là tính thay đổi hình dáng biến đổi thể tích vật liệu có ngoại lực tác dụng Bản chất ngoại lực tác dụng làm thay đổi hay phá hoại vị trí cân phân tử bên vật liệu làm cho chúng có chuyển vị tương đối VLXD-Tính chất lý VLXD-Tính chất lý 1-29 Vật liệu bị biến dạng chịu tác dụng ngoại lực và khơng cịn tác dụng ngoại lực thi trở lại hình dáng ban đầu Tính chất phục hồi gọi tính đàn hồi gồm giai đoạn • • 1-31 Gđ1: Khi ngoại lực gây biến dạng nhỏ lực liên kết thân vật liệu, gây biến dạng đàn hồi Công ngoại lực sinh biến thành nội vật liệu, lượng đàn hồi Gđ2: Khi bỏ tác dụng ngoại lực, lượng đàn hồi chuyển lại thành cơng để dịch chuyển chất điểm vị trí cân làm cho biến dạng triệt tiêu VLXD-Tính chất lý 1-32 Tính biến dạng dẻo Là biến dạng không phục hồi khối vật liệu tác dụng ngoại lực Biến dạng dẻo xuất ngoại lực tác dụng lớn lực liên kết chất điểm Lúc ngoại lực sinh không biến hết thành nội đồng thời gây lực phá hoại mối liên kết chất điểm cấu trúc vật liệu, làm cho biến dạng triệt tiêu, Hiện tượng biến dạng trước phá hoại, phân biệt • • vật liệu thuộc loại dẻo: thép carbon hay vật liệu dịn: bê-tơng, gang VLXD-Tính chất lý 1-33 Tính biến dạng khác VLXD-Tính chất lý 1-34 Cường độ chiụ lực Hiện tượng từ biến tượng biến dạng tăng dần theo thời gian ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu rắn Ở nhiệt độ cao vật liệu có tượng từ biến rõ rệt Hiện tượng chùng ứng suất hay đàn hồi giảm tác dụng ngoại lực, giữ cho biến dạng không đổi ứng suất đàn hồi vật liệu giảm dần theo thời gian Ảnh hưởng trực tiếp đến tính bền sử dụng VLXD-Tính chất lý Tính biến dạng vật liệu phụ thuộc vào Thành phần cấu trúc vật liệu→ thể modul đàn hồi E Nhiệt độ Tốc độ tăng áp lực 1-35 Cường độ khả chịu lực vật liệu chống lại phá hoại có tác dụng ngoại lực (như tải trọng, nhiệt độ, gió, thay đổi thời tiết, ) Cường độ vật liệu phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, độ đồng cấu trúc, loại vật liệu, Cường độ vật liệu biểu thị cường độ chịu nén giới hạn Rn, chịu uốn Ru, chịu kéo Rk, sức chịu cắt Rc, vật liệu Những giá trị tương ứng với ứng suất mẫu bị phá hoại, tức trạng thái đó vết nứt bắt đầu xuất VLXD-Tính chất lý 1-36 Cường độ chiụ nén, kéo, cắt Cường độ chiụ nén, kéo, cắt Là tỉ số lực phá hoại P tác dụng lên mẫu nén, kéo, cắt với tiết diện F ban đầu mẫu vật liệu Rn = Pn , N / mm F Rk = Pk , N / mm F Pp phá hủy mẫu: mẫu gia tăng lực mẫu bị phá hoại (xuất vết nứt, bị tách lớp hay biến hình…) Pp khơng phá hủy mẫu: sử dụng súng bật nẩy máy dò siêu âm VLXD-Tính chất lý Cường đợ chiụ uốn Pl bh Ru= VLXD-Tính chất lý 1-38 Độ cứng Khi thí nghiệm gia lực tác dụng phần chịu nén, phần chịu kéo mẫu bị phá hoại hoàn toàn điểm đặt lực điểm đặt lực Ru= VLXD-Tính chất lý 1-37 Là tính chất vật liệu chống lại xuyên đâm vật liệu khác cứng Có phương pháp xác định: Độ cứng Morh (Đối với vật liệu khoáng); so sánh tương đối hay Độ cứng Brinell (Đối với vật liệu kim loại, gỗ, bê tơng) Dùng viên bi thép có đường kính D mm, ấn vào vật liệu cần thử lực P Dựa vào vết lõm vật liệu nông hay sâu để xác định độ cứng P (l − a ) bh 1-39 VLXD-Tính chất lý 1-40 10 Đợ mài mịn Độ hao mịn Độ mài mịn khả vật liệu chịu tác dụng lực ma sát Hiện tượng thường gặp mặt đường, mặt cầu, đường ray Xác định độ mài mòn khối lượng vật liệu đơn vị diện tích đơn vị thời gian M m m − m1 = F Độ mài mòn phụ thuộc vào độ cứng, cường độ cấu trúc vật liệu VLXD-Tính chất lý 1-41 Độ hao mịn khả vật liệu chịu tác dụng đồng thời lực mài mòn va chạm Độ hao mịn xác định máy quay hình trống Devan - G1, G2 : khối lượng mẫu trước, sau - Hm: độ hao mòn % Đối với độ hao mòn đá qui định: • • • • • Hm = 4% : Đá chống hao mòn khỏe Hm = 4-6% : Đá chống hao mòn khỏe Hm = 6-10% : Đá chống hao mịn trung bình Hm = 10-15%: Đá chống hao mòn yếu Hm > 15% : Đá chống hao mịn yếu VLXD-Tính chất lý 1-42 11 ... bị biến dạng nhiệt độ >6000C Vật liệu khó cháy: vật liệu bị cháy tác dụng lửa hay nhiệt độ cao ngừng tác nhân gây cháy vật liệu ngừng cháy Vật liệu dễ cháy: vật liệu bùng cháy tác dụng nhiệt độ... liệu: • • • Vật liệu chịu lửa: chịu tác dụng t°> 1580°C Gạch samốt Vật liệu khó chảy: chịu tác dụng t°∈ [1350 - 1580°C] Vật liệu dễ chảy: Độ chịu lửa < 1350°C Gạch đất sét Tính chất học vật liệu. .. 1-10 Độ rỗng vật liệu tỉ lệ phần trăm thể tích pha khơng phải rắn (khí, lỏng) / thể tích tự nhiên khối vật liệu Thường tính r = - m; khối lượng tự nhiên vật liệu - Vx: thể tích vật liệu bao gồm lỗ