Đây là chương mở đầu trong tài liệu vật liệu xây dụng. Nội dung của chương nói về các tích chất cơ bản nhất của vật liệu xây dựng, bao gồm: các tính chất vật lý, các tính chất của vật liệu liên quan tới nước, các tính chất của vật liệu có liên quan đến nhiệt... Có các công thưc, hình ảnh minh họa cụ thể, có thể sử dụng để làm bài giảng, tham khảo trong quá trình nghiên cứu...
Chương CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm Vật liệu xây dựng (VLXD) vật thể thiên nhiên hay nhân tạo liên kết với tạo nên cơng trình xây dựng Ví dụ: Đá, gỗ, xi măng, bê tơng… VLXD chiếm vị trí quan trọng đặc biệt cơng trình xây dựng, chất lượng vật liệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tuổi thọ cơng trình Mặt khác sử dụng vật liệu để xây dựng cơng trình có liên quan mật thiết đến giá thành cơng trình, thơng thường chi phí vật liệu khoảng 74 ÷ 75% cơng trình xây dựng dân dụng, khoảng 70% cơng trình giao thơng, khoảng 50% cơng trình thủy lợi so với tổng giá thành cơng trình Vì vậy, muốn sử dụng VLXD đạt hiệu kinh tế kỹ thuật cần hiểu rõ loại VLXD về: cấu tạo, tính chất vật lý, hóa học, học tính chất đặc trưng khác chúng để từ có phương pháp khai thác, chế tạo, sử dụng, bảo quản vật liệu hợp lý 1.1.2 Phân loại vật liệu xây dựng a) Theo thành phần vật liệu - Vật liệu vô cơ: Các vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu nung (gạch, ngói…), loại chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa loại,… - Vật liệu hữu cơ: Các vật liệu gỗ, tre, loại nhựa, loại keo chất dẻo, loại sơn, vecni,… - Vật liệu kim loại: Các loại vật liệu sản phẩm gang, thép, kim loại màu, hợp kim… b) Theo hình thức khai thác sử dụng - Vật liệu thiên nhiên: Có sẵn thiên nhiên việc sơ chế sử dụng như: đá, gỗ… - Vật liệu nhân tạo: Phải qua trình chế tạo sản xuất, phối hợp nhiều loại vật liệu với như: sắt thép, bê tông, vữa, vôi, xi măng, gạch ngói, c) Theo cấu trúc vật liệu - Cấu trúc vĩ mơ: Dựa vào hình dạng bên ngồi vật liệu phân loại VLXD sau: + Vật liệu đá nhân tạo đặc; + Vật liệu cấu tạo rỗng; + Vật liệu cấu tạo dạng sợi; + Vật liệu có cấu trúc dạng lớp; + Vật liệu hạt - Cấu trúc vi mô: + Dạng tinh thể: Là chất có nhiệt độ nóng chảy dạng hình học định, chúng có độ bền độ ổn định lớn dạng vơ định hình + Dạng vơ định hình: Là chất tồn nhiều trạng thái khác Dạng vô định hình chuyển sang dạng tinh thể bền - Cấu tạo bên trong: Cấu tạo bên cấu tạo ngun tử, phân tử, hình dáng kích thước tinh thể, liên kết nội chúng Cấu tạo bên chất định đến cường độ, độ cứng, độ bền nhiệt nhiều tính chất quan trọng khác 1.2 Các tính chất vật lý vật liệu 1.2.1 Các thông số trạng thái đặc trưng cấu trúc vật liệu a) Khối lượng riêng - Khái niệm: Khối lượng riêng khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái hồn tồn đặc (khơng có lỗ rỗng) Ký hiệu γa , đơn vị g/cm3 tính theo công thức: γa = Gk Va , (g/cm3) (1.1) Trong đó: - Gk: Là khối lượng vật liệu trạng thái khơ hồn tồn (g); - Va: Là thể tích vật liệu trạng thái hồn tồn đặc (cm3) Khối lượng riêng tính theo đơn vị: kg/dm3, kg/m3 - Cách xác định: Để xác định khối lượng riêng vật liệu cần xác định khối lượng vật liệu khơ hồn tồn (Gk) thể tích vật liệu đặc hồn tồn (Va) Hình 1.1 Tủ sấy Hình 1.2 Cân kỹ thuật - Xác định khối lượng vật liệu khơ hồn tồn (G k): Vật liệu sấy nhiệt độ 105 oC ÷ 110 oC tủ sấy chênh lệch hai lần cân kỹ thuật không vượt 0,1% khối lượng Thời gian hai lần cân liên tiếp khơng 30 phút Hình 1.3 Bình tỷ trọng Hình 1.4 Thước kẹp Hình 1.5 Phù kế - Xác định thể tích vật liệu hoàn toàn đặc (Va) tùy theo loại vật liệu cụ thể: + Với vật liệu xem hoàn tồn đặc (như kim loại, kính…) có dạng hình học (khối lập phương, khối hình hộp chữ nhật, hình trụ…) gia cơng thành dạng hình học: đo kích thước mẫu vật liệu (dùng thước kẹp với độ xác đến 0,1 mm) tính thể tích mẫu vật liệu + Với vật liệu xem hoàn tồn đặc có dạng bất kỳ: Phương pháp xác định dựa vào phương pháp chiếm chỗ chất lỏng, cách thả vật liệu vào bình tỷ trọng + Với vật liệu có cấu trúc rỗng (gạch, bê tơng,…): Nghiền nhỏ thành hạt có đường kính nhỏ 0,2 mm cho bột vật liệu chiếm chỗ chất lỏng bình tỷ trọng + Với vật liệu trạng thái lỏng nhớt dùng phù kế Chú ý: Chất lỏng dùng để thí nghiệm khơng có phản ứng hóa học với vật liệu - Ý nghĩa khối lượng riêng: Khối lượng riêng phụ thuộc vào thành phần hóa học cấu trúc vi mô vật liệu nên biến động phạm vi nhỏ, đặc biệt loại vật liệu loại có khối lượng riêng tương tự Vì vậy, khối lượng riêng thường dùng để phân biệt loại vật liệu có hình thức bên ngồi giống nhau, để tính tốn thành phần số vật liệu hỗn hợp Ngồi ra, dùng khối lượng riêng để phán đoán số tính chất vật liệu, để xác định độ đặc, độ rỗng vật liệu… b) Khối lượng thể tích - Khái niệm: Khối lượng thể tích khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên (kể thể tích lỗ rỗng) Khối lượng thể tích ký hiệu γo tính theo cơng thức: γo = Gk , (g/cm3) Vo Trong đó: - Gk khối lượng vật liệu trạng thái khơ hồn tồn, (g); (1.2) - Vo thể tích mẫu vật liệu trạng thái tự nhiên, sấy khô, (cm ) Bên cạnh khối lượng thể tích tiêu chuẩn sử dụng khối lượng thể tích ẩm w vật liệu, ký hiệu γ đơn vị g/cm3 xác định theo công thức: γ ow = Gw , (g/cm3) Vow (1.3) Trong đó: - Gw khối lượng vật liệu trạng thái tự nhiên, có kể đến lượng nước bên trong, (g); w - V o thể tích mẫu vật liệu trạng thái tự nhiên, có kể đến lượng nước bên (cm3) Khối lượng thể tích tính theo đơn vị kg/dm3, kg/m3 Ngồi ra, vật liệu hạt rời rạc có khái niệm khối lượng thể tích xốp xét đến phần thể tích rỗng nằm hạt, ký hiệu γ o G γ ox = VL , (g/cm3) Vth x (1.4) Trong đó: - GVL khối lượng vật liệu thùng đong, (g); - Vth thể tích thùng đong chứa vật liệu, (cm3) - Cách xác định: Để xác định khối lượng thể tích vật liệu cần xác định khối lượng vật liệu khơ hồn tồn (Gk) khối lượng vật liệu trạng thái tự nhiên (G w) thể tích tự nhiên vật liệu (Vo) + Xác định khối lượng vật liệu khơ hồn tồn (G k): Dùng cân kỹ thuật để cân mẫu vật liệu sấy khô hoàn toàn + Xác định khối lượng vật liệu trạng thái tự nhiên (Gw): Dùng cân kỹ thuật để cân mẫu vật liệu trạng thái tự nhiên (kể lượng nước bên mẫu vật liệu) + Thể tích tự nhiên (Vo) xác định tùy theo loại vật liệu cụ thể * Với vật liệu có dạng hình học (khối lập phương, khối hình hộp chữ nhật, hình trụ, ) gia cơng thành dạng: đo kích thước mẫu vật liệu (dùng thước kẹp với độ xác đến 0,1 mm) tính thể tích mẫu vật liệu * Với vật liệu khơng có kích thước hình học rõ ràng dùng phương pháp chiếm chỗ chất lỏng cách thả vật liệu (đã bọc lớp parafin ngâm nước bão hòa) vào bình tỷ trọng Phương pháp áp dụng tính khối lượng thể tích đặc vật liệu rời rạc (xi măng, cát, sỏi, đá dăm, ) * Khi xác định khối lượng thể tích xốp (có xét đến thể tích phần rỗng hạt) vật liệu rời rạc (xi măng, cát, sỏi, đá dăm,…) đổ đầy vật liệu vào thùng đong tích (Vth) biết trước tùy thuộc kích thước hạt, vật liệu đổ theo máng nghiêng 45o đặt cao miệng thùng đong 10cm dùng thước thẳng tì miệng thùng gạt bỏ hạt vật liệu thừa cao miệng thùng Sau tiến hành cân xác định khối lượng vật liệu thùng (GVL) - Ý nghĩa khối lượng thể tích: Khối lượng thể tích loại vật liệu thay đổi phạm vi rộng, phụ thuộc thành phần cấu trúc thân vật liệu Khối lượng thể tích xốp vật liệu rời x rạc ( γ o ) phụ thuộc kích thước hạt xếp hạt Khối lượng thể tích dùng để đánh giá sơ số tính chất vật liệu: độ đặc, độ hút nước, cường độ, mức độ truyền nhiệt Ngồi ra, tính tốn thành phần vật liệu hỗn hợp (bê tơng xi măng, vữa,…), tính tốn vận chuyển vật liệu, kho bãi, tính kết cấu xây dựng… c) Độ đặc, độ rỗng - Khái niệm: + Độ đặc tỷ lệ thể tích vật liệu đặc hồn tồn thể tích tự nhiên vật liệu Độ đặc ký hiệu đ, đơn vị %, tính theo cơng thức: Va γo đ = 100% đ = 100% , (%) (1.5) Vo γa + Độ rỗng tỷ lệ thể tích phần lỗ rỗng có vật liệu thể tích tự nhiên vật liệu Độ rỗng ký hiệu r, đơn vị %, tính theo công thức: r= Vr 100% (%) Vo (1.6) Trong đó: - Vr thể tích lỗ rỗng có vật liệu, (cm3); - Vo thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên, (cm3) Vì Vr = Vo – Va nên: V −V V γ r = o a 100% = (1 − a ).100% = (1 − o ).100% = 100% − đ Vo Vo γa - Cách xác định: Độ rỗng thường xác định gián tiếp qua Vo Va γo γa - Phân loại lỗ rỗng: + Lỗ rỗng kín: Là lỗ rỗng riêng biệt, không thông không thông với bên ngồi + Lỗ rỗng hở: Là lỗ rỗng thơng với thơng với bên ngồi Ngồi phân biệt lỗ rỗng hạt lỗ rỗng hạt - Ảnh hưởng độ đặc, độ rỗng tới tính chất khác vật liệu: Độ rỗng vật liệu thay đổi phạm vi rộng, ví dụ: độ rỗng gạch đất sét r = 15% ÷ 50%, bê tơng xi măng r = 10% ÷ 81%… Số lượng, cấu tạo phân bố lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Các lỗ rỗng hở làm tăng độ thấm nước độ hút nước, giảm khả chịu lực Tuy nhiên vật liệu sản phầm hút âm lỗ rỗng hở lại cần thiết Vật liệu có nhiều lỗ rỗng kín cường độ cao hơn, cách âm, cách nhiệt tốt Dựa vào độ rỗng phán đốn số tính chất vật liệu như: độ chịu lực, tính chống thấm, tính chất có liên quan đến hút nước, cách âm, cách nhiệt,… Bảng Khối lượng riêng, khối lượng thể tích độ rỗng số vật liệu Tên vật liệu Bê tông xi măng nặng Bê tông xi măng nhẹ Bê tông xi măng tổ ong Bê tông atphan Gạch đất sét thường Gạch đất sét rỗng ruột Đá vơi đặc Đá vơi vỏ sò Cát xây dựng Thủy tinh đặc Kính xốp Nhơm Thép xây dựng Khối lượng riêng γa (g/cm3) Khối lượng thể tích γo (g/cm3) Độ rỗng r (%) 2,6 2,6 2,2 ÷ 2,5 0,5 ÷ 1,8 3,8 ÷ 15,4 30,8 ÷ 80,8 2,6 0,5 80,8 2,6 2,65 ÷ 2,7 2,65 ÷ 2,7 2,6 ÷ 2,7 2,6 ÷ 2,7 2,6 2,6 2,6 2,6 7,85 2,1 ÷ 2,2 1,6 ÷ 1,9 1,3 ÷ 1,45 1,6 ÷ 2,1 1,1 ÷ 1,6 1,5 ÷ 1,73 2,6 0,3 ÷ 0,5 2,6 7,85 15,4 ÷ 19,2 28,3 ÷ 40,7 45,3 ÷ 51,9 12,9 ÷ 40,7 38,5 ÷ 59,3 33,5 ÷ 42,3 80,8 ÷ 88,5 0 d) Độ mịn - Khái niệm: Độ mịn (còn gọi độ lớn) tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt vật liệu dạng hạt rời rạc dạng bột - Cách xác định: Độ mịn vật liệu dạng hạt đánh giá cách sàng chúng cỡ sàng có đường kính quy định theo tiêu chuẩn tính tỷ lệ khối lượng hạt lọt qua sàng (%) Độ mịn đánh giá diện tích bề mặt riêng (tổng diện tích bề mặt tất hạt vật liệu có 1g vật liệu đó, đơn vị đo, cm 2/g) hay khả lắng đọng chất lỏng … - Ảnh hưởng độ mịn đến tính chất vật liệu: Sự thay đổi độ mịn làm thay đổi độ rỗng hạt, thay đổi khả tương tác, phân tán vật liệu mơi trường Vì vậy, tùy vật liệu mục đích sử dụng mà tăng giảm độ mịn Đối với vật liệu hạt rời rạc xác định độ mịn phải ý đến hàm lượng nhóm cỡ hạt, hình dạng tính chất hạt (góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả hấp thụ, khả liên kết với vật liệu khác,…) 1.2.2 Các tính chất có liên quan đến nước a) Nước vật liệu Trong vật liệu chứa lượng nước định Tùy theo chất vật liệu, thành phần, tính chất bề mặt đặc tính lỗ rỗng mà mức độ liên kết nước với vật liệu khác Dựa vào mức độ liên kết đó, nước vật chia thành loại: Nước hóa học, nước hóa lý nước học - Nước hoá học: Là nước tham gia vào thành phần vật liệu, có liên kết bền với vật liệu Nước hoá học bay nhiệt độ cao (trên 500 °C) Khi nước hoá học tính chất hóa học vật liệu bị thay đổi lớn - Nước hoá lý (nước hấp phụ): Là nước có liên kết với vật liệu lực hút phân tử Vandecvan lực hút tĩnh điện bề mặt (nước màng) Lớp nước liên kết trực tiếp với vật liệu bền chí có khả chịu lực lực liên kết giảm dần theo chiều dày màng nước Lượng nước thay đổi tác dụng môi trường (độ ẩm, nhiệt độ), biến thành hơi, mức độ đó, biến đổi làm thay đổi tính chất vật liệu - Nước học (nước tự do): Loại gần khơng có liên kết với vật liệu, dễ dàng thay đổi điều kiện thường Khi nước học thay đổi, khơng làm thay đổi tính chất vật liệu b) Độ ẩm - Khái niệm: Độ ẩm tiêu đánh giá lượng nước có thật vật liệu thời điểm thí nghiệm Độ ẩm xác định thông qua tỷ số lượng nước tự nhiên có vật liệu với khối lượng vật liệu khô Độ ẩm ký hiệu W, đơn vị % tính theo cơng thức: G W = n 100% ,(%) (1.7) Gk Gw − Gk 100% ,(%) Hay W = Gk G Gk = w Từ đó: Gw = Gk.(1 + W) (1.8) 1+ W Trong đó: - Gn: Là khối lượng nước có vật liệu thời điểm thí nghiệm, (g); - Gk: Là khối lượng vật liệu trạng thái khô hoàn toàn, (g); - Gw: Là khối lượng vật liệu trạng thái tự nhiên kể lượng nước bên trong, (g) - Cách xác định: Lấy mẫu vật liệu, cân mẫu trạng thái tự nhiên thời điểm thí nghiệm Sấy khơ mẫu đến khối lượng khơng đổi nhiệt độ 105 oC ÷ 110 oC, cân xác định khối lượng vật liệu khơ tính theo cơng thức - Tính hút ẩm: Khi để vật liệu mơi trường khơng khí, tùy thuộc độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khơng khí vật liệu hút nhả ẩm làm thay đổi độ ẩm vật liệu Mức độ hút ẩm nhả ẩm phụ thuộc vào chất vật liệu, đặc tính lỗ rỗng môi trường Trong điều kiện mơi trường vật liệu rỗng độ ẩm cao Ở mơi trường khơng khí áp lực nước tăng (độ ẩm tương đối khơng khí tăng) độ ẩm vật liệu tăng Độ ẩm tăng kéo theo thay đổi tính chất khác vật liệu cường độ, độ cứng giảm ngược lại Đặc biệt, số vật liệu hữu hay vô bị thay đổi độ ẩm kích thước thể tích vật liệu bị thay đổi Khi độ ẩm giảm, vật liệu co lại chiều dày lớp nước hấp phụ quanh phần tử vật liệu giảm xuống, phần tử xích lại gần nhau, khác với bay nước tự lỗ rỗng lớn không làm phần tử xích lại gần nên giảm độ ẩm không gây co Khi độ ẩm tăng, vật liệu nở phần tử nước có cực xâm nhập vào khe hở phần tử đẩy chúng xa nhau, chiều dày lớp nước hấp phụ tăng lên Vì vậy, số trường hợp người ta phải xác định tính chất vật liệu điều kiện độ ẩm định c) Độ hút nước - Khái niệm: Độ hút nước khả hút giữ nước vật liệu điều kiện thường Độ hút nước xác định theo khối lượng theo thể tích: + Độ hút nước theo khối lượng: Ký hiệu H p, đơn vị % xác định theo công thức: G G − Gk H p = n 100% = w 100% , (%) (1.9) Gk Gk - Độ hút nước theo thể tích: Ký hiệu Hv, đơn vị % tính theo cơng thức: V (G − Gk ) γ H v = n 100% = w 100% , (%) (1.10) V0 γ an Gk Trong đó: - Gk: Là khối lượng mẫu vật liệu khô hoàn toàn, (g); - Gw: Là khối lượng mẫu vật liệu sau ngâm nước, (g); - Gn: Là khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút vào sau ngâm nước, (cm3); - γan: Là khối lượng riêng nước; γan ≈ (g/cm3) Độ hút nước theo khối lượng độ hút nước theo thể tích có quan hệ với nhau: V (G − Gk ) γ o γ H v = n 100% = w 100% = H p o (1.11) V0 γ an Gk γ an - Cách xác định: Sấy khô mẫu vật liệu để xác định khối lượng khơ hồn tồn, ngâm mẫu vật liệu sấy khơ vào nước nhiệt độ 27 oC ± oC Sau vật liệu hút no nước, vớt mẫu vật liệu lau khô bề mặt mẫu vật liệu cân xác định khối khối lượng vật liệu ẩm tính độ hút nước theo công thức Tùy loại vật liệu mà thời gian ngâm mẫu khác Thời gian ngâm mẫu thí nghiệm quy định quy trình Ví dụ: thời gian ngâm mẫu đá dăm có kích thước hạt khơng lớn 40 mm (24 ± 4) (TCVN 7572-4:2006), kích thước hạt lớn 40 mm 48 (TCVN 7572-5:2006) - Các yếu tố ảnh hưởng ý nghĩa độ hút nước: Độ hút nước vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính lỗ rỗng, chất ưa nước hay kỵ nước vật liệu Do nước chui vào lỗ rỗng hở nên độ hút nước luôn nhỏ độ rỗng vật liệu Độ hút nước tạo thành ngâm trực tiếp vật liệu vào nước, với mẫu vật liệu đem thí nghiệm độ hút nước lớn độ ẩm Khi độ hút nước tăng lên làm cho thể tích số vật liệu tăng khả thu nhiệt tăng cường độ chịu lực khả cách nhiệt giảm d) Độ bão hòa nước - Khái niệm: Độ bão hòa nước độ hút nước cực đại vật liệu điều kiện cưỡng (bằng nhiệt độ áp suất) Độ bão hòa nước xác định thơng qua độ hút nước bão hòa theo khối lượng, độ hút nước bão hòa theo thể tích hệ số bão hòa nước + Độ hút nước bão hòa theo khối lượng ký hiệu Hpbh, đơn vị %, tính theo công thức: Gnbh Gwbh − Gk H bh = 100% = 100% ,(%) (1.12) p Gk Gk + Độ hút nước bão hòa theo thể tích ký hiệu Hvbh, đơn vị %, tính theo cơng thức: Vnbh (Gwbh − Gk ) γ o bh Hv = 100% = 100% ,(%) (1.13) V0 γ an Gk Trong đó: - Gk: Là khối lượng mẫu vật liệu khơ hồn toàn, (g); bh - Gw : Là khối lượng mẫu vật liệu sau ngâm nước bão hòa, (g); - Gnbh: Là khối lượng nước mà vật liệu hút vào ngâm nước bão hòa, (g); - Vnbh: Là thể tích nước mà mẫu vật liệu hút vào sau ngâm nước bão hòa, (cm3); - γan: Là khối lượng riêng nước + Hệ số bão hòa nước: Là tỷ lệ lượng nước mà vật liệu hút trạng thái cưỡng với thể tích lỗ rỗng vật liệu Hệ số bão hòa nước ký hiệu C bh đại lượng không thứ nguyên xác định theo công thức: V bh H bh Cbh = n = v (1.14) Vr r Cbh thay đổi từ (khi tất lỗ rỗng vật liệu kín) đến (khi tất lỗ rỗng vật liệu hở) Hệ số bão hòa lớn tức vật liệu có nhiều lỗ rỗng hở - Cách xác định: Để xác định độ bão hòa nước phải tạo điều kiện cho vật liệu hút nước tối đa việc thực hai phương pháp cưỡng theo nhiệt độ hay theo áp suất - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bão hòa nước: Độ bão hòa nước vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính lỗ rỗng, chất ưa nước hay kỵ nước vật liệu - Ảnh hưởng độ bão hòa nước đến tính chất vật liệu: Khi vật liệu bị bão hòa nước làm cho thể tích vật liệu khả dẫn nhiệt tăng, khả cách nhiệt đặc biệt cường độ chịu lực (độ bền nước) giảm Do mức độ bền nước vật liệu đánh giá hệ số mềm Hệ số mềm (còn gọi hệ số bền nước) tỷ lệ cường độ mẫu vật liệu bão hòa nước (Rbh) cường độ mẫu vật liệu khơ hồn tồn (Rk) e) Tính thấm chống thấm nước - Khái niệm: + Tính thấm nước tính chất vật liệu cho nước thấm qua chiều dày hai bề mặt đối xứng có chênh lệch áp suất thủy tĩnh + Tính chống thấm khả vật liệu ngăn không cho nước thấm qua chiều dày hai bề mặt đối xứng có chênh lệch áp suất thủy tĩnh - Cách xác định: + Tính thấm nước đặc trưng hệ số thấm Kth: Vn a K th = , (m/h) (1.15) F ( p1 − p2 ).t Trong đó: - Vn: Là thể tích nước thấm qua khối vật liệu, (m3); - a: Là chiều dày khối vật liệu, (m); - F: Là diện tích khối vật liệu mà nước thấm qua, (m2); - t: Là thời gian nước thấm qua khối vật liệu, (giờ); - p1, p2: Là độ chênh chệch áp lực thủy tĩnh hai mặt tường (mét cột nước) Về mặt trị số, Kth thể tích nước (m3) thấm qua tường có diện tích F = m2, chiều dày a = m, sau khoảng thời gian t = độ chênh lệch áp lực thủy tĩnh (chênh cột nước) hai mặt tường p1 – p2 = atm Tính chống thấm biểu thị thông qua mác chống thấm Mác chống thấm đánh giá áp lực nước lớn mà chưa thấm qua mẫu vật liệu có kích thước quy định khoảng thời gian quy định B¬mn í c mÉu mÉu B¬mn í c Hình 1.6 Xác định tính chống thấm Với mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ, khối: Các mặt bên mẫu bọc vật liệu cách nước, để trống Áp lực nước ban đầu p o, sau t tăng áp lực nước Δp xuất vết thấm Với mẫu thí nghiệm hình tròn có chiều dày mẫu chiều dày làm việc Mức nước ban đầu (chiều cao cột nước) 100 mm giữ phút, sau t phút tăng thêm mực nước Δ h xuất vết thấm - Yếu tố ảnh hưởng ý nghĩa tính thấm chống thấm + Mức độ thấm khả chống thấm vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo thân vật liệu (độ đặc, độ rỗng, tính chất lỗ rỗng), chất ưa nước hay kỵ nước vật liệu + Sự thấm phụ thuộc vào áp lực nước tác dụng lên vật liệu thời gian thấm + Tính thấm đặc biệt quan trọng vật liệu làm việc mơi trường chịu ảnh hưởng mưa gió, thường xun ẩm ướt nước (cơng trình thủy cơng) 1.2.4 Các tính chất liên quan đến nhiệt a) Tính dẫn nhiệt - Khái niệm: Tính dẫn nhiệt vật liệu tính chất nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp (truyền qua từ mặt sang mặt khác) Nhiệt lượng truyền qua vật liệu tính theo cơng thức: F ∆t.τ Q = λ , (kCal) (1.16) δ Trong đó: - λ hệ số truyền nhiệt vật liệu, (kCal/m/oC.h); - F diện tích bề mặt vật liệu, (m2); - Δt chênh lệch nhiệt độ bên khối vật liệu, (oC); - τ thời gian truyền nhiệt, (giờ); - δ chiều dày khối vật liệu, (m) - Các yếu tố ảnh hưởng đến tính truyền nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc loại vật liệu, cấu trúc, độ ẩm nhiệt độ trung bình vật liệu + Vật liệu rỗng, dẫn nhiệt (cách nhiệt tốt) độ dẫn nhiệt khơng khí bé (λkk = 0,02 kCal/m.oC.h) so với độ dẫn nhiệt vật rắn + Vật liệu ẩm dẫn nhiệt tốt độ dẫn nhiệt nước lớn gấp 25 lần khơng khí (λnước = 0,51 kCal/m.oC.h) + Khi nhiệt độ bình quân hai mặt tường tăng độ dẫn nhiệt lớn Trong thực tế, hệ số dẫn nhiệt dùng để lựa chọn vật liệu cho kết cấu bao che, tính tốn kết cấu để bảo vệ thiết bị nhiệt - Giá trị hệ số dẫn nhiệt số loại vật liệu thông thường: + Bê tơng nặng: λ = (1,0 ÷ 1,3) kCal/m.oC.h; + Bê tơng nhẹ: λ = (0,20 ÷ 0,3) kCal/m.oC.h; + Gỗ: λ = (0,15 ÷ 0,2) kCal/m.oC.h; + Gạch đất sét đặc: λ = (0,5 ÷ 0,7) kCal/m.oC.h; + Gạch đất sét rỗng: λ = (0,3 ÷ 0,4) kCal/m.oC.h; + Thép xây dựng: λ = 50 kCal/m.oC.h b) Nhiệt dung nhiệt dung riêng - Khái niệm: Nhiệt dung nhiệt lượng mà vật thu vào đun nóng Nhiệt lượng vật liệu thu vào, ký hiệu Q, đơn vị kCal xác định theo công thức: Q = C.G.(t2 – t1) , (kCal) (1.17) Trong đó: - C nhiệt dung riêng vật liệu, (kCal/kg.oC); - t1, t2 nhiệt độ vật liệu sau trước đun nóng, (oC); Vậy nhiệt dung riêng nhiệt lượng cần để đun nóng 1kg vật liệu tăng thêm 1oC Nhiệt dung riêng ký hiệu C, đơn vị kCal/kg.oC xác định theo công thức: Q C= , (kCal/kg.oC) (1.18) G.(t2 − t1 ) - Yếu tố ảnh hưởng đến tính truyền nhiệt ứng dụng: Nhiệt dung nhiệt dung riêng vật liệu phụ thuộc vào loại vật liệu, thành phần vật liệu độ ẩm + Khi độ ẩm tăng nhiệt dung riêng tăng lên + Khi vật liệu hỗn hợp bao gồm nhiều vật liệu nhiệt dung riêng tính trung bình tùy thuộc tỷ lệ chất có hỗn hợp G C + G2 C2 + + Gn Cn C= 1 (1.19) G1 + G2 + + G n Trong đó: - G1, G2, khối lượng vật liệu thành phần thứ 1, 2, , (kg); - C1, C2, nhiệt dung riêng vật liệu thành phần thứ 1, 2, , (kCal/kg.oC) Các tiêu nhiệt dung nhiệt dung riêng dùng tính tốn lựa chọn phương pháp gia công nhiệt loại vật liệu xây dựng lựa chọn vật liệu sử dụng trạm nhiệt, lò nung c) Tính chống cháy - Khái niệm: Tính chống cháy khả vật liệu chịu tác dụng lửa thời gian định - Phân loại: Dựa vào khả chống cháy chia vật liệu làm nhóm sau: + Vật liệu không cháy; + Vật liệu không cháy biến hình; + Vật liệu khơng cháy bị phân hủy; + Vật liệu khó cháy; + Vật liệu dễ cháy d) Tính chịu lửa - Khái niệm: Tính chịu lửa khả vật liệu chịu đựng tác dùng lâu dài nhiệt độ cao mà khơng chảy biến hình - Phân loại: Dựa vào khả chịu lửa chia vật liệu làm ba nhóm: + Vật liệu chịu lửa: Chịu nhiệt độ ≥ 1580 oC, dùng để lót bên lò nung cơng nghiệp; + Vật liệu khó cháy: Chịu nhiệt độ từ 1350 oC ÷ 1580 oC Đó loại gạch đặc biệt để xây lò xây ống khói; + Vật liệu dễ chảy: Chịu nhiệt thấp 1350 oC 1.3 Tính chất học vật liệu 1.3.1 Tính biến dạng vật liệu a) Khái niệm Tính biến dạng vật liệu tính chất thay đổi hình dáng, kích thước tác dụng tải trọng bên b) Phân loại biến dạng - Căn vào khả phục hồi biến dạng: + Biến dạng đàn hồi: Là biến dạng bị triệt tiêu hoàn toàn bỏ ngoại lực tác dụng Tính chất hồi phục hình dáng kích thước ban đầu vật liệu sau bỏ ngoại lực gọi tính đàn hồi Biến dạng đàn hồi thường xảy tải trọng tác dụng bé chưa vượt lực tương tác chất điểm vật liệu + Biến dạng dẻo (biến dạng dư): Là biến dạng vật liệu xảy chịu tác dụng ngoại lực mà sau bỏ ngoại lực hình dạng cũ khơng phục hồi Nguyên nhân biến dạng dẻo lực tác dụng vượt lực tương tác chất điểm, phá vỡ cấu trúc vật liệu làm chất điểm có chuyển dịch tương đối biến dạng tồn loại bỏ ngoại lực - Căn vào thời điểm xuất biến dạng: + Biến dạng tức thời: Biến dạng xuất sau đặt lực tác dụng + Biến dạng theo thời gian: Biến dạng xuất sau thời gian chịu lực c) Phân loại vật liệu theo biến dạng Căn vào quan hệ ứng suất biến dạng, hay nói cách khác vào tượng biến dạng tới trước bị phá hoại, chia vật liệu thành: - Vật liệu có tính dẻo: Là vật liệu mà từ đặt lực trước bị phá hoại quan sát biến dạng dẻo rõ ràng Ví dụ: thép cacbon, bitum - Vật liệu có tính giòn: Là vật liệu mà từ đặt lực trước bị phá hoại không quan sát thấy biến dạng cách rõ ràng Ví dụ: gang, đá thiên nhiên, bê tơng, gạch - Vật liệu có tính đàn hồi: Là vật liệu mà khả biến dạng đàn hồi lớn khả biến dạng dẻo Tính dẻo hay tính giòn vật liệu thay đổi tùy theo yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gia tải Ví dụ: bitum kéo nhiệt độ cao vật liệu dẻo, kéo nhiệt độ thấp vật liệu giòn Hình 1.7 Sơ đồ biến dạng a Thép b Bêtông c Chất đàn hồi 1.3.2 Cường độ a) Khái niệm Cường độ vật liệu khả vật liệu chống lại phá hoại ứng suất xuất vật liệu ngoại lực tác dụng điều kiện môi trường Cường độ vật liệu ký hiệu R, đơn vị Mpa (hoặc N/mm daN/cm2) biểu thị ứng suất tới hạn trước mẫu vật liệu bị phá hoại Kết cấu xây dựng chịu nhiều loại tải trọng tác dụng khác kéo, nén, uốn, cắt, trượt, thay đổi nhiệt độ, áp suất có nhiều loại cường độ khác - Cường độ tiêu chuẩn: Là cường độ vật liệu mẫu vật liệu có hình dáng kích thước chuẩn, chế tạo, bảo dưỡng điều kiện tiêu chuẩn thí nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn quy định riêng cho vật liệu Ký hiệu Rtc - Mác vật liệu: Đối với vật liệu mà cường độ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng dựa vào cường độ tiêu chuẩn người ta định mác vật liệu xây dựng Mác vật liệu đại lượng có đơn vị tính tiêu chuẩn quy định Tiêu chuẩn Nhà nước (ký hiệu TCVN , TCXD , TCXDVN ) Tiêu chuẩn ngành (ký hiệu TCN ), nói mác vật liệu thường khơng nói đến thứ nguyên Việc xác định mác vật liệu giòn dựa vào cường độ chịu nén, mác vật liệu dẻo dựa vào cường độ chịu kéo Ví dụ: Bê tơng xi măng có mác M10; M12,5; M15; M20; tương ứng cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày đạt giá trị tối thiểu 10; 12,5; 15; 20, (N/mm2) Xi măng pooclăng hỗn hợp có mác PCB30, PCB40, tương ứng cường độ chịu nén đá xi măng 28 ngày tuổi đạt giá trị tối thiểu 30, 40, (N/mm2) - Cường độ tính tốn: Trong tính tốn thiết kế cơng trình để đảm bảo an tồn, loại trừ sai số thực tế vật liệu làm việc điều kiện tiêu chuẩn thí nghiệm, phép sử dụng cường độ tính tốn (R tt) có trị số nhỏ cường độ giới hạn vật liệu theo thí nghiệm (Rgh) Rtt = Rgh K (1.20) Hệ số K > gọi hệ số an tồn, K lớn cơng trình bền vững song chi phí xây dựng tốn Lựa chọn K tùy thuộc vào mức độ xác tính tốn, trình độ nắm tính chất vật liệu, mức độ thành thạo thi công, u cầu tuổi thọ cơng trình - Hệ số phẩm chất: Là đại lượng dùng để đánh giá chất lượng vật liệu dùng cho cơng trình độ lớn, chịu lực lớn, tháo lắp động Hệ số phẩm chất đặc trưng tỷ số cường độ tiêu chuẩn cường độ thể tích tiêu chuẩn K pc = Rtc γ otc (1.21) Vật liệu có hệ số phẩm chất lớn kết cấu xây dựng nhẹ chịu lực càng tốt b) Phương pháp xác định cường độ - Phương pháp phá hoại mẫu thí nghiệm (phương pháp trực tiếp) Cường độ xác định phương pháp phá hoại mẫu Theo phương pháp này, dùng mẫu thí nghiệm gia cơng theo tiêu chuẩn lên máy gia tải tiến hành gia tăng tải trọng mẫu thí nghiệm bị phá hoại Phương pháp phù hợp thí nghiệm phòng thí nghiệm theo mẫu vật liệu lựa chọn theo yêu cầu quy phạm chế tạo theo điều kiện thi công (mẫu bê tông xi măng, bê tông atphan, vữa, ) lấy trực tiếp số vị trí cho phép cơng trình xây dựng - Phương pháp không phá hoại mẫu (phương pháp gián tiếp) Là phương pháp xác định cường độ vật liệu mà không cho phép phá hoại mẫu thử Dựa nguyên tắc xác định, phương pháp không phá hoại chia thành nhóm: + Nhóm theo nguyên tắc học: Tác dụng tải trọng sâu vào bề mặt vật liệu đo trị số biến dạng dẻo, thông số đo độ cứng hay biến dạng cục (búa bi, búa có chuẩn) tác dụng tải trọng va chạm vào bề mặt vật liệu, dựa vào nguyên tắc nẩy bật đàn hồi tính khỏi bề mặt vật liệu, thông số đo trị số bật nẩy phản lực từ mặt vật liệu tạo có tác dụng học (súng bật nẩy) Đem thông số đo đối chiếu với đồ thị chuẩn tương ứng dụng cụ để suy cường độ vật liệu + Nhóm theo nguyên tắc vật lý: Dựa vào quy luật lan truyền xung điện, tia phóng xạ hay sóng siêu âm qua vật liệu để xác định mật độ, tần số dao động riêng hay vận tốc truyền sóng Đem đối chiếu thông số đo với đồ thị chuẩn để xác định cường độ vật liệu Dụng cụ đo: máy siêu âm bê tông, máy siêu âm thép, Hình 1.8 Máy nén xác định cường độ vật liệu Hình 1.10 Xác định định độ cứng bề mặt vật liệu Hình 1.9 Máy uốn xác định cường độ vật liệu Hình 1.11 Xác định cường độ vật liệu máy siêu âm c) Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu Cường độ vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thành phần cấu trúc vật liệu, hình dạng kích thước mẫu thí nghiệm, phương pháp thí nghiệm, điều kiện mơi trường Hình dáng kích thước mẫu cơng thức tính xác định cường độ chịu lực số loại vật liệu mơ tả bảng 1.2 Bảng 1.2 Hình dáng kích thước số mẫu thí nghiệm tiêu chuẩn Hình dáng Công mẫu thức Cường độ chịu nén a Rn = a P a2 d h h 4P Rn = πd2 P a2 Tiêu chuẩn xác định Kích thước mẫu (mm) Bê tông Vữa XD Đá thiên nhiên TCVN 3118:1993 TCVN 3121-11:2003 a = 150 (100, 200) a = 70,7 TCVN 7572-10:2006 a = 40 ÷ 50 Bê tơng TCVN 3118:1993 TCVN 5276:1993 Đá thiên nhiên TCVN 363:1970 Gỗ TCVN 6355-1:1998 d = 150 (100, 200) h = 300 (200, 400) d = 40 ÷ 50 h = 40 ÷ 50 a = 20 h = 30 a Rn = Vật liệu a Gạch TCVN 63551:1998 a = 105 b = 103 h = 130 b h P Rn = a.b a Cường độ chịu uốn P l2 l l2 TCVN 6016:1995 Xi măng 3Pl Ru = 2bh Gạch đặc Ru = Pl bh Bê tơng Hình hộp chữ nhật 40 x 40 x 60 TCVN 6355-2:1998 Hình hộp chữ nhật 220 x 105 x 60 TCVN 3119:1993 Hình hộp chữ nhật 150 x 150 x 600 Hình dáng mẫu P Công thức Vật liệu Tiêu chuẩn xác định Kích thước mẫu (mm) Gỗ TCVN 365:1970 Hình hộp chữ nhật 20 x 20 x 30 Gỗ TCVN 364:1970 Thép TCVN 197:1985 P l3 l3 l3 l Cường độ chịu kéo P P Rk = a P ab a x b = x 20 l = 35 l d d P Rk = 4P πd2 Thanh tròn, đường kính d P 1.3.3 Độ cứng a) Khái niệm Độ cứng vật liệu khả vật liệu chống lại xuyên đâm vật liệu khác cứng Độ cứng vật liệu tính chất quan trọng với vật làm đường, trụ cầu, lát sàn, Độ cứng vật liệu ảnh hưởng đến số tính chất khác vật liệu, vật liệu cứng khả chống cọ mòn tốt khó gia công ngược lại b) Cách xác định - Phương pháp thang Mohs: Để so sánh độ cứng khoáng vật, thường dùng thang độ cứng tương đối Friedrich Mohs đưa vào năm 1812 Khoáng vật chia làm 10 thang độ cứng tương đối tăng dần từ ÷ 10 (bảng 1.3) Trong thang độ cứng, đầu nhọn khống vật đứng sau rạch tất khống vật đứng trước Để nhận biết nhanh vào độ cứng số khống vật thường gặp móng tay có độ cứng 2,5; đồng xu đồng có độ cứng 3,5; mảnh kính 5,5; lưỡi dao thép 5,5 Để xác định độ cứng vật liệu đó, lấy khoáng vật mẫu thang Mohs rạch lên bề mặt vật liệu cần thử Độ cứng vật liệu tương đương với độ cứng khống vật mà khống vật đứng trước khơng rạch vật liệu, khống vật đứng sau lại dễ dàng rạch vật liệu Độ cứng khoáng vật xác định mang ý nghĩa định tính thể chúng độ cứng, khơng có ý nghĩa định lượng xác - Phương pháp bi thép Brinen (Brinell) Độ cứng kim loại, gỗ, bê tơng đánh giá theo phương pháp bi thép Brinen dựa vào lực ép P = K.D (daN) lên viên bi thép có đường kính D = 1; 2,5; 5; 10 mm tạo vết lõm có đường kính d (mm) bề mặt vật liệu Bảng 1.3 Thang độ cứng Friedrich Mohs Độ cứng tương đối (tuyệt đối) (1) (2) (9) Tên công thức khoáng vật mẫu Đặc điểm độ cứng P Mg3(Si4O10)(OH)2 Rạch dễ dàng móng tay Rạch bằngDmóng tay CaSO4.2H2O Rạch dễ dàng dao thép CaCO3 Rạch dao thép ấn CaF2 nhẹ d Rạch dao thép ấn Ca5(PO4)3.F mạnh Tan (phấn) Thạch cao Canxit (21) Fluorit (48) Apatit (72) (100) (200) (400) Octocla Thạch anh Topa Corindon 10 (1500) Kim cương C K(AlSi3O8) SiO2 Al2(SiO4)(F,OH)2 Al2O3 Làm xước kính Rạch kính theo mức độ tăng dần Độ cứng xác định theo công thức: HB = P KD = , (daN/mm2) F π D.( D − D − d ) (1.22) Trong đó: - F diện tích chỏm cầu vết lõm; - D dường kính bi thép (mm); - D đường kính vết lõm (mm); - P = K.D2 lực ép viên bi vào mẫu thí nghiệm (daN), phụ thuộc vào đường kính viên bi loại vật liệu; - K hệ số, tùy thuộc vào loại vật liệu, với kim loại đen K = 30, kim loại màu K = 10, kim loại mềm K = Hình 1.12 Bi thép Brinen - Phương pháp Rockwell Dùng hình nón kim cương dùng bi thép có đường kính D tác dụng sâu vào bề mặt vật liệu với tải trọng ban đầu P o = 10 kg, tăng dần đến tải trọng P1 sau khơi phục lại tải trọng ban đầu P o, đo biến dạng dư e lại mẫu (tính theo đơn vị 2μm) P 120 3 Hình 1.22 Phương pháp xác định độ cứng Rockwell Độ cứng tính sau (bảng 1.4): Bảng 1.4 Xác định độ cứng theo phương pháp Rockwell Dụng cụ P1 (kg) Độ cứng o Hình nón kim cương góc mở 120 , bán 150 HRc = 100 – e kính 0,2 mm Bi có đường kính D = 1,59 mm 60 HRb = 130 – e Bi có đường kính D = 1,59 mm 100 HRf = 130 – e Bi có đường kính D = 3,175 mm 100 HRe = 130 - e 1.3.4 Độ hao mòn Độ hao mòn tổn thất khối lượng hạt cốt liệu bị va đập mài mòn thùng quay đựng mẫu cốt liệu bi thép, tính phần trăm (%) khối lượng Độ hao mòn xác định theo cơng thức: Hm = G − G1 100% , (%) G (1.23) Trong đó: - Hm độ hao mòn vật liệu, (%); - G khối lượng mẫu trước thí nghiệm, (g); - G1 khối lượng mẫu sau thí nghiệm loại bỏ hạt có đường kính nhỏ lọt qua sàng có kích thước 1,7 mm, (g) 1.3.5 Độ mài mòn Độ mài mòn độ hao mòn khối lượng đơn vị diện tích mẫu vật liệu bị mài mòn liên tục máy thí nghiệm Độ mài mòn xác định theo cơng thức: Mm = G − G1 , (g/cm2) F Trong đó: - Mm độ mài mòn vật liệu, (g/cm2); - G khối lượng mẫu thí nghiệm trước đem thí nghiệm, (g); - G1 khối lượng mẫu thí nghiệm sau thí nghiệm, (g); - F diện tích chịu mài mòn, (cm2) (1.24) - Cách xác định: Độ mài mòn xác định cách mài mẫu thí nghiệm hình trụ đường kính d = 2,5 cm, chiều cao h = cm máy mài quay 1000 vòng Trong q trình thí nghiệm mài có rắc thêm 2,5 (l) cát thạch anh cỡ 0,3 ÷ 0,6 mm để tăng ma sát - Độ mài mòn phụ thuộc vào độ cứng, cường độ cấu trúc vật liệu Độ mài mòn có ý nghĩa việc lựa chọn sử dụng vật liệu làm đường, lát sàn, cầu thang 1.3.6 Tính chống va chạm Tính chống va chạm khả vật liệu chống lại phá hủy tác dụng tải trọng va chạm gây biểu thị công cần thiết để đập vỡ đơn vị thể tích mẫu vật liệu Để xác định khả chống va chạm vật liệu phải sử dụng máy búa chuyên dụng Độ bền chống va chạm có ý nghĩa việc lựa chọn sử dụng vật liệu làm đường, lát sàn ... đặc biệt để xây lò xây ống khói; + Vật liệu dễ chảy: Chịu nhiệt thấp 13 50 oC 1. 3 Tính chất học vật liệu 1. 3 .1 Tính biến dạng vật liệu a) Khái niệm Tính biến dạng vật liệu tính chất thay đổi hình... TCVN 311 8 :19 93 TCVN 312 1 -11 :2003 a = 15 0 (10 0, 200) a = 70,7 TCVN 7572 -10 :2006 a = 40 ÷ 50 Bê tơng TCVN 311 8 :19 93 TCVN 5276 :19 93 Đá thiên nhiên TCVN 363 :19 70 Gỗ TCVN 6355 -1: 1998 d = 15 0 (10 0,... 2,7 2,6 ÷ 2,7 2,6 2,6 2,6 2,6 7,85 2 ,1 ÷ 2,2 1, 6 ÷ 1, 9 1, 3 ÷ 1, 45 1, 6 ÷ 2 ,1 1 ,1 ÷ 1, 6 1, 5 ÷ 1, 73 2,6 0,3 ÷ 0,5 2,6 7,85 15 ,4 ÷ 19 ,2 28,3 ÷ 40,7 45,3 ÷ 51, 9 12 ,9 ÷ 40,7 38,5 ÷ 59,3 33,5 ÷ 42,3