Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

Trọng tâm của kiến thức vật liệu xây dựng là sự hiểu biết chung về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất, đối với vật liệu kết cấu chủ yếu là tính chất cơ học, đối với vật liệu chuy

Chương 1

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Trọng tâm của kiến thức vật liệu xây dựng là sự hiểu biết chung về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất, đối với vật liệu kết cấu chủ yếu là tính chất cơ học, đối với vật liệu chuyên dùng có thể là tính cách nhiệt cách âm, tính chống ăn mòn, tính chống thấm nước, thấm hơi và thấm khí

Vật liệu xây dựng được phân loại theo 2 cách chính: Theo bản chất

- Vật liệu vô cơ: các loại đá thiên nhiên, các loại vật liệu nung, các chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa và các loại vật liệu đá nhân tạo không nung khác

- Vật liệu hữu cơ: gồm các loại vật liệu gỗ, tre, các loại nhựa bitum và guđrông, các loại chất dẻo, sơn, vecni

- Vật liệu kim loại: gang, thép, kim loại màu, hợp kim Theo nguồn gốc

- Vật liệu đá nhân tạo: hình thành bằng sự ximăng hoá các loại các loại cốt liệu nhiều cỡ hạt hoặc các dạng khác thành 1 khối đồng nhất bằng chất thứ 2 (chất kết dính) hoặc bằng liên kết thứ 2 (hoá, điện, kim loại ) trong điều kiện nhà máy hay trực tiếp tại công trường Chúng được gọi là nhân tạo vì trên vỏ trái đất còn có 1 nhóm vật liệu khác gọi là vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu đá thiên nhiên hình thành trong 1 giai đoạn lịch sử lâu dài

- Vật liệu đá nhân tạo không nung: nhóm vật liệu mà sự rắn chắc của chúng xẩy ra ở nhiệt độ không cao lắm và sự hình thành cấu trúc là kết quả của sự biến đổi hoá học và hoá lí của chất kết dính, ở trạng thái dung dịch (phân tử, keo, lỏng và rắn, pha loãng và đậm đặc)

- Vật liệu đá nhân tạo nung: nhóm vật liệu mà sự rắn chắc của nó xẩy ra chủ yếu là quá trình làm nguội của dung dịch nóng chảy Dung dịch đó đóng vai trò làm chất kết dính

(kG/m3, kG/l, T/m3) (1- 1) Để xác định γ0 ta cần xác định khối lượng G và thể tích tự nhiên V0

Xác định G bằng cách cân vật liệu trực tiếp ở trạng thái khô để xác định γ0k hay ở trạng thái ẩm (để xác định γ0w)

Thể tích V0 có thể xác định theo từng trường hợp cụ thể với vật liệu có hình dánh hình học rõ ràng, không có hình dáng hình học hay với vật liệu dạng hạt

1.2.2 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng (γa) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc:

Để xác định γa ta cần xác định khối lượng G và thể tích đặc Va

Khi xác định khối lượng G cần cân vật liệu sau khi đã sấy khô ở nhiệt độ t0 =105 - 1100C Khi xác định Va cần thực hiện theo một trong hai trường hợp sau:

Với vật liệu đặc xác định Va như xác định V0

Với vật liệu rỗng ta nghiền vật nhỏ đến cỡ hạt lọt qua sàng 900 lỗ/cm2 để loại trừ thể tích các lỗ rỗng khi xác định thể tích bằng bình tỷ trọng

1.2.3 Độ đặc và độ rỗngcủa vật liệu

Độ đặc (đ),độ rỗng toàn phần (r) được tính theo công thức:

Hay

(1 ).100%

Để đánh giá chính xác các tính chất của vật liệu cần xác định độ rỗng toàn phần (công thức trên) và độ rỗng hở Độ rỗng hở của vật liệu được xác định bằng cách cho vật liệu bão hoà nước

1.2.4 Độ hút nước và độ hút nước bão hoà

Độhút nước của vật liệu đượcbiểu thị theo phần trăm khối lượng (Hp) hay thể tích (Hv)

(1- 5)

==

Sự liên hệ của hai đại lượng này có thể biểu diễn theo công thức:

Mức độ nước bị hút vào vật liệu được đánh giá bằng hệ số bão hoà nước (Cbh)

Trong đó:

Gk- khối lượng mẫu khi khô

Gư – khối lượng mẫu khi hút no nước Vn – Thể tích của nước mà vật liệu hút vào γan - khối lượng riêng của nước

Khi thí nghiệm xác định độ hút nước ta đem sấy khô mẫu ở nhiệt độ t0=105-1100C rồi ngâm mẫu ngập trong nước khoảng 3x24h

Độ hút nước bão hoà được thực hiện bằng một trong 2 cách sau: Thả vật liệu khô ngập trong nước, đem đun sôi, để nguội rồi vớt ra

Cho vật liệu khô ngập trong nước, hạ áp suất trên mặt thoáng của nước xuống còn 20mmHg, sau khi thoát hết bọt khí khôi phục lại áp suất thường trong 2h

0201 ttF

Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và cấu tạo của vậtliệu thể hiện bởi công thức:

0 tb

1.3.1 Tính biến dạng của vật liệu

Tính biến dạng của vật liệu là tính chất của nó có thể thay đổi hình dạng, kích thước dưới sự tác động của tải trọng bên ngoài Dựa vào đặc tính biến dạng người ta chia ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Biến dạng đàn hồi là biến dạng hoàn toàn mất đi khi loại bỏ nguyên nhân gây ra biến dạng Còn biến dạng dẻo thì không mất đi khi loại bỏ nguyên nhân gây biến dạng

Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng tác dụng bé và ngắn hạn Tính đàn hồi được đặc trưng bằng môđun đàn hồi E

Khi lực tác dụng đủ lớn và lâu dài thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo Nguyên nhân là lực tác dụng đã vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm và phá vỡ cấu trúc của vật liệu làm các chất điểm có chuyển dịch tương đối Do đó biến dạng vẫn còn tồn tại khi loại bỏ ngoại lực Biến dạng dẻo của vật liệu dẻo lý tưởng tuân theo định luật Niutơn:

ησεd = .t

Trong đó:

σ - ứng suất, kG/cm2t – thời gian (s)

Hiện tượng mà biến dạng dẻo tăng theo thời gian khi ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu rắn gọi là hiện tượng từ biến Nếu giữ cho biến hình không đổi, dưới tác dụng của ngoại lực, ứng suất đàn hồi cũng sẽ giảm dần theo thời gian, đó là hiện tượng chùng ứng suất

1.3.2 Cường độ

Cường độ là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hoại của ứng suất gây ra do ngoại lực hoặc các yếu tố khác Cường độ của vật liệu được xác định bằng cường độ giới hạn R ở một dạng biến dạng cho trước đối với vật liệu giòn (đá thiên nhiên, bê tông, vữa xây dựng, gạch, ) đặc trưng chủ yếu của cường độ là cường độ nén giới hạn Vì vật liệu xây dựng không đồng nhất, nên cường độ giới hạn được xác định bằng kết quả trung bình khi thí nghiệm một tổ mẫu (thường không ít hơn 3 mẫu) Dựa vào cường độ giới hạn, người ta định ra mác của vật liệu

Có 2 phương pháp xác định cường độ của vật liệu: phương pháp phá hoại và phương pháp không phá hoại Trong phương pháp phá hoại, cường độ của vật liệu được xác định trên những mẫu tiêu chuẩn Trong phương pháp không phá hoại, phương pháp âm học đựoc sử dụng rộng rãi nhất Cường độ của vật liệu gián tiếp được đánh giá qua tốc độ truyền sóng siêu âm qua nó Đối với vật liệu hỗn hợp (bê tông) người ta thường dùng phương pháp siêu âm xung

Nguyên lí làm việc của máy: Bộ máy xung truyền xung động điện đến độ phát siêu âm, tại đây xung động điện biến thành sóng siêu âm truyền qua vật liệu đến bộ phận biến giao động thành giao động điện qua bộ khuếch đại để đếnmàn hình chỉ báo

Tốc độ truyền sóng siêu âm v (cm/gy) được xác định theo công thức:

ttSv= −

Trong đó

S – quãng đường, cm

t – thời gian truyền sóng siêu âm (s)

t0 – thời gian hiệu chỉnh (s) phụ thuộc vào vị trí của thiết bị

Dựa vào v ta có thể tìm được cường độ của vật liệu dưạ vào cách tra đồ thị

Độ cứng của kim loại, gỗ, bê tông v.v có thể được xác định bằng phương pháp Brinen Độ cứng của vật liệu được xác định dựa vào lực ép P lên viên bi thép có đường kính D và vết lõm có đường kính d do viên bi để lại trên bề mặt vật liệu:

FmmMn 1− 2

mmmQ= −

Dựa vào độ hao mòn của vật liệu được phân ra các loại : chống hao mòn rất khoẻ

(Q < 4%), khoẻ (Q = 4 - 6%); trung bình (Q = 6 -10 %), yếu ( Q = 10 - 15%) và rất yếu

(Q > 15%)

1.3.6 Hệ số phẩm chất

Hệ số phẩm chất hay còn gọi là hệ số chất lượng kết cấu của vật liệu là một đại lượng đặc trưng bằng tỷ số giữa cường độ tiêu chuẩn (kG/cm2) và khối lượng thể tích tiêu chuẩn (không thứ nguyên nhưng giá trị tính bằng T/m3)

Đối với một số loại vật liệu xây dựng có Kpc như sau: Chất dẻo sợi thuỷ tinh:

4500/2=2250; gỗ 100/0,5=200; thép cường độ cao:1000/7,85=127; thép thường:

3900/785=497; bê tông nhẹ: 400/1,8 = 222; bê tông nặng: 400/2,4 = 167; gạch 100/1,8 = 56

1.4 Tuổi thọ

1.4.1 Khái niệm

Tuổi thọ là tính chất của vật liệu giữ được khả năng làm việc trong thời gian nhất định Đây là chỉ tiêu tính chất tổng hợp Thông thường quá trình sử dụng, tiếp xúc trực tiếp với môi trường, thành phần và tính chất của vật liệu bị thay đổi (thường giảm theo

thời gian) Đến một lúc nào đó công trình mất khả năng sử dụng (phai sửa chữa, thay thế hoặc làm lại) Tuổi thọ của vật liệu và của công trình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau Những công trình khó sửa chữa và khó thay thế thì tuổi thọ của vật liệu phải lớn hơn tuổi thọ công trình

Để xác định tuổi thọ của vật liệu người ta dùng phương pháp quan sát thực tế những biến đổi tính chất của nó (phương pháp này đòi hỏi thời gian quan trắc dài, đến hàng chục năm) hoặc dùng phương pháp mô phỏng những yếu tố tác động lên vật liệu trong quá trình sử dụng với một cường độ mạnh lên nhiều lần để rút ngắn thời gian thí nghiệm Dựa vào tuổi thọ, người ta có thể lựa chọn vật liệu sao cho phù hợp với công trình

1.4.2 Phương pháp xác định

Tính chất của vật liệu xây dựng được xác định dựa vào thành phần và cấu trúc rỗng của nó Vì vậy để chế tạo vật liệu với những tính chất định trước cần phải hiểu rõ quá trình hình thành cấu trúc và những biến đổi của các chất trong qúa trình công nghệ Những vấn đề này phải được nghiên cứu ở cấu trúc vi mô cũng như phân tử và ion bằng các phương pháp phân tích lý hoá

Phương pháp thạch học: được dùng để nghiên cứu các loại vật liệu khác nhau; clanke ximăng, đá ximăng, bê tông, thuỷ tinh, vật liệu chịu lửa, xỉ, vật liệu gốm Các thiết bị dùng trong phương pháp này để nghiên cứu các đặc tính quang học của từng khoáng chất, mà các đặc tính đó xác định cấu tạo bên trong của chúng Những tính chất quang học chủ yếu của khoáng là các chỉ tiêu khúc xạ ánh sáng, mốc ánh sáng, màu.v.v Hiện nay trong nghiên cứu thạch học đã xuất hiện nhiều phương pháp hiện đại như phương pháp kính hiển vi phân cực, phương pháp kính hiển vi phản quang, phương pháp kính hiển vi thấu quang

Phương pháp kính hiển vi điện tử: dùng để nghiên cứu màng tinh thể Kính hiển vi điện tử hiện đại có độ phóng đại đến 3600.000 lần, có nghĩa là có thể nhìn thấy những hạt có kích thước từ 0,3.10-9 đến 0,5.10-9m Nhờ những tia điện tử có sóng ngắn hơn sóng ánh sáng nhìn thấy, người ta có thể xâm nhập sâu vào thế giới vimô Kính hiển vi điện tử có thể nghiên cứu được hình dạng và kích thước của các tinh thể cực nhỏ; các quá trình lớn lên và phá huỷ tinh thể; các quá trình khuếch tán; sự biến đổi pha khi gia công nhiệt và làm nguội; cơ học biến dạng và phá huỷ

Phương pháp phân tích biểu đồ rơngen là phương pháp nghiên cứu cấu tạo và thành phần của chất bằng thực nghiệm để thu nhiễu xạ của những tia rơngen trong các chất này Tia rơngen có dao động điện từ ngang với ánh sáng nhìn thấy, nhưng có bước sóng ngắn hơn Chùm tia rơngen được nhìn thấy trong ống rơngen nhờ kết quả của sự đụng chạm của các điện tử catốt (-) với anốt (+) trong sự khác biệt lớn về điện thế Việc sử dụng bức xạ rơngen để nghiên cứu các chất kết tinh có cơ sở là chiều dài các bước sóng của nó Tương ứng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng lưới kết tinh của các chất Mạng này là lưới nhiễu xạ tự nhiên đối với tia rơngen Mỗi chất kết tinh đặc trưng bằng một tập hợp những vạch nhất định trên ảnh chụp rơn gen Nhờ ảnh chụp rơngen người ta có thể xác định được bản chất các pha kết tinh chứa trong vật liệu ảnh chụp rơngen các hạt của mẫu đa khoáng được đối chiếu hoặc là với ảnh chụp các khoáng thành phần hoặc là với số liệu trong bảng có sẵn Phương pháp phân tích thành phần pha bằng tia rơngen dùng để kiểm tra nguyên liệu và sản phẩm, để điều khiển các quá trình công nghệ, cũng như để dò khuyết tật

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) dùng để xác định thành phần khoáng và

ứng nhiệt Trong các quá trình vật lí và hoá học của sự biến đổi chất nhiệt năng có thể được hút vào hoặc nhả ra Sự hút nhiệt sẽ sinh ra quá trình khử nước, phân li, nóng chảy Sự nhả nhiệt trùng với các quá trình ôxy hoá, hình thành những liên kết mới, chuyển hoá trạng thái vô định hình sang kết tinh Trong quá trình phân tích nhiệt nhờ 1 thiết bị để ghi 4 đường: đơn giản, nhiệt vi sai và các đường mất khối lượng tương ứng Nội dung của phương pháp DTA là so sánh phẩm chất của vật liệu thử với 1 chất chuẩn Các quá trình thu nhiệt thể hiện ở phần lõm của ảnh chụp nhiệt vi sai, còn quá trình toả nhiệt ở các đỉnh của ảnh chụp

Phân tích quang phổ là phương pháp vật lí phân tích chất lượng và số lượng của các chất dựa trên cơ sở bức xạ quang phổ của chúng Trong nghiên cứu vật liệu xây dựng chủ yếu người ta sẽ dùng bức xạ quang phổ hồng ngoại Hoạt động của máy dựa trên tác dụng giữa chất nghiên cứu với bức xạ điện từ ở vùng hồng ngoại Quang phổ hồng ngoại có liên quan với năng lượng dao động của các nguyên tử và năng lượng xoay của các phân tử và là một đặc trưng để xác định các nhóm và tổ hợp nguyên tử Máy chụp quang phổ có thể ghi được các quang phổ hồng ngoại