Tài liệu tham khảo về Giáo án vật liệu xây dựng.Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng)
Trang 1Chương I: CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Gồm 2 phần:
- Các tính chất vật lý chủ yếu - Các tính chất cơ học chủ yếu
I Các tính chất vật lý chủ yếu: 1/ Khối lượng riêng:
a) Định nghĩa: Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng)
b) Ký hiệu: γac) Công thức:
+ Đơn vị:
- g/cm3 : dùng chủ yếu trong phòng thí nghiệm - Kg/dm3, kg/m3, T/m3 : dùng chuyển đổi Trong đó:
· m: Khối lượng của mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô (g) · Va: Thể tích đặc tuyệt đối của mẫu vật liệu (cm3, dm3, m3)
d) Phương pháp xác định γa : tuỳ từng loại vật liệu mà có các phương pháp xác định khác nhau:
- Đối với vật liệu hoàn toàn đặc và có kích thước hình học rõ ràng: + Đem cân mẫu để xác định m
+ Đo mẫu để xác định Va
- Mẫu hoàn toàn đặc và có hình dạng bất kỳ thì: + Đem cân mẫu để xác định m
+ Tìm V của nước dời chỗ Va= V2-V1
- Đối với những loại vật liệu rời rạc (cát), bột (xi măng…) thì: + Sử dụng bình tỷ trọng :
o Thí nghiệm xi măng dùng dung dịch: CCl4 hay dầu hỏa ⇒ Vax =V2 −V1
- Dùng để tính toán cấp phối bê tông và vữa xây dựng
- Dùng để phân biệt các vật liệu cùng loại Ví dụ: vật liệu kim loại đen (gang, thép):
Trang 2A: Thép B: Gang
- Ciment Portland - Đá Granit(e)
- Cát thạch anh (SiO2) - Gạch đất sét nung - Kính xây dựng (Silicat) - Đá vôi “đặc”
- Gỗ
7800-7900 2900-3100 2700-2800 2600-2700 2500-2800 2500-3000 2400-2600 1500-1600
2/ Khối lượng thể tích:
Định nghĩa: Khối lượng thể tích là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (có thể cả lỗ rỗng)
- Kí hiệu: γ0- Công thức:
• Đo mẫu để xác định V0
+ Đối với mẫu có hình dạng bất kì thì: • Đem cân mẫu để xác định m • Bọc mẫu bằng paraffine
• Tìm V0= cách xác định thể tích V nước dời chỗ Vmẫu= V2-V1-Vb
Trang 3- Tính độ ổn định của kết cấu nền móng công trình
- Tính toán và lực chọn phương tiện vận chuyển và bốc xếp - Tính toán chiều dày (δ) của tấm tường cách nhiệt
+ Vài con số thí dụ về γo của một số loại vật liệu xây dựng: Bảng I-2
- Thép - Đá Granite - Bê tông nặng
- Gạch đất sét nung (đặc) - Cát thạch anh (SiO2) - Nước
1000 500-1800
500-600 300-900 200-400 20-100 Thông thường: γo < γa
Nếu γo = γa :
- vật liệu không hút nước
- vật liệu không thấm nước (thép, bitume, kính xây dựng)
VVr =
Độ rỗng của vật liệu là một tính chất rất quan trọng và nó có liên quan mật thiết đến các tính chất khác của chính các loại vật liệu đó
Trang 4-λ↓ (hệ số dẫn nhiệt)
r↑⇒ - Hp (hút nước theo khối lượng) ∈ theo tính chất lỗ rỗng kín hay hở - cường độ
- Tính bền vững (tuổi thọ) của vật liệu trong công trình
- Thông thường, nhiều loại vật liệu có độ rỗng lớn (r) ↑ ⇒ cường độ (R) ↓
- Hút nước theo thể tích: HvCông thức:
Trong đó: m1: khối lượng của mẫu vật liệu trong trạng thái đã hút nước (g)
m: khối lượng của mẫu vật liệu sau khi đã được sấy khô (g), ở to=105÷110°C đến khối lượng không đổi
Vo: thể tích mẫu thí nghiệm ở trạng thái tự nhiên (cm3) Giữ Hp và Hv có mối liên hệ mật thiết với nhau bằng công thức:
Hv = Hp×γo Vài con số thí dụ về Hp :
+ Bê tông nặng, γo =2,5 T/m3 ⇒ Hp ≈ 3% + Gạch đất sét nung ⇒ Hp ≈ 8-20% + Gạch rỗng, xốp ⇒ Hp ≈ 75-90%
6/ Độ bão hòa nước:
- Định nghĩa: Là độ hút nước tối đa của vật liệu khi p = 20 mm Hg hoặc khi đun vật liệu trong nước sôi
- Ký hiệu: CBH- Công thức:
BH =- Khi Hv↑ => CBH↑
CBHmax = 1
Độ bão hòa nước cũng còn được đặc trưng bằng hệ số bão hòa: KBHCông thức :
VV
Trang 5- Công thức:
m1 : khối lượng mẫu vật liệu trong trạng thái Nm (g) m : khối lượng mẫu vật liệu đã được sấy khô (g) Hp khác W về ý nghĩa vật lý:
- Khi vật liệu Nm ướt hoặc khi khô thì sẽ sinh ra hiện tượng co nở và độ co nở của các loại vật liệu sẽ khác nhau Mặt khác, những loại vật liệu có cấu tạo không đẳng hướng và không đồng nhất thì độ co nở theo các phương và chiều khác nhau
- Ví dụ: vật liệu gỗ:
+ Co nở theo chiều dọc thớ = 0,1 ÷ 0,3 % + Co nở theo chiều ngang thớ = 3 ÷ 6 %
1 Kcal = 4,1876 KJ 1 KJ = 0, 2388 Kcal
• Q: nhiệt lượng dẫn qua mẫu vật liệu (Kcal) • δ: bề dày mẫu vật liệu (m)
• F: diện tích tiết diện của mẫu vật liệu (m2)
• t1 – t2 :độ chênh lệch nhiệt độ ở 2 bề mặt vật liệu, với t1 > t2 (°C) • τ: thời gian dãn nhiệt (h)
Trong Phòng thí nghiệm, xác định λ bằng cách: Chọn: δ = 1m
F = 1 m2
t1 – t2 = 1°C ⇒ λ = Q (Kcal) τ = 1h
Trang 6Vậy hệ số dẫn nhiệt λ bằng nhiệt lượng Q (Kcal) dẫn qua một bức tường dày 1m, có diện tích tiết diện 1m2 trong thời gian 1 giờ khi nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ ở 2 bề mặt tường là 1°C
+ thành phần vật liệu + cấu tạo vật liệu λ ∈ + γo
+ r + w
+ nhiệt độ trung bình tại thời điểm xác định
Mặt khác, hệ số dẫnn nhiệt λ còn thuộc vào phương và chiều dẫn nhiệt (đối với những loại vật liệu có cấu tạo không đẳng hướng)
Ví dụ: Gỗ: λ dọc thớ = 0,3 Kcal/ mh°C λ ngang thớ = 0,15 Kcal/ mh°C
+ Trong trường hợp vật liệu khô trong trạng thái tự nhiên (trong không khí) → w = 1÷7%, có thể sử dụng công thức thực nghiệm gần đúng để tính λ của Giáo sư Nhevrasov:
λ= 0,0196+0,22γ02 −0,14
°.γo : g/cm3, T/m3
Công thức tham khảo:
• tTB : là nhiệt độ trung bình tại thời điểm xác định
10/ Nhiệt dung- Tỉ Nhiệt:
a/ Nhiệt dung: là nhiệt lượng mà vật liệu thu vào khi được đun nóng Q= C G (t2 –t1) Kcal
b/ Tỷ nhiệt:
G tt
Trong đó:
+ G :khối lượng của mẫu vật liệu (Kg)
+ t2 – t1 : hiệu số nhiệt độ sau và trước khi được đun nóng, t2>t1+ C: tỷ nhiệt khô của vật liệu (Kcal/KgoC)
Nếu chọn một mẫu vật liệu có G = 1kg và t2 – t1 = 1oC thì C = Q (Kcal) Vậy tỷ nhiệt C là Q tính bằng Kcal dùng để đun nóng 1kg vật liệu lên 1oC Ứng dụng C:
- Dùng để tính toán lượng nhiệt cần thiết, dùng để gia công nhiệt nhằm thúc đNy quá trình rắn chắc của sản phNm
Trang 7- Dùng để tính toán lựa chọn các loại vật liệu để xây dựng các nhà ở trong điều kiện thiếu điện khí hóa, thiếu hơi, khí hậu lạnh ⇒ chọn vật liệu có C lớn và λ nhỏ
Ví dụ: gỗ có C> , λ >
λ dọc thớ = 0,3 Kcal/mhoC λ ngang thớ = 0,15 Kcal/mho
C · Khi vật liệu bị Nm ướt thì tỷ nhiệt được ký hiệu:
W: độ Nm của vật liệu (%)
Cn: tỷ nhiệt của nước = 1 Kcal/Kg oC
· Vật liệu do nhiều thành phần tạo nên thì tỷ nhiệt được ký hiệu:
C1 C2 Cn : tỷ nhiệt của từng thành phần vật liệu
G1 G2 Gn : khối lượng của các nguyên vật liệu thành phần (Kg) Vài con số thí dụ về C của một số loại vật liệu xây dựng :
- Đối với đá thiên nhiên và đá nhân tạo thì: C = 0,18÷0,22 Kcal/Kg°C - Đối với vật liệu gỗ thì C = 0,57÷ 0,65 Kcal/Kg°C
- Đối với thép C = 0,115 Kcal/Kg°C - Đối với nước C = 1 Kcal/Kg°C
11/ Tính chống cháy- Tính chịu lửa:
Trang 81/ Khái niệm về cường độ:
Cường độ của vật liệu là khả năng của nó chịu tác dụng của các ngoại lực (tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, vận tốc dòng chảy, vận tốc gió bão)
Trong đó, kết cấu công trình, vật liệu có thể làm việc chịu nén, kéo uốn, cắt, va chạm… Nhưng thường hơn cả người ta xác định lực nén, kéo, uốn
2/ Cường độ chịu nén Rn, chịu kéo Rk:
Công thức:
1 N = 0,1019 Kgf 1 Kgf = 9,806 N
+ Pmax: tải trọng tối đa gây tác dụng phá hoại mẫu Kgf, N + F: diện tích tiết diện của mẫu vật liệu (cm2)
Đối với vật liệu giòn: gang, đá, bê tông, gạch, xi măng… : xác định chủ yếu là cường độ chịu nén
quy ra mác vật liệu (Kgf/ cm2) Ví dụ: Rb = 400 = 400 Kgf/ cm2
Rx = 400 = 400 Kgf/ cm2
Đối với vật liệu dẻo: thép ⇒ cường độ chịu kéo RkVật liệu gỗ:
- nén “dọc trục” ⇒ rất tốt - kéo “dọc trục” ⇒ rất tốt - chịu uốn ⇒ rất tốt
Cường độ của vật liệu quyết định chủ yếu bởi thành phần của vật liệu, cấu tạo của vật liệu, hình dạng và đặc trưng bề mặt của vật liệu Ngoài ra, cường độ của vật liệu còn phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và độ Nm khi tiến hành xác định, nó thuộc vào kích thước mẫu thí nghiệm Do vậy,
có thể nói rằng cường độ vật liệu là một chỉ tiêu mang tính chất điều kiện nhất định
Phương pháp thí nghiệm: ngày nay, ngoài phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu, người ta còn ứng dụng phương pháp thí nghiệm không phái hoại và không hư hỏng
Để thực hiện phương pháp này, người ta dùng nguyên liệu lý âm học, là tìm tốc độ truyền siêu âm qua mẫu vật liệu, và vận tốc càng nhanh thì vật liệu càng đặc ⇒ R càng cao
(Phương pháp siêu âm): tiến hành:
• Đúc nhiều nhóm mẫu tính toán chính xác • Dưỡng hộ điều kiện tiêu chuNn
• vận tốc qua các nhóm mẫu (m/s) • Nén ⇒ Rn
⇒ xây dựng đồ thị chuNn
Trang 9Ứng dụng: siêu âm kích thích tại phòng thí nghiệm, xí nghiệp, nhà máy, công trường + Phương pháp cộng hưởng:
• Cấu kiện, vật liệu chịu biến dạng xoắn, cuộn… sau đó truyền siêu âm • Ap dụng phòng thí nghiệm , viện nghiên cứu
3/ Cường độ chịu uốn:
Trong các phòng thí nghiệm để xác định cường độ chịu uốn, người ta chế tạo mẫu dạng thanh (dầm), kích thước 4×4×16 cm
• Dầm (thanh), tiết diện chữ nhật chịu một lực tập trung P ở giữa dầm: Sơ đồ tính:
(Kgf/cm2) + M: moment uốn, Kgf/cm
+ W: moment chống uốn của tiết diện dầm (cm3) Nếu tiết diện chữ nhật:
Hình I.1: Đồ thị chun
Trang 10Tiết diện vuông:
4/ Hệ số phm chất: (Kpc)
• Thép công trình 3: Kpc = 0,51 • Bê tông mác 150#: Kpc = 0,06 • Gạch xây mác 50#: Kpc = 0,29
Xu hướng hiện nay, người ta phải nghiên cứu, phải tìm ra những loại vật liệu có hệ số phNm chất tốt
Kpc↑ ⇒ phNm chất tốt
5/ Độ cứng:
Là khả năng của vật liệu chống lại sự xuyên, hoặc là đâm của các vật thể khác cứng hơn nó Mặt khác, độ cứng của vật liệu cũng còn được đặc trưng bằng khả năng khó gia công của loại vật liệu đó
Trang 11Bảng I-3 Bậc thang
Mohs
Tên khoáng vật và công thức hóa học Đặc trưng độ cứng Mohs 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Talc-3MgO4SiO2H2O hoặc đá phấn- Mg3(Si4O10)(OH)2
Thạch cao - anhydrite ngậm nước - CaSO4.2H2O Calcite - CaCO3 hoặc anhydrite-CaSO4
Cứng → rất cứng, dùng nó rạch thành vệt trên kinh xây dựng
Chú thích: sự sắp xếp về độ cứng giữa hai bậc trong bảng Mohs không hơn nhau đúng số lần
như bậc đã chỉ:
Thí dụ: Thạch anh → bậc 7 Talc → bậc 1
không có nghĩ là thạch anh cứng gấp 7 lần Talc Mà nó chỉ nói lên cứng hơn kém nhau mà thôi
b/ Độ cứng Brinell (HBR)
- Người ta sử dụng bi thép đặc biệt, có đường kính D (mm) - An bi thép vào vật liệu định thử một lực P (Kgf,N) - Do đường kính vết lõm → d (mm)
- Công thức:
, N/mm2+ F: diện tích của vết lõm hình chỏm cầu, mm2
+ P: lực ấn bi thép thuộc D bi: (10 mm; 5 mm; 2,5 mm; 1 mm) và tính chất của vật liệu (K) ⇒ P = KD2 (Kgf)
Thí dụ: tính toán P Kim loại:
P
D d
Trang 12• Lấy mẫu hình trụ có kích thước d = 2.5cm, h = 5cm • Kẹp mẫu lên đĩa, quay tròn với tốc độ 33 vòng/phút
• Quay trong 1000 vòng và có rắc cát thạch anh cỡ hạt (0.3÷0.6) mm (rắc khoảng 2.5 lít cát/1000 vòng)
= (g/cm2 ) Trong đó: - F: tiết diện mẫu (cm2)
- G1,G2: Khối lượng mẫu trước và sau khi mài mòn
(%) Trong đó:
M1: Khối lượng mẫu ban đầu
M: khối lượng mẫu sau sau khi quay 10.000 vòng và rây sót sàng 2mm Dựa vào Hm ⇒ chi đá thí nghiệm làm các loại:
- Chống hao mòn rất tốt Hm < 4% - Chống hao mòn tốt Hm = [4 ÷ 6]%
- Chống hao mòn trung bình Hm = [6 ÷ 10]% - Chống hao mòn yếu Hm = [10 ÷ 15]% - Chống hao mòn rất yếu Hm >15%
cát thạch anh
Thí nghiệm mài mòn
Hình I.2: Máy xác định độ hao mòn