BÀI GIẢNG VẬT LIỆU XÂY DỰNG BÀI MỞ ĐẦU I Tầm quan trọng vật liệu Trong công tác xây dựng vật liệu đóng vai trò chủ yếu Vật liệu yếu tố định chất lượng, giá thành thời gian thi công công trình Thông thường chi phí vật liệu xây dựng chiếm tỷ lệ tương đối lớn tổng giá thành xây dựng: 75 - 80% công trình dân dụng công nghiệp, 70-75% công trình giao thông, 50 - 55% công trình thủy lợi II Sơ lược tình hình phát triển ngành sản xuất vật liệu xây dựng Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung, ngành vật liệu xây dựng phát triển từ thô sơ đến đại, từ giản đơn đến phức tạp, chất lượng vật liệu ngày nâng cao Từ xưa loài người biết dùng loại vật liệu đơn giản có thiên nhiên đất, rơm rạ, đá, gỗ v.v để xây dựng nhà cửa, cung điện, thành quách, cầu cống Ở nơi xa núi đá, người ta biết dùng gạch mộc, dần sau biết dùng gạch ngói đất sét nung Để gắn viên đá, gạch rời rạc lại với nhau, từ xưa người ta biết dùng số chất kết dính rắn không khí vôi, thạch cao Do nhu cầu xây dựng công trình tiếp xúc với nước nằm nước, người ta nghiên cứu tìm chất kết dính mới, có khả rắn nước, chất kết dính hỗn hợp gồm vôi rắn không khí với chất phụ gia hoạt tính, sau phát minh vôi thủy đến đầu kỷ 19 phát minh xi măng pooc lăng Đến thời kỳ người ta sản xuất sử dụng nhiều loại vật liệu kim loại, bê tông cốt thép, bê tông ứng lực trước, gạch silicat, bê tông xỉ lò cao v.v Kỹ thuật sản xuất sử dụng vật liệu giới vào năm cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 đạt đến trình độ cao, nhiều phương pháp công nghệ tiên tiến áp dụng nung vật liệu gốm lò nen, nung xi măng lò quay với nhiên liệu lỏng, sản xuất cấu kiện bê tông dự ứng lực với kích thước lớn, sản xuất vật liệu ốp lát gốm granit phương pháp ép bán khô v.v Ở Việt Nam từ xưa có công trình gỗ, gạch đá xây dựng công phu, ví dụ công trình đá thành nhà Hồ (Thanh Hóa), công trình đất Cổ Loa (Đông Anh - Hà Nội) Nhưng suốt thời kỳ phong kiến thực dân thống trị, kỹ thuật vật liệu xây dựng không đúc kết, đề cao phát triển, sau chiến thắng thực dân Pháp (1954) kể từ ngành xây dựng Việt Nam đời (29.4.1958) đến ngành công nghiệp vật liệu xây dựng phát triển nhanh chóng Trong 45 năm, từ vật liệu xây dựng truyền thống gạch, ngói, đá, cát, xi măng, ngày ngành vật liệu xây dựng Việt Nam bao gồm hàng trăm chủng loại vật liệu khác nhau, từ vật liệu thông dụng đến vật liệu cao cấp với chất lượng tốt, có đủ mẫu mã, kích thước, màu sắc đáp ứng nhu cầu xây dựng nước hướng xuất Nhờ có đường lối phát triển kinh tế đắn Đảng, ngành vật liệu xây dựng trước bước, phát huy tiềm năng, nội lực sử dụng nguồn tài nguyên phong phú, đa dạng với sức lao động dồi dào, hợp tác, liên doanh, liên kết nước, ứng dụng công nghệ tiên tiến, kỹ thuật đại giới vào hoàn cảnh cụ thể nước ta, đầu tư, liên doanh với nước xây dựng nhiều nhà máy khắp ba miền xi măng Bút Sơn (1,4 triệu tấn/năm), xi măng Chinfon - Hải Phòng (1,4 triệu tấn/năm), xi măng Sao Mai (1,76 triệu tấn/năm), xi măng Nghi Sơn (2,27 triệu tấn/năm) Về gốm sứ xây dựng có nhà máy ceramic Hữu Hưng, Thanh Thanh, Thạch Bàn, Việt Trì, Đà Nẵng, Đồng Tâm, Taicera ShiJar v.v Năm 1992 sản xuất 160.000 m2 loại Ceramic tráng men ốp tường 100 x 100 mm, năm 2002 cung cấp cho thị trường 15 triệu m2 loại: 300x300, 400x400, 500x500 mm Một thành tựu quan trọng ngành gốm sứ xây dựng phát triển đột biến sứ vệ sinh Hai nhà máy sứ Thiên Thanh Thanh Trì nghiên cứu sản xuất sứ từ nguyên liệu nước, tự vay vốn đầu tư trang bị dây chuyền công nghệ tiên tiến, thiết bị đại đưa sản lượng hai nhà máy lên 800000 sản phẩm/năm Nếu kể sản lượng liên doanh năm 2002 sản xuất 1405 triệu sản phẩm sứ vệ sinh có chất lượng cao Về kính xây dựng có nhà máy kính Đáp Cầu, với sản phẩm kính phẳng dày -5 mm, kính phản quang, kính màu, kính an toàn, gương soi đạt sản lượng 7,2 triệu m2 năm 2002 Ngoài loại vật liệu trên, sản phẩm vật liệu trang trí hoàn thiện đá ốp lát thiên nhiên sản xuất từ đá cẩm thạch, đá hoa cương, sơn silicat, vật liệu chống thấm, vật liệu làm trần, vật liệu lợp phát triển với tốc độ cao, chất lượng ngày cải thiện Tuy nhiên, bên cạnh nhà máy vật liệu xây dựng đầu tư với công nghệ tiên tiến, thiết bị đại nhiều nhà máy phải trì công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ, chất lượng sản phẩm không ổn định Phương hướng phát triển ngành công nghệ vật liệu thời gian tới phát huy nội lực nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, lực lượng lao động dồi dào, tích cực huy động vốn dân, tăng cường hợp tác nước, nước, đầu tư phát triển nhiều công nghệ tiên tiến, sản xuất mặt hàng thay hàng nhập vật liệu cao cấp, vật liệu cách âm, cách nhiệt, vật liệu trang trí nội thất, hoàn thiện để tạo lập thị trường vật liệu đồng phong phú, thỏa mãn nhu cầu toàn xã hội với tiềm lực thị trường to lớn nước, đủ sức cạnh tranh, hội nhập thị trường khu vực giới Mục tiêu đến năm 2010 sản xuất 40-45 triệu xi măng, 40-50 triệu m2 gạch men lát nền, ốp tường, 4-5 triệu sản phẩm sứ vệ sinh với phụ kiện đồng bộ, 80-90 triệu m2 kính xây dựng loại, 18 -20 tỷ viên gạch, 30-35 triệu m2 lợp, 35- 40 triệu m3 đá xây dựng, triệu m2 đá ốp lát, 50.000 cách âm, cách nhiệt, bông, sợi thủy tinh, vật liệu mới, vật liệu tổng hợp III Phân loại vật liệu xây dựng Vật liệu xây dựng phân theo cách chính: 1.Theo chất Theo chất vật liệu xây dựng phân loại sau đây: (1) Vật liệu vô bao gồm loại vật liệu đá thiên nhiên, loại vật liệu nung, chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa loại vật liệu đá nhân tạo không nung khác (2) Vật liệu hữu cơ: bao gồm loại vật liệu gỗ, tre, loại nhựa bitum guđrông, loại chất dẻo, sơn, vecni v.v (3) Vật liệu kim loại: bao gồm loại vật liệu sản phẩm gang, thép, kim loại màu hợp kim 2.Theo nguồn gốc Theo nguồn gốc vật liệu xây dựng phân nhóm chính: vật liệu đá nhân tạo vật liệu đá thiên nhiên Theo tính toán, vật liệu sử dụng công trình xây dựng có tới 90% vật liệu đá nhân tạo gần 10% vật liệu khác Vật liệu đá nhân tạo nhóm vật liệu phong phú đa dạng, chúng phân thành nhóm phụ: vật liệu đá nhân tạo không nung vật liệu đá nhân tạo nung Vật liệu đá nhân tạo không nung: nhóm vật liệu mà rắn chúng xảy nhiệt độ không cao hình thành cấu trúc kết biến đổi hóa học hóa lý chất kết dính, trạng thái dung dịch (phân tử, keo, lỏng rắn, pha loãng đậm đặc) Vật liệu đá nhân tạo nung: nhóm vật liệu mà rắn xảy chủ yếu trình làm nguội dung dịch nóng chảy Dung dịch đóng vai trò chất kết dính Đối với vật liệu đá nhân tạo thay đổi thành phần hạt cốt liệu, thành phần khoáng hóa chất kết dính, phương pháp công nghệ loại phụ gia đặc biệt làm thay đổi điều chỉnh cấu trúc tính chất vật liệu CHƯƠNG I CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Phân loại tính chất vật liệu xây dựng (VLXD) Quá trình làm việc kết cấu công trình, vật liệu phải chịu tác dụng tải trọng bên môi trường xung quanh Tải trọng gây biến dạng ứng suất vật liệu Do đó, để kết cấu công trình làm việc an toàn trước tiên vật liệu phải có tính chất học theo yêu cầu Ngoài ra, vật liệu phải có đủ độ bền vững chống lại tác dụng vật lý hóa học môi trường Trong số trường hợp vật liệu có số yêu cầu riêng nhiệt, âm, chống phóng xạ v.v Như vậy, yêu cầu tính chất vật liệu đa dạng Song để nghiên cứu sử dụng vật liệu, phân tính chất thành nhóm như: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái cấu trúc, nhóm tính chất vật lý, tính chất học, tính chất hóa học số tính chất mang ý nghĩa tổng hợp khác tính công tác, tính tuổi thọ v.v Các tham số đặc trưng cho trạng thái cấu trúc vật liệu tính chất đặc trưng cho trình công nghệ, thành phần pha, thành phần khoáng hóa, thí dụ khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ rỗng, độ đặc, độ mịn, v.v Những tính chất vật lý xác định mối quan hệ vật liệu với môi trường tính chất có liên quan đến nước, đến nhiệt, điện, âm, tính lưu biến vật liệu nhớt, dẻo Những tính chất học xác định quan hệ vật liệu với biến dạng phá hủy tác dụng tải trọng cường độ, độ cứng, độ dẻo v.v Các tính chất hóa học có liên quan đến biến đổi hóa học độ bền vững vật liệu tác dụng nhân tố hóa học Để tránh ảnh hưởng yếu tố khách quan trình thí nghiệm, tính chất vật liệu phải xác định điều kiện phương pháp chuẩn theo quy định tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam Khi tính chất xác định tính chất tiêu chuẩn Ngoài tiêu chuẩn nhà nước tiêu chuẩn cấp ngành, cấp Các tiêu chuẩn bổ sung chỉnh lí tùy theo trình độ sản xuất yêu cầu sử dụng vật liệu Hiện nước ta, số loại VLXD chưa có tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật quy định dùng tiêu chuẩn nước 1.1.2 Quan hệ cấu trúc tính chất Cấu trúc vật liệu biểu thị mức: cấu trúc vĩ mô (cấu trúc quan sát mắt thường), cấu trúc vi mô (chỉ quan sát kính hiển vi) cấu trúc hay cấu tạo chất (phải dùng thiết bị quan sát nghiên cứu kính hiển vi điện tử, phân tích rơngen) Cấu trúc vĩ mô Bằng mắt thường người ta thể phân biệt dạng cấu trúc như: đá nhân tạo đặc, cấu trúc tổ ong, cấu trúc dạng sợi, dạng lớp, dạng hạt rời Vật liệu đá nhân tạo đặc phổ biến xây dựng bê tông nặng, gạch ốp lát, gạch silicat Những loại vật liệu thường có cường độ, khả chống thấm, chống ăn mòn tốt loại vật liệu rỗng loại, nặng tính cách âm, cách nhiệt Bằng mắt thường nhìn thấy liên kết thô nó, ví dụ: thấy lớp đá xi măng liên kết với hạt cốt liệu, độ dày lớp đá, độ lớn hạt cốt liệu: phát hạt, vết rạn nứt lớn, v.v Vật liệu cấu tạo rỗng vật liệu có lỗ rỗng lớn bê tông khí, bê tông bọt, chất dẻo tổ ong vật liệu có lỗ rỗng bé (vật liệu dùng đủ nước, dùng phụ gia cháy) Loại vật liệu có cường độ, độ chống ăn mòn vật liệu đặc loại, khả cách nhiệt, cách âm tốt Lượng lỗ rỗng, kích thước, hình dạng, đặc tính phân bố lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Vật liệu có cấu tạo dạng sợi, gỗ, sản phẩm có từ khoáng thủy tinh, sợi gỗ ép v.v có cường độ, độ dẫn nhiệt tính chất khác khác theo phương dọc theo phương ngang thớ Vật liệu có cấu trúc dạng lớp, đá phiến ma, diệp thạch sét v.v vật liệu có tính dị hướng (tính chất khác theo phương khác nhau) Vật liệu hạt rời cốt liệu cho bê tông, vật liệu dạng bột (xi măng, bột vôi sống) có tính chất công dụng khác tùy theo thành phần độ lớn trạng thái bề mặt hạt Cấu trúc vi mô vật liệu cấu tạo tinh thể hay vô định hình Cấu tạo tinh thể vô định hình hai trạng thái khác chất Ví dụ oxyt silic tồn dạng tinh thể thạch anh hay dạng vô định hình (opan) Dạng tinh thể có độ bền độ ổn định lớn dạng vô định hình SiO2 tinh thể không tương tác với Ca(OH)2 điều kiện thường, SiO2 vô định hình lại tương tác với Ca(OH)2 nhiệt độ thường Cấu tạo bên chất cấu tạo nguyên tử, phân tử, hình dạng kích thước tinh thể, liên kết nội chúng Cấu tạo bên chất định cường độ, độ cứng, độ bền nhiệt nhiều tính chất quan trọng khác Khi nghiên cứu chất có cấu tạo tinh thể, người ta phải phân biệt chúng dựa vào đặc điểm mối liên kết phần tử để tạo mạng lưới không gian Tùy theo kiểu liên kết, mạng lưới hình thành từ nguyên tử trung hòa (kim cương, SiO2) ion (CaCO3 , kim loại), phân tử (nước đá) Liên kết cộng hóa trị hình thành từ đôi điện tử dùng chung, tinh thể chất đơn giản (kim cương, than chì) hay tinh thể hợp chất gồm hai nguyên tố (thạch anh) Nếu hai nguyên tử giống cặp điện tử dùng chung thuộc hai nguyên tử Nếu hai nguyên tử có tính chất khác cặp điện tử bị lệch phía nguyên tố có tính chất kim mạnh hơn, tạo liên kết cộng hóa trị có cực (H2O) Những vật liệu có liên kết dạng có cường độ, độ cứng cao khó chảy Liên kết ion hình thành tinh thể vật liệu mà nguyên tử tương tác với nhường điện tử cho hình thành ion âm ion dương Các ion trái dấu hút để tạo phân tử Vật liệu xây dựng có liên kết loại (thạch cao, anhiđrit) có cường độ độ cứng thấp, không bền nước, loại VLXD thường gặp canxit, fenspat với tinh thể phức tạp gồm tinh thể gồm liên kết cộng hóa trị liên kết ion Bên 2− ion phức tạp CO liên kết cộng hóa trị Nhưng liên kết với Ca2+ liên kết ion (CaCO3) có cường độ cao Liên kết phân tử hình thành chủ yếu tinh thể chất có liên kết cộng hóa trị Liên kết silicat liên kết phức tạp, tạo thành từ khối mặt SiO4 liên kết với đỉnh chung (những nguyên tử oxi chung) tạo thành mạng lưới không gian ba chiều với tính chất đặc biệt cho VLXD Điều cho phép coi chúng polime vô 1.1.3 Quan hệ thành phần tính chất Vật liệu xây dựng đặc trưng thành phần: Hóa học, khoáng vật thành phần pha Thành phần hóa học biểu thị % hàm lượng oxyt có vật liệu Nó cho phép phán đoán hàng loạt tính chất VLXD: tính chất chịu lửa, bền sinh vật, đặc trưng học đặc tính kỹ thuật khác Riêng kim loại hợp kim thành phần hóa học tính % nguyên tố hóa học Thành phần hóa học xác định cách phân tích hóa học (kết phân tích biểu diễn dạng oxyt) Các oxyt vật liệu vô liên kết với thành muối kép, gọi thành phần khoáng vật Thành phần khoáng vật Thành phần khoáng vật định tính chất vật liệu Khoáng 3CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 xi măng pooc lăng định tính đóng rắn nhanh, chậm xi măng, khoáng 3Al2O3 2SiO2 định tính chất vật liệu gốm Biết thành phần khoáng vật ta ta phán đoán tương đối xác tính chất VLXD Việc xác định thành phần khoáng vật phức tạp, đặc biệt mặt định lượng Vì người ta phải dùng nhiều phương pháp để hỗ trợ cho : phân tích nhiệt vi sai, phân tích phổ rơnghen, laze, kính hiển vi điện tử v.v Thành phần pha Đa số vật liệu làm việc tồn pha rắn Nhưng vật liệu chứa lượng lỗ rỗng, bên pha rắn chứa pha khí (khi khô) pha lỏng (khi ẩm) Tỉ lệ pha vật liệu có ảnh hưởng đến chất lượng nó, đặc biệt tính chất âm, nhiệt, tính chống ăn mòn, cường độ v.v Thành phần pha biến đổi trình công nghệ tác động môi trường Sự thay đổi pha làm cho tính chất vật liệu thay đổi Ví dụ nước chứa nhiều lỗ rỗng vật liệu ảnh hưởng xấu đến tính chất nhiệt, âm cường độ vật liệu, làm cho vật liệu bị nở v.v Ngoài vật liệu rắn, xây dựng loại vật liệu phổ biến trạng thái nhớt dẻo Các chất kết dính nhào trộn với dung môi (thường nước), chưa rắn có cấu trúc phức tạp biến đổi theo thời gian: giai đoạn đầu trạng thái dung dịch, sau trạng thái keo Trạng thái định tính chất chủ yếu hỗn hợp Trong hệ keo, hạt keo gồm có nhân keo, lớp hấp thụ lớp khuyếch tán Chúng liên kết với lực phân tử, lực ma sát, lực mao dẫn, v.v loại chất kết dính nhào trộn với dung môi thích hợp cho hệ keo định 1.2 Tính chất vật lý 1.2.1 Các thông số trạng thái Khối lượng riêng Khối lượng riêng vật liệu khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng) Khối lượng riêng ký hiệu ρ tính theo công thức : m ρ= g/cm ; kg/l; kg/m V Trong : m : Khối lượng vật liệu trạng thái khô, g, kg V : Thể tích hoàn toàn đặc vật liệu, cm3, l, m3 Tuỳ theo loại vật liệu mà có phương pháp xác định khác Đối với vật liệu hoàn toàn đặc kính, thép v.v , ρ xác định cách cân đo mẫu thí nghiệm, đối vật liệu rỗng phải nghiền đến cỡ hạt < 0,2 mm loại vật liệu rời có cỡ hạt bé (cát, xi măng ) ρ xác định phương pháp bình tỉ trọng (hình 1.1) Khối lượng riêng vật liệu phụ thuộc vào thành phần cấu trúc vi mô nó, vật liệu rắn không phụ thuộc vào thành phần pha Khối lượng riêng Hình 1-1: Bình tỉ trọng vật liệu biến đổi phạm vi hẹp, đặc biệt loại vật liệu loại có khối lượng riêng tương tự Người ta dùng khối lượng riêng để phân biệt loại vật liệu khác nhau, phán đoán số tính chất Khối lượng thể tích Khối lượng thể tích vật liệu khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên (kể lỗ rỗng) Nếu khối lượng mẫu vật liệu m thể tích tự nhiên mẫu Vv m (g/cm , kg/m , T/m ) thì: ρ V = VV Bảng 1-1 Hệ số dẫn nhiệt λ, ρ, ρv, Tên VLXD r, (%) 3 (g/cm ) (g/cm ) (kCal/m°Ch) Bê tông 2,4 1,00 2,6 10 -nặng 1,0 0,30 2,6 61,5 -nhẹ 0,5 0,17 2,6 81 -tổ ong Gạch : 1,8 0,69 2,65 3,2 -thường 1,3 0,47 2,65 51 -rỗng ruột 1,4 2,67 2,40 -granit 1,4 0,43 2,7 52 -túp núi lửa Thuỷ tinh: 2,65 0,50 2,65 0,0 -kính cửa sổ 0,30 0,10 2,65 88 -thuỷ tinh bọt Chất dẻo 2,0 0,43 2,0 0,0 -chất dẻo cốt thuỷ tinh 0,015 0,026 1,2 98 -mipo Vật liệu gỗ : 0,15 1,53 67 -gỗ thông 0,5 0,05 1,5 86 -tấm sợi gỗ 0,2 Từ số liệu bảng 1-1, ta thấy: ρv vật liệu xây dựng dao động khoảng rộng Đối với vật liệu loại có cấu tạo khác ρv khác nhau, ρv phụ thuộc vào độ ẩm môi trường Vì vậy, thực tế buộc phải xác định ρv tiêu chuẩn Việc xác định khối lượng mẫu thực cách cân, Vv tùy theo loại vật liệu mà dùng ba cách sau : mẫu vật liệu có kích thước hình học rõ ràng ta dùng cách đo trực tiếp; mẫu vật liệu kích thước hình học rõ ràng dùng phương pháp chiếm chỗ chất lỏng; vật liệu rời (xi măng, cát, sỏi) đổ vật liệu từ chiều cao định xuống dụng cụ tích biết trước Dựa vào khối lượng thể tích vật liệu phán đoán số tính chất nó, cường độ, độ rỗng, lựa chọn phương tiện vận chuyển, tính toán trọng lượng thân kết cấu 1.2.2 Đặc trưng cấu trúc Đặc trưng cấu trúc vật liệu xây dựng độ rỗng độ đặc Độ rỗng r (số thập phân, %) thể tích rỗng chứa đơn vị thể tích tự nhiên vật liệu Vr Nếu thể tích rỗng Vr thể tích tự nhiên vật liệu Vv : r = Vv Trong : Vr = Vv-V Vv − V ρ V = 1− = 1− v Do : r = Vr Vv ρ Lỗ rỗng vật liệu gồm lỗ rỗng kín lỗ rỗng hở Lỗ rỗng hở lỗ rỗng thông với môi trường bên Đối với vật liệu dạng hạt phân lỗ rỗng hạt lỗ rỗng hạt Độ rỗng hở (rh ) tỉ số tổng lỗ rỗng chứa nước bão hòa thể tích tự nhiên vật liệu: m − m1 rh = × Vv ρn Trong đó: m1 m2 khối lượng mẫu trạng thái khô trạng thái bão hòa nước Lỗ rỗng hở thông với với môi trường bên ngoài, nên chúng thường chứa nước điều kiện bão hòa bình thường ngâm vật liệu nước Lỗ rỗng hở làm tăng độ thấm nước độ hút nước, giảm khả chịu lực Tuy nhiên vật liệu sản phẩm hút âm lỗ rỗng hở việc khoan lỗ lại cần thiết để hút lượng âm Độ rỗng kín (rk ): rk = r-rh Vật liệu chứa nhiều lỗ rỗng kín cường độ cao, cách nhiệt tốt Độ rỗng vật liệu dao động phạm vi rộng từ đến 98% Dựa vào độ rỗng phán đoán số tính chất vật liệu: cường độ chịu lực, tính chống thấm, tính chất có liên quan đến nhiệt âm Độ đặc (đ) mức độ chứa đầy thể tích vật liệu chất rắn: đ = ρv ρ Như r + đ = ( hay 100%), có nghĩa vật liệu khô bao gồm khung cứng để chịu lực lỗ rỗng không khí Độ mịn hay độ lớn vật liệu dạng hạt, dạng bột đại lượng đánh giá kích thước hạt Độ mịn định khả tương tác vật liệu với môi trường (hoạt động hóa học, phân tán môi trường), đồng thời ảnh hưởng nhiều đến độ rỗng hạt Vì tuỳ theo loại vật liệu mục đích sử dụng người ta tăng hay giảm độ mịn chúng Đối với vật liệu rời xác định độ mịn thường phải quan tâm đến nhóm hạt, hình dạng tính chất bề mặt hạt, độ nhám, khả hấp thụ liên kết với vật liệu khác Biến dạng ẩm Khi độ ẩm thay đổi thể tích kích thước vật liệu rỗng hữu vô thay đổi: bị co sấy khô trương nở hút nước Trong thực tế điều kiện khô ẩm thay đổi thường xuyên, biến dạng co nở lặp lặp lại làm phát sinh vết nứt dẫn đến phá hoại vật liệu Những loại vật liệu có độ rỗng cao (gỗ, bê tông nhẹ), có độ co lớn : Dạng vật liệu Độ co, mm/m Gỗ (ngang thớ) 30-100 Vữa xây dựng 0,5-1 Gạch đất sét 0,03-0,1 Bê tông nặng 0,3-0,7 Đá granit 0,02-0,06 1.2.4 Các tính chất vật liệu liên quan đến nhiệt Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt vật liệu tính chất nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp Khi chế độ truyền nhiệt ổn định vật liệu có dạng phẳng nhiệt lượng truyền qua vật liệu xác định theo công thức: Q= λ ⋅ F(t1 − t ) τ , Kcal δ Trong : F : Diện tích bề mặt vật liệu, m2 δ : Chiều dày vật liệu, m t1, t2 : Nhiệt độ hai bề mặt vật liệu, 0C τ : Thời gian nhiệt truyền qua, h λ : Hệ số dẫn nhiệt , Kcal/m 0C.h Khi F = 1m2; δ = 1m; t1 - t2 = 1oC; τ = 1h λ = Q Vậy hệ số dẫn nhiệt nhiệt lượng truyền qua vật liệu dày1m có diện tích 1m2 độ chênh lệch nhiệt độ hai mặt đối diện 1oC Hệ số dẫn nhiệt vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố : Loại vật liệu, độ rỗng tính chất lỗ rỗng, độ ẩm, nhiệt độ bình quân hai bề mặt vật liệu Do độ dẫn nhiệt không khí bé (λ = 0,02 Kcal/m.°C.h) so với độ dẫn nhiệt vật rắn độ rỗng cao, lỗ rỗng kín cách hệ số dẫn nhiệt thấp hay khả cách nhiệt vật liệu tốt Khi khối lượng thể tích vật liệu lớn dẫn nhiệt tốt Trong điều kiện độ ẩm vật liệu 5÷7%, dùng công thức V.P.Necraxov để xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu λ = 0,0196 + 0,22ρ 2v − 0,14 Trong đó: ρv khối lượng thể tích vật liệu, T/m3 12 Nếu độ ẩm vật liệu tăng hệ số dẫn nhiệt tăng lên, khả cách nhiệt vật liệu nước có λ = 0,5 Kcal/m.°C.h Khi nhiệt độ bình quân mặt vật liệu tăng độ dẫn nhiệt lớn, thể công thức Vlaxov: λt = λ0 (1+0,002 t) Trong : λ0- hệ số dẫn nhiệt 0°C; λt - hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ bình quân t Nhiệt độ t thích hợp để áp dụng công thức phạm vi 100°C Trong thực tế, hệ số dẫn nhiệt dùng để lựa chọn vật liệu cho kết cấu bao che, tính toán kết cấu để bảo vệ thiết bị nhiệt Giá trị hệ số dẫn nhiệt số loại vật liệu thông thường : Bê tông nặng λ = 1,0 - 1,3 Kcal/m.0C.h Bê tông nhẹ λ = 0,20 - 0,3 Kcal/m.0C.h Gỗ λ = 0,15 - 0,2 Kcal/m.0C.h Gạch đất sét đặc λ = 0,5 - 0,7 Kcal/m.0C.h Gạch đất sét rỗng λ = 0,3 - 0,4 Kcal/m.0C.h Thép xây dựng λ = 50 Kcal/m.0C.h Nhiệt dung nhiệt dung riêng Nhiệt dung nhiệt lượng mà vật liệu thu vào đun nóng Nhiệt lượng vật liệu thu vào xác định theo công thức : Q = C m (t2 - t1) , Kcal Trong đó: m : Khối lượng vật liệu, kg t1 ,t2 : Nhiệt độ vật liệu trước sau đun , 0C C : Hệ số thu nhiệt (còn gọi nhiệt dung riêng hay tỷ nhiệt), Kcal/kg.0C Khi m = 1kg; t2 - t1 = 10C; C = Q Vậy hệ số thu nhiệt nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 1kg vật liệu lên C Khả thu nhiệt vật liệu phụ thuộc vào loại vật liệu, thành phần vật liệu độ ẩm Mỗi loại vật liệu có giá trị hệ số thu nhiệt khác Vật liệu vô thường có hệ số thu nhiệt từ 0,75 đến 0,92 Kcal/kg.0C, vật liệu gỗ 0,7 Kcal/kg 0C Nước có hệ số thu nhiệt lớn nhất: Kcal/kg.0C Do độ ẩm vật liệu tăng hệ số thu nhiệt tăng: C + 0,01W ⋅ C n CW = K + 0,01W Trong : CK , Cw , Cn : Hệ số thu nhiệt vật liệu khô, vật liệu có độ ẩm W nước Khi vật liệu hỗn hợp nhiều vật liệu thành phần có hệ số thu nhiệt C1, C2 Cn khối lượng tương ứng m1, m2 mn hệ số thu nhiệt vật liệu hỗn hợp tính theo công thức : 13 C1 m + C m + ⋅ ⋅ ⋅ + C n m n m1 + m + ⋅ ⋅ ⋅ + m n Hệ số thu nhiệt sử dụng để tính toán nhiệt lượng gia công nhiệt cho vật liệu xây dựng lựa chọn vật liệu trạm nhiệt Tính chống cháy Là khả vật liệu chịu tác dụng lửa thời gian định Dựa vào khả chống cháy, vật liệu chia nhóm: Vật liệu không cháy: Là vật liệu không cháy không biến hình nhiệt độ cao gạch, ngói, bê tông không cháy biến thép, bị phân hủy nhiệt độ cao như: đá vôi, đá đôlômit Vật liệu khó cháy: Là vật liệu mà thân cháy nhờ có lớp bảo vệ nên khó cháy, vỏ bào ép có trát vữa xi măng Vật liệu dễ cháy : Là vật liệu cháy bùng lên tác dụng lửa hay nhiệt độ cao, như: tre, gỗ, vật liệu chất dẻo Tính chịu lửa Là tính chất vật liệu chịu tác dụng lâu dài nhiệt độ cao mà không bị chảy biến hình Dựa vào khả chịu lửa chia vật liệu thành nhóm Vật liệu chịu lửa : Chịu nhiệt độ ≥ 15800C thời gian lâu dài Vật liệu khó chảy : Chịu nhiệt độ từ 1350 - 1580 0C thời gian lâu dài Vật liệu dễ chảy : Chịu nhiệt độ < 13500C thời gian lâu dài C= 1.3 Tính chất học 1.3.1 Tính biến dạng vật liệu Tính biến dạng vật liệu tính chất thay đổi hình dáng, kích thước tác dụng tải trọng bên Dựa vào đặc tính biến dạng, người ta chia biến dạng loại: Biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo Biến dạng đàn hồi Là tính chất vật liệu chịu tác dụng ngoại lực bị biến dạng bỏ ngoại lực hình dạng cũ phục hồi Biến dạng đàn hồi thường xảy tải trọng tác dụng bé thời gian ngắn Biến dạng đàn hồi xảy ngoại lực tác dụng lên vật liệu chưa vượt lực tương tác chất điểm Biến dạng dẻo Là biến dạng vật liệu xảy chịu tác dụng ngoại lực mà sau bỏ ngoại lực hình dạng cũ không 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 14 Dựa vào quan hệ ứng suất biến dạng người ta chia vật liệu loại dẻo, loại giòn loại đàn hồi (hình - 2) Hình - 2: Sơ đồ biến dạng: a) Thép; b) Bêtông; c) Chất đàn hồi Vật liệu dẻo vật liệu trước phá hoại có tượng biến hình dẻo rõ rệt (thép), vật liệu giòn trước phá hoại tượng biến hình dẻo rõ rệt (bê tông) Tính dẻo tính giòn vật liệu biến đổi tuỳ thuộc vào nhiệt độ, lượng ngậm nước, tốc độ tăng lực v.v Ví dụ: bitum tăng lực nén nhanh hay nén nhiệt độ thấp vật liệu có tính giòn, tăng lực từ từ hay nén nhiệt độ cao vật liệu dẻo Đất sét khô vật liệu giòn, ẩm vật liệu dẻo Tính giòn Là tính chất vật liệu chịu tác dụng ngoại lực tới mức bị phá hoại mà trước xảy phá hoại tượng biến dạng dẻo Ví dụ : Khi tác dụng lực lớn vào khoảng viên ngói đặt gối tựa viên ngói bị gãy mà tượng cong trước gãy 1.3.2 Cường độ chịu lực Khái niệm chung Cường độ khả vật liệu chống lại phá hoại ứng suất xuất vật liệu ngoại lực điều kiện môi trường Cường độ vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thành phần cấu trúc, phương pháp thí nghiệm, điều kiện môi trường, hình dáng kích thước mẫu v.v Do để so sánh khả chịu lực vật liệu ta phải tiến hành thí nghiệm điều kiện tiêu chuẩn Khi dựa vào cường độ giới hạn để định mác vật liệu xây dựng Mác vật liệu (theo cường độ) giới hạn khả chịu lực vật liệu thí nghiệm điều kiện tiêu chuẩn như: kích thước mẫu, cách chế tạo mẫu, phương pháp thời gian bảo dưỡng trước thử Phương pháp xác định Có hai phương pháp xác định cường độ vật liệu: Phương pháp phá hoại phương pháp không phá hoại Phương pháp phá hoại: Cường độ vật liệu xác định cách cho ngoại lực tác dụng vào mẫu có kích thước tiêu chuẩn (tùy thuộc vào loại vật liệu) mẫu bị phá hoại tính theo công thức 15 Hình dạng, kích thước mẫu công thức tính xác định cường độ chịu lực số loại vật liệu mô tả bảng 1-2 Bảng 1-2 Kích thước mẫu Hình dạng mẫu Công thức Tiêu chuẩn (mm) Cường độ nén Bê tông a = 100, 150, TCVN 3118 : 1993 200, 300 P Vữa Rn = a = 70,7 TCVN 3121 : 1979 a Đá thiên nhiên a = 40 ÷ 50 TCVN 1772 : 1987 d × h = 71,4 × 143 =100 × 200 Bê tông 4P TCVN 3118 : 1993 = 150 × 300 Rn = = 200 × 400 πd Đá thiên nhiên d × h = (40 ÷ 50) TCVN 1772 : 1987 × (40 ÷ 110) R a2 Gỗ TCVN 363 : 1970 P a×b Gạch TCVN 6355-1 : 1998 Rn = Rn = Cường độ uốn Xi măng 3Pl TCVN 6016 : 1995 Ru = Gạch đặc 2bh TCVN 6355-2 : 1998 Bê tông Pl TCVN 3119 : 1993 Ru = bh Gỗ TCVN 365: 1970 a × h = 20 × 30 40 × 40 × 160 220 × 105 × 60 150 × 150 ×600 20 × 20 × 300 Cường độ kéo RK = p a×b Gỗ TCVN 364 : 1970 RK = 4P πd Thép TCVN 197 : 1985 16 a × b = × 20 l = 35 Vì vật liệu có cấu tạo không đồng nên cường độ xác định cường độ trung bình nhóm mẫu ( thường không mẫu) Hình dạng, kích thước, trạng thái bề mặt mẫu có ảnh hưởng lớn đến kết thí nghiệm, mẫu thí nghiệm phải chế tạo gia công theo tiêu chuẩn qui định Tốc độ tăng tải có ảnh hưởng đến cường độ mẫu, tốc độ tăng tải nhanh tiêu chuẩn kết thí nghiệm tăng lên biến dạng dẻo không tăng kịp với tăng tải trọng Phương pháp không phá hoại : Là phương pháp cho ta xác định cường độ vật liệu mà không cần phải phá hoại mẫu Phương pháp tiện lợi cho việc xác định cường độ cấu kiện cường độ kết cấu công trình Trong phương pháp không phá hoại, phương pháp âm học dùng rộng rãi nhất, cường độ vật liệu đánh giá gián tiếp thông qua tốc độ truyền sóng siêu âm qua 1.3.3 Độ cứng Độ cứng vật liệu khả vật liệu chống lại xuyên đâm vật liệu khác cứng 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 Độ cứng vật liệu thường xác định phương pháp sau đây: Phương pháp Morh Là phương pháp dùng để xác định độ cứng vật liệu dạng khoáng, sở dựa vào bảng thang độ cứng Morh bao gồm 10 khoáng vật mẫu xếp theo mức độ cứng tăng dần (bảng 1-3) Bảng - Chỉ số độ Tên khoáng vật mẫu Đặc điểm độ cứng cứng Tan ( phấn ) - Rạch dễ dàng móng tay Thạch cao - Rạch móng tay Can xit - Rạch dễ dàng dao thép Fluorit - Rạch dao thép ấn nhẹ Apatit - Rạch dao thép ấn mạnh Octocla - Làm xước kính Thạch anh Tô pa - Rạch kính theo mức độ tăng Corin đo dần 10 Kim cương Muốn tìm độ cứng loại vật liệu dạng khoáng ta đem khoáng vật chuẩn rạch lên vật liệu cần thử Độ cứng vật liệu tương ứng với độ cứng khoáng vật mà khoáng vật đứng trước không rạch vật liệu, khoáng vật đứng sau lại dễ dàng rạch vật liệu Độ cứng khoáng vật xếp bảng nêu chúng mà thôi, ý nghĩa định lượng xác 17 Phương pháp Brinen Là phương pháp dùng để xác định độ cứng vật liệu kim loại, gỗ bê tông v.v Người ta dùng bi thép có đường kính D mm đem ấn vào vật liệu định thử với lực P (hình 1- 3) dựa vào độ sâu vết lõm vật liệu xác định độ cứng công thức: 2P P kG / mm2 HB = = F πD(D − D − d ) Trong : P - Lực ép viên bi vào vật liệu thí nghiệm, kG F - Diện tích hình chỏm cầu vết lõm, mm2 D - Đường kính viên bi thép, mm d - Đường kính vết lõm, mm Hình 1-3: Bi Brinen 1.3.4 Độ mài mòn Độ mài mòn (Mn) phụ thuộc vào độ cứng, cường độ cấu tạo nội vật liệu Nếu khối lượng mẫu trước thí nghiệm m1, khối lượng mẫu sau cho máy (hình 1-4) quay 1000 vòng mâm quay có rắc 2,5 lít cát cỡ hạt 0,3-0,6 mm m2 diện tích tiết diện mài mòn F thì: Mn = m1 − m , g/cm F Hình 1-4: Máy mài mòn Phễu cát thạch anh; Bộ phận để kẹp mẫu; Đĩa ngang Tính chất quan trọng vật liệu làm đường, sàn, cầu thang 1.3.5 Độ hao mòn Độ hao mòn Q(%) đặc trưng cho độ hao hụt vật liêu vừa cọ mòn vừa va chạm Độ hao mòn thí nghiệm máy Đêvan (hình 1.5) Nếu khối lượng hỗn hợp vật liệu trước thí nghiệm m1 (5kg) sau thí nghiệm (cho máy quay 10.000 vòng sàng qua sàng 2mm) m2 thì: Q= m1 − m × 100(%) m1 18 Hình 1-5: Thiết bị để xác định độ hao mòn vật liệu: 1.3.6 Hệ số phẩm chất Hệ số phẩm chất KPC (kG/cm2) hay gọi hệ số chất lượng kết cấu vật liệu đại lượng đặc trưng tỷ số cường độ tiêu chuẩn (kG/cm2) khối lượng thể tích tiêu chuẩn (T/m3) KPC tiêu có tính chất tương đối tổng quát, vật liệu bình thường cường độ cao ρv phải lớn, nặng nề, tính chất nhiệt âm KPC nhỏ Còn vật liệu muốn có KPC lớn vừa phải có khả chịu lực tốt vừa phải nhẹ, tính chất âm nhiệt tốt Đối với số loại vật liệu xây dựng có KPC sau: gỗ 100/0,5 = 200kG/cm2; thép cường độ cao 10.000/7,85 = 1.270kG/cm2; thép thường 3900/7,85= 497kG/cm2 Đối với vật liệu đá nhân tạo, giá trị KPC thường là: bê tông nặng 400/2,4 = 167kG/cm2; bê tông nhẹ 100/0,8 = 125kG/cm2; gạch 100/1,8 = 56kG/cm2 19 CHƯƠNG II VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN 2.1 Khái niệm phân loại 2.1.1 Khái niệm Đá thiên nhiên có hầu hết khắp nơi vỏ trái đất, khối khoáng chất chứa hay nhiều khoáng vật khác Còn vật liệu đá thiên nhiên chế tạo từ đá thiên nhiên cách gia công học, tính chất vật liệu đá thiên nhiên giống tính chất đá gốc Vật liệu đá thiên nhiên từ xa xưa sử dụng phổ biến xây dựng, có cường độ chịu nén cao, khả trang trí tốt, bền vững môi trường, vật liệu địa phương, đâu có giá thành tương đối thấp Bên cạnh ưu điểm trên, vật liệu đá thiên nhiên có số nhược điểm như: khối lượng thể tích lớn, việc vận chuyển thi công khó khăn, nguyên khối độ cứng cao nên trình gia công phức tạp 2.1.2 Phân loại Tính chất lý chủ yếu phạm vi ứng dụng vật liệu đá thiên nhiên định điều kiện hình thành thành phần khoáng vật đá thiên nhiên Căn vào điều kiện hình thành tình trạng địa chất chia đá tự nhiên làm ba nhóm: Đá mác ma, đá trầm tích đá biến chất Đá mác ma Đá mác ma khối silicat nóng chảy từ lòng trái đất xâm nhập lên phần vỏ phun mặt đất nguội tạo thành Do vị trí điều kiện nguội khối mác ma khác nên cấu tạo tính chất chúng khác Đá mác ma phân hai loại xâm nhập phún xuất Đá xâm nhập sâu vỏ trái đất, chịu áp lực lớn lớp nguội dần mà thành Do tạo thành điều kiện nên đá mác ma có đặc tính chung là: cấu trúc tinh thể lớn, đặc chắc, cường độ cao, hút nước Đá phún xuất tạo mác ma phun lên mặt đất, nguội nhanh điều kiện nhiệt độ áp suất thấp, khoáng không kịp kết tinh kết tinh phận với kích thước tinh thể bé, chưa hoàn chỉnh, đa số tồn dạng vô định hình Trong trình nguội lạnh chất khí nước không kịp thoát ra, để lại nhiều lỗ rỗng làm cho đá nhẹ Đá trầm tích Đá trầm tích tạo thành điều kiện nhiệt động học vỏ trái đất thay đổi Các loại đất đá khác tác động yếu tố nhiệt độ, nước tác dụng hóa học mà bị phong hóa vỡ vụn Sau chúng gió nước lắng đọng lại thành lớp Dưới áp lực trải qua thời kỳ địa chất chúng gắn kết lại chất keo kết thiên nhiên tạo thành đá trầm tích 24 Do điều kiện tạo thành nên đá trầm tích có đặc tính chung là: Có tính phân lớp rõ rệt, chiều dày, màu sắc, thành phần, độ lớn hạt, độ cứng lớp khác Độ cứng, độ đặc cường độ chịu lực đá trầm tích thấp đá mác ma độ hút nước lại cao Căn vào điều kiện tạo thành, đá trầm tích chia làm loại: Đá trầm tích học: Là sản phẩm phong hóa nhiều loại đá có trước Ví dụ như: cát, sỏi, đất sét v.v Đá trầm tích hóa học: Do khoáng vật hòa tan nước lắng đọng tạo thành Ví dụ: đá thạch cao, đôlômit, magiezit v.v Đá trầm tích hữu cơ: Do số động vật xương chứa nhiều chất khoáng khác nhau, sau chết chúng liên kết với tạo thành đá trầm tích hữu Ví dụ: đá vôi, đá vôi sò, đá điatômit Đá biến chất Đá biến chất hình thành từ biến tính đá mác ma, đá trầm tích tác động nhiệt độ cao hay áp lực lớn Nói chung đá biến chất thường cứng đá trầm tích đá biến chất từ đá mác ma cấu tạo dạng phiến nên tính chất học đá mác ma Đặc điểm bật phần lớn đá biến chất (trừ đá mác ma đá quăczit) nửa khoáng vật có cấu tạo dạng lớp song song nhau, dễ tách thành phiến mỏng 2.2 Thành phần, tính chất công dụng đá 2.2.1 Đá mác ma Thành phần khoáng vật Thành phần khoáng vật đá mác ma phức tạp có số khoáng vật quan trọng nhất, định tính chất đá thạch anh, fenspat mica Thạch anh: Là SiO2 dạng kết tinh suốt màu trắng trắng sữa Độ cứng 7Morh, khối lượng riêng 2,65 g/cm3, cường độ chịu nén cao 10.000 kG/cm2, chống mài mòn tốt, ổn định axit (trừ số axit mạnh) Ở nhiệt độ thường thạch anh không tác dụng với vôi môi trường nước bão hòa nhiệt độ to=175-2000C sinh phản ứng silicat, t0 = 5750C nở thể tích 15%, t0 = 17100C bị chảy Fenspat : Bao gồm : fenspat kali : K2O.Al2O3.6SiO2 ( octocla ) fenspat natri : Na2O.Al2O3.6SiO2 (plagiocla ) fenspat canxi : CaO.Al2O3.2SiO2 Tính chất fenspat: Màu biến đổi từ màu trắng, trắng xám, vàng đến hồng đỏ, khối lượng riêng 2,55-2,76 g/cm3, độ cứng - 6,5 Morh, cường độ 1200-1700 kG/cm2, khả chống phong hóa kém, ổn định nước đặc biệt nước có chứa CO2 Mica: Là alumôsilicát ngậm nước dễ tách thành lớp mỏng Mica có hai loại: mica trắng mica đen Mica trắng suốt thủy tinh, mầu, chống ăn mòn hóa học tốt, cách điện, cách nhiệt tốt 25 Mica đen ổn định hóa học mica trắng Mi ca có độ cứng từ - Morh, khối lượng riêng 2,76 - 2,72 g/cm3 Khi đá chứa nhiều Mica làm cho trình mài nhẵn, đánh bóng sản phẩm vật liệu đá khó Tính chất công dụng số loại đá mác ma thường dùng Đá granit (đá hoa cương): Thường có màu tro nhạt, vàng nhạt màu hồng, màu xen lẫn chấm đen Đây loại đá đặc, khối lượng thể tích 2500 - 2600 kg/m3, khối lượng riêng 2700 kg/m3, cường độ chịu nén cao 1200 - 2500 kG/cm2, độ hút nước thấp (HP < 1%), độ cứng - Morh, khả chống phong hóa cao, khả trang trí tốt khả chịu lửa Đá granit sử dụng rộng rãi xây dựng với loại sản phẩm như: ốp, lát, đá khối xây móng, tường, trụ cho công trình, đá dăm để chế tạo bê tông v.v Đá gabrô : Thường có màu xanh xám xanh đen, khối lượng thể tích 2000 - 3500 kg/m3, loại đá đặc, có khả chịu nén cao 2000 - 2800 kG/cm2 Đá gabrô sử dụng làm đá dăm, đá để lát mặt đường ốp công trình Đá bazan: Là loại đá nặng loại đá mác ma, khối lượng thể tích 2900-3500 kg/m3 cường độ nén 1000 - 5000 kG/cm2, cứng, giòn, khả chống phong hóa cao, khó gia công Trong xây dựng đá bazan sử dụng làm đá dăm, đá lát mặt đường ốp Ngoài loại đá đặc trên, xây dựng sử dụng tro núi lửa, cát núi lửa, đá bọt, túp dung nham, v.v Tro núi lửa thường dùng dạng bột màu xám, hạt lớn gọi cát núi lửa.Thành phần tro cát núi lửa chứa nhiều SiO2 trạng thái vô định hình, chúng có khả hoạt động hoá học cao Tro núi lửa nguyên liệu phụ gia dùng để chế tạo xi măng số chất kết dính vô khác Đá bọt loại đá rỗng tạo thành dung nham nguội lạnh nhanh không khí Các viên đá bọt có kích thước - 30 mm, khối lượng thể tích trung bình 800 kg/m3, loại đá nhẹ, lỗ rỗng lớn kín nên độ hút nước thấp, hệ số dẫn nhiệt nhỏ (0,12 - 0,2 kcal/m.0C.h) Cát núi lửa đá bọt thường dùng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ 2.2.2 Đá trầm tích Thành phần khoáng vật Nhóm oxyt Silic bao gồm: Ôpan (SiO2 2H2O ) không màu màu trắng sữa Chan xedon (SiO2) màu trắng xám, vàng sáng, tro, xanh Nhóm cacbonat bao gồm : canxit (CaCO3) không màu màu trắng, xám vàng, hồng, xanh, khối lượng riêng 2,7 g/cm3, độ cứng 3Morh, cường độ trung bình, dễ tan nước, nước chứa hàm lượng CO2 lớn Đôlômít [CaMg(CO3)2] có màu màu trắng, khối lượng riêng 2,8g/cm3, độ cứng 3-4 Morh, cường độ lớn canxit 26 Magiêzít (MgCO3) khoáng không màu màu trắng xám, vàng nâu, khối lượng riêng 3,0 g/cm3, độ cứng 3,5 - 4,5 Morh, cường độ cao Nhóm khoáng sét bao gồm: Caolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O) khoáng màu trắng màu xám, xanh, khối lượng riêng 2,6 g/cm3, độ cứng Morh Montmorialonit ( 4SiO2.Al2O3.nH2O) khoáng chủ yếu đất sét Nhóm sunfat bao gồm : Thạch cao (CaSO4.2H2O) khoáng màu trắng không màu, lẫn tạp chất có màu xanh, vàng đỏ, độ cứng Morh, khối lượng riêng 2,3 g/cm3 Anhyđrít (CaSO4) khoáng màu trắng màu xanh, độ cứng - 3,5 Morh, khối lượng riêng 3,0 g/cm3 Tính chất công dụng số loại đá trầm tích thường dùng Cát, sỏi: Là loại đá trầm tích học, khai thác thiên nhiên sử dụng để chế tạo vữa, bê tông v.v Đất sét: Là loại đá trầm tích có độ dẻo cao nhào trộn với nước, nguyên liệu để sản xuất gạch, ngói, xi măng Thạch cao: Được sử dụng để sản xuất chất kết dính bột thạch cao xây dựng Đá vôi: Bao gồm hai loại - Đá vôi rỗng đá vôi đặc Đá vôi rỗng gồm có đá vôi vỏ sò, thạch nhũ, loại có khối lượng thể tích 800- 1800 kg/m3 cường độ nén - 150 kG/cm2 Các loại đá vôi rỗng thường dùng để sản xuất vôi làm cốt liệu cho bê tông nhẹ Đá vôi đặc bao gồm đá vôi canxit đá vôi đôlômit Đá vôi can xít có màu trắng xanh, vàng, khối lượng thể tích 2200 2600 kg/m3, cường độ nén 100-1000 KG/cm2 Đá vôi đặc thường dùng để chế tạo đá khối xây tường, xây móng, sản xuất đá dăm nguyên liệu quan trọng để sản xuất vôi, xi măng Đá vôi đôlômit loại đá đặc, màu đẹp, dùng để sản xuất lát, ốp để chế tạo vật liệu chịu lửa, sản xuất đá dăm 2.2.3 Đá biến chất Thành phần khoáng vật Các khoáng vật tạo đá biến chất chủ yếu khoáng vật nằm đá mác ma đá trầm tích Tính chất công dụng số loại đá biến chất thường dùng Đá gơnai (đá phiến ma) : Được tạo thành đá granit tái kết tinh biến chất tác dụng áp lực cao Loại đá có cấu tạo phân lớp nên cường độ theo phương khác nhau, dễ bị phong hóa tách lớp, dùng chủ yếu làm ốp lòng hồ, bờ kênh, lát vỉa hè Đá hoa: Được tạo thành đá vôi đá đôlômít tái kết tinh biến chất tác dụng nhiệt độ cao áp suất lớn Loại đá có nhiều màu sắc trắng, vàng, hồng, đỏ, đen xen kẽ mạch nhỏ vân hoa, cường độ nén 27 1200 - 3000 kG/cm2, dễ gia công học, dùng để sản xuất đá ốp lát sản xuất đá dăm làm cốt liệu cho bê tông, đá xay nhỏ để chế tạo vữa granitô Diệp thạch sét: Được tạo thành đất sét bị biến chất tác dụng áp lực cao Đá màu xanh sẫm, ổn định không khí, không bị nước phá hoại dễ tách thành lớp mỏng Được dùng để sản xuất lợp 2.3 Sử dụng đá 2.3.1 Các hình thức sử dụng đá Trong xây dựng vật liệu đá thiên nhiên sử dụng nhiều hình thức khác nhau, có loại không cần gia công thêm, có loại phải qua trình gia công từ đơn giản đến phức tạp Vật liệu đá dạng khối Đá hộc: Thu phương pháp nổ mìn, không gia công gọt đẽo, dùng để xây móng, tường chắn, móng cầu, trụ cầu, đường ôtô tàu hỏa làm cốt liệu cho bê tông đá hộc Đá gia công thô: Là loại đá hộc gia công thô mặt tương đối phẳng, bề mặt phải có cạnh dài nhỏ 15 cm, mặt không lõm góc nhọn 600, sử dụng để xây móng trụ cầu Đá gia công vừa (đá chẻ) : Loại đá gia công phẳng mặt, có hình dạng đặn vuông vắn, thường có kích thước 10 x 10 x 10cm, 15 x 20 x 25 cm, 20 x 20 x 25cm Đá chẻ dùng để xây móng, xây tường Đá gia công kỹ : Là loại đá hộc gia công kỹ mặt ngoài, chiều dày chiều dài đá nhỏ 15 cm 30 cm, chiều rộng lớp mặt phô phải gấp rưỡi chiều dày không nhỏ 25 cm, mặt đá phải phẳng vuông vắn Đá gia công kỹ dùng để xây tường, vòm Đá “Kiểu: chọn lọc cẩn thận phải loại đá có chất lượng tốt, không nứt nẻ, gân, hà , phong hóa, đạt yêu cầu thẩm mỹ cao Vật liệu đá dạng Vật liệu đá dạng thường có chiều dầy bé nhiều lần so với chiều dài chiều rộng Tấm ốp lát trang trí có bề mặt hình vuông hay hình chữ nhật Các ốp trang trí xẻ từ khối đá đặc có màu sắc đẹp, đánh bóng bề mặt cắt thành theo kích thước quy định Tấm dùng để ốp lát công trình xây dựng Ngoài chức trang trí có tác dụng bảo vệ khối xây hay bảo vệ kết cấu Kích thước đá TCVN 4732 :1989 quy định nhóm (bảng 2.1) Nhóm ốp công dụng đặc biệt: ốp sản xuất từ loại đá đặc có khả chịu axit (như granit, siênit, điôrit, quăczit, bazan, điabaz, sa thạch, silic ) hay có khả chịu kiềm (như đá hoa, đá vôi, đá magiezit ) Việc gia công loại ốp giống gia công đá trang trí song kích thước cạnh không vượt 300mm 28 Bảng 2.1 Nhóm I II III IV V Chiều rộng Lớn 600 đến 800 Lớn 400 đến 600 Lớn 300 đến 400 Lớn 200 đến 300 Từ 100 đến 200 Kích thước (mm) Chiều dài Từ 600 đến 1200 Từ 400 đến 1200 Từ 300 đến 600 Từ 200 đến 400 Từ 100 đến 200 Chiều dày Từ 20 đến 100 Từ 15 đến 100 Từ 10, 15, 20, 25, 30 5, 10, 15, 20 5, 10, 15, 20 Các ốp công dụng đặc biệt sử dụng để lát ốp tường cho nơi thường xuyên có tác dụng axit, hay kiềm Tấm lợp mái gia công từ đá diệp thạch sét cách tách cắt phiến đá theo hình dạng kích thước quy định Thông thường lợp có kích thước hình chữ nhật 250 × 150 mm 600 × 300 mm Chiều dày tuỳ thuộc chiều dày phiến đá có sẵn (4 -100mm) Đây vật liệu bền đẹp Vật liệu dạng hạt rời Cát, sỏi thiên nhiên loại đá trầm tích học dạng hạt rời rạc thường nằm lòng suối, sông hay bãi biển Chúng khai thác thủ công hay giới Cát thiên nhiên: có cỡ hạt từ 0,14 - mm, sau khai thác thiên nhiên dùng để chế tạo vữa, bê tông, gạch silicat, kính v.v… Sỏi: có cỡ hạt từ - 70 mm, sau khai thác thiên nhiên phân loại theo cỡ hạt, dùng để chế tạo bê tông Đá dăm cát nhân tạo: sản xuất cách khai thác, nghiền sàng phân loại thành cỡ hạt, đá dăm có cỡ hạt từ - 70 mm, cát có cỡ hạt 0,14-5 mm, cỡ hạt nhỏ 0,14 mm gọi bột đá Tính chất vật liệu đá dạng phụ thuộc vào tính chất đá gốc Vật liệu đá dạng rời nhân tạo dùng để chế tạo bê tông, vữa, đá granitô Ngoài dùng làm chất độn cho sơn pôlyme 2.3.2 Hiện tượng ăn mòn đá thiên nhiên biện pháp bảo vệ Hiện tượng ăn mòn Đá dùng xây dựng bị phá hoại tải trọng thiết kế mà thường bị phá hoại ăn mòn Sự phá hoại số nguyên nhân sau : Môi trường nước chứa hàm lượng khí cacbonic lớn (hơn 35mg/l) xảy phản ứng hóa học: CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2 hợp chất dễ tan nên đá bị ăn mòn Môi trường nước có chứa loại axit xảy phản ứng hóa học: CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O CaCl2 hợp chất dễ tan nên đá bị ăn mòn Các dạng ăn mòn thường xảy loại đá cacbonat Đá có chứa nhiều thành phần khoáng vật khác đá bị phá hoại nhanh giãn nở nhiệt không 29 Các loại bụi bẩn nguồn gốc vô hữu từ chất thải công nghiệp đời sống tích tụ bề mặt lỗ rỗng đá môi trường vi khuẩn phát triển phá hoại đá axit chúng tiết Biện pháp bảo vệ Để bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên cần phải ngăn cản nước dung dịch thấm sâu vào đá Thông thường florua hóa bề mặt đá vôi, làm tăng tính chống thấm đá chất kết tủa sinh theo phản ứng: 2CaCO3 + MgSiF6 = 2CaF2 + SiO2 + MgF2 ↓ + 2CO2 Các hợp chất CaF2, MgF2 SiO2 không tan nước bịt kín lỗ rỗng khe nhỏ làm tăng độ đặc bề mặt đá Ngoài dùng guđrông hay bi tum quét lên bề mặt đá, gia công thật nhẵn bề mặt vật liệu đá thoát nước tốt cho công trình, biện pháp góp phần giảm bớt ăn mòn cho vật liệu đá thiên nhiên Gần người ta dùng dung dịch nước hay dung môi hữu bay hợp chất silic hữu có tính kị nước như: hydrôxilôxan, mêtinsilicol-natri v.v để làm đặc bề mặt vật liệu đá thiên nhiên 30 [...]... 71, 4 × 14 3 =10 0 × 200 Bê tông 4P TCVN 311 8 : 19 93 = 15 0 × 300 Rn = 2 = 200 × 400 πd Đá thiên nhiên d × h = (40 ÷ 50) TCVN 17 72 : 19 87 × (40 ÷ 11 0) R a2 Gỗ TCVN 363 : 19 70 P a×b Gạch TCVN 6355 -1 : 19 98 Rn = Rn = Cường độ uốn Xi măng 3Pl TCVN 6 016 : 19 95 Ru = 2 Gạch đặc 2bh TCVN 6355-2 : 19 98 Bê tông Pl TCVN 311 9 : 19 93 Ru = 2 bh Gỗ TCVN 365: 19 70 a × h = 20 × 30 40 × 40 × 16 0 220 × 10 5 × 60 15 0 × 15 0... m (t2 - t1) , Kcal Trong đó: m : Khối lượng của vật liệu, kg t1 ,t2 : Nhiệt độ của vật liệu trước và sau khi đun , 0C C : Hệ số thu nhiệt (còn gọi là nhiệt dung riêng hay tỷ nhiệt), Kcal/kg.0C Khi m = 1kg; t2 - t1 = 10 C; thì C = Q Vậy hệ số thu nhiệt là nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 1kg vật liệu lên 0 1 C Khả năng thu nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào loại vật liệu, thành phần của vật liệu và độ... nhiều vật liệu thành phần có hệ số thu nhiệt C1, C2 Cn và khối lượng tương ứng là m1, m2 mn thì hệ số thu nhiệt của vật liệu hỗn hợp này sẽ được tính theo công thức : 13 C1 m 1 + C 2 m 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + C n m n m1 + m 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + m n Hệ số thu nhiệt được sử dụng để tính toán nhiệt lượng khi gia công nhiệt cho vật liệu xây dựng và lựa chọn vật liệu trong các trạm nhiệt Tính chống cháy Là khả năng của vật liệu. .. loại vật liệu có giá trị hệ số thu nhiệt khác nhau Vật liệu vô cơ thường có hệ số thu nhiệt từ 0,75 đến 0,92 Kcal/kg.0C, của vật liệu gỗ là 0,7 Kcal/kg 0C Nước có hệ số thu nhiệt lớn nhất: 1 Kcal/kg.0C Do đó khi độ ẩm của vật liệu tăng thì hệ số thu nhiệt cũng tăng: C + 0,01W ⋅ C n CW = K 1 + 0,01W Trong đó : CK , Cw , Cn : Hệ số thu nhiệt của vật liệu khô, vật liệu có độ ẩm W và của nước Khi vật liệu. .. nhiệt ổn định và vật liệu có dạng tấm phẳng thì nhiệt lượng truyền qua tấm vật liệu được xác định theo công thức: Q= λ ⋅ F(t1 − t 2 ) τ , Kcal δ Trong đó : F : Diện tích bề mặt của tấm vật liệu, m2 δ : Chiều dày của tấm vật liệu, m t1, t2 : Nhiệt độ ở hai bề mặt của tấm vật liệu, 0C τ : Thời gian nhiệt truyền qua, h λ : Hệ số dẫn nhiệt , Kcal/m 0C.h Khi F = 1m2; δ = 1m; t1 - t2 = 1oC; τ = 1h thì λ = Q... loại vật liệu) cho đến khi mẫu bị phá hoại rồi tính theo công thức 15 Hình dạng, kích thước mẫu và công thức tính khi xác định cường độ chịu lực của một số loại vật liệu được mô tả trong bảng 1- 2 Bảng 1- 2 Kích thước mẫu Hình dạng mẫu Công thức Tiêu chuẩn (mm) Cường độ nén Bê tông a = 10 0, 15 0, TCVN 311 8 : 19 93 200, 300 P Vữa Rn = 2 a = 70,7 TCVN 312 1 : 19 79 a Đá thiên nhiên a = 40 ÷ 50 TCVN 17 72 : 19 87... cách nhiệt của vật liệu tốt Khi khối lượng thể tích của vật liệu càng lớn thì dẫn nhiệt càng tốt Trong điều kiện độ ẩm của vật liệu là 5÷7%, có thể dùng công thức của V.P.Necraxov để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu λ = 0, 019 6 + 0,22ρ 2v − 0 ,14 Trong đó: ρv là khối lượng thể tích của vật liệu, T/m3 12 Nếu độ ẩm của vật liệu tăng thì hệ số dẫn nhiệt tăng lên, khả năng cách nhiệt của vật liệu kém đi... lại sẽ làm phát sinh vết nứt và dẫn đến phá hoại vật liệu Những loại vật liệu có độ rỗng cao (gỗ, bê tông nhẹ), sẽ có độ co lớn : Dạng vật liệu Độ co, mm/m Gỗ (ngang thớ) 30 -10 0 Vữa xây dựng 0,5 -1 Gạch đất sét 0,03-0 ,1 Bê tông nặng 0,3-0,7 Đá granit 0,02-0,06 1. 2.4 Các tính chất của vật liệu liên quan đến nhiệt Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua từ phía... kính theo mức độ tăng 9 Corin đo dần 10 Kim cương Muốn tìm độ cứng của một loại vật liệu dạng khoáng nào đó ta đem những khoáng vật chuẩn rạch lên vật liệu cần thử Độ cứng của vật liệu sẽ tương ứng với độ cứng của khoáng vật mà khoáng vật đứng ngay trước nó không rạch được vật liệu, còn khoáng vật đứng ngay sau nó lại dễ dàng rạch được vật liệu Độ cứng của các khoáng vật xếp trong bảng chỉ nêu ra chúng... Còn vật liệu muốn có KPC lớn thì nó vừa phải có khả năng chịu lực tốt vừa phải nhẹ, các tính chất về âm và nhiệt tốt Đối với một số loại vật liệu xây dựng có KPC như sau: gỗ 10 0/0,5 = 200kG/cm2; thép cường độ cao 10 .000/7,85 = 1. 270kG/cm2; thép thường 3900/7,85= 497kG/cm2 Đối với vật liệu đá nhân tạo, giá trị KPC thường là: bê tông nặng 400/2,4 = 16 7kG/cm2; bê tông nhẹ 10 0/0,8 = 12 5kG/cm2; gạch 10 0 /1, 8 ... tông a = 10 0, 15 0, TCVN 311 8 : 19 93 200, 300 P Vữa Rn = a = 70,7 TCVN 312 1 : 19 79 a Đá thiên nhiên a = 40 ÷ 50 TCVN 17 72 : 19 87 d × h = 71, 4 × 14 3 =10 0 × 200 Bê tông 4P TCVN 311 8 : 19 93 = 15 0 ×... gốc vật liệu xây dựng phân nhóm chính: vật liệu đá nhân tạo vật liệu đá thiên nhiên Theo tính toán, vật liệu sử dụng công trình xây dựng có tới 90% vật liệu đá nhân tạo gần 10 % vật liệu khác Vật. .. 1kg; t2 - t1 = 10 C; C = Q Vậy hệ số thu nhiệt nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 1kg vật liệu lên C Khả thu nhiệt vật liệu phụ thuộc vào loại vật liệu, thành phần vật liệu độ ẩm Mỗi loại vật liệu