Đang tải... (xem toàn văn)
Quá trình làm việc trong kết cấu công trình, vật liệu phải chịu sự tác dụngcủa tải trọng bên ngoài và môi trường xung quanh. Tải trọng sẽ gây ra biến dạngvà ứng suất trong vật liệu. Do đó, để kết cấu công trình làm việc an toàn thìtrước tiên vật liệu phải có các tính chất cơ học theo yêu cầu. Ngoài ra, vật liệucòn phải có đủ độ bền vững chống lại các tác dụng vật lý và hóa học của môitrường. Trong một số trường hợp đối với vật liệu còn có một số yêu cầu riêng vềnhiệt, âm, chống phóng xạ v.v...
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 Độ mịn thường đánh giá tỷ diện bề mặt (cm2/g) lượng lọt sàng, lượng sót sàng tiêu chuẩn (%) Dụng cụ sàng tiêu chuẩn có kích thước lỗ phụ thuộc vào loại vật liệu 1.2.3 Những tính chất có liên quan đến môi trường nước Liên kết nước vật liệu Trong vật liệu chứa lượng nước định Tuỳ theo chất vật liệu, thành phần, tính chất bề mặt đặc tính lỗ rỗng mà mức độ liên kết nước với vật liệu có khác Dựa vào mức độ liên kết đó, nước vật liệu chia thành loại: Nước hoá học, nước hoá lý nước học Nước hoá học 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 có liên kết bền với vật liệu, thay đổi tác động điều kiện môi trường nhiệt độ, độ ẩm bay làm cho tính chất vật liệu thay đổi mức độ định Nước học (nước tự do), loại gần liên kết với vật liệu, dễ dàng thay đổi điều kiện thường Khi nước học thay đổi, không làm thay đổi tính chất vật liệu Độ ẩm Độ ẩm W (%) tiêu đánh giá lượng nước có thật mn vật liệu thời điểm thí nghiệm Nếu khối lượng vật liệu lúc ẩm ma khối lượng vật liệu sau sấy khô mk thì: m − mk m W= a × 100(%) hay W = n × 100(%) mk mk Trong không khí vật liệu hút nước môi trường vào lỗ rỗng ngưng tụ thành pha lỏng Đây trình có tính chất thuận nghịch Trong điều kiện môi trường vật liệu rỗng độ ẩm cao Đồng thời độ ẩm phụ thuộc vào chất vật liệu, đặc tính lỗ rỗng vào môi trường Ở môi trường không khí áp lực nước tăng (độ ẩm tương đối không khí tăng) độ ẩm vật liệu tăng Độ ẩm vật liệu tăng làm xấu tính tính chất nhiệt kỹ thuật, giảm cường độ độ bền, làm tăng thể tích số loại vật liệu Vì tính chất vật liệu xây dựng phải xác định điều kiện độ ẩm định Độ hút nước Độ hút nước vật liệu khả hút giữ nước điều kiện thường xác định cách ngâm mẫu vào nước có nhiệt độ 20 ± 0,5oC Trong điều kiện nước chui vào lỗ rỗng hở, mà độ hút nước luôn nhỏ độ rỗng vật liệu Thí dụ độ rỗng bê tông nhẹ 50 ÷ 60%, độ hút nước đến 20 ÷ 30% thể tích Độ hút nước xác định theo khối lượng theo thể tích Độ hút nước theo khối lượng tỷ số khối lượng nước mà vật liệu hút vào với khối lượng vật liệu khô Độ hút nước theo khối lượng ký hiệu HP (%) xác định theo công thức: m − mk m H P = n ×100 (%) = u ×100 (%) mk mk Độ hút nước theo thể tích tỷ số thể tích nước mà vật liệu hút vào với thể tích tự nhiên vật liệu Độ hút nước theo thể tích ký hiệu HV(%) xác định theo công Vn × 100 (%) hay HV = m− − mk × 100(%) thức : H V = Vv Vv × ρn Trong : mn, Vn : Khối lượng thể tích nước mà vật liệu hút ρn : Khối lượng riêng nước ρn = 1g/cm3 mư, mk: Khối lượng vật liệu hút nước (ướt) khô Vv : Thể tích tự nhiên vật liệu H v ρv ρ = hay H v = H p v Mỗi quan hệ HV HP sau : H p ρn ρn (ρv: khối lượng thể tích tiêu chuẩn) Để xác định độ hút nước vật liệu, ta lấy mẫu vật liệu sấy khô đem cân ngâm vào nước Tùy loại vật liệu mà thời gian ngâm nước khác Sau vật liệu hút no nước vớt đem cân xác định độ hút nước theo khối lượng theo thể tích công thức 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 Độ hút nước vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính lỗ rỗng thành phần vật liệu Ví dụ: Độ hút nước theo khối lượng đá granit 0,02 ÷ 0,7% bê tông nặng ÷ 4% gạch đất sét ÷ 20% 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 Độ bão hòa nước Độ bão hòa nước tiêu đánh giá khả hút nước lớn vật liệu điều kiện cưỡng nhiệt độ hay áp suất Độ bão hòa nước xác định theo khối lượng theo thể tích, tương tự độ hút nước điều kiện thường Độ bão hòa nước theo khối lượng: m bh − mk m bh bh bh N × 100 (%) HP = × 100 (%) hay H P = − mk mk Độ bão hòa nước theo thể tích : VNbh m bh − mk bh bh HV = × 100 (%) hay H v = − × 100 (%) VV ρ N VV Trong công thức : bh m bh N , VN : Khối lượng thể tích nước mà vật liệu hút vào bão hòa 10 m k : Khối lượng mẫu vật liệu bão hòa nước khô m bh − , VV : Thể tích tự nhiên vật liệu Để xác định độ bão hòa nước vật liệu thực phương pháp sau: Phương pháp nhiệt độ: Luộc mẫu vật liệu lấy khô nước giờ, để nguội vớt mẫu cân tính toán Phương pháp chân không: Ngâm mẫu vật liệu sấy khô bình kín đựng nước, hạ áp lực bình xuống 20 mmHg không bọt khí thoát trả lại áp lực bình thường giữ thêm vớt mẫu cân tính toán Độ bão hòa nước vật liệu phụ thuộc vào thành phần vật liệu độ rỗng mà phụ thuộc vào tính chất lỗ rỗng, độ bão hòa nước đánh giá hệ số bão hòa Cbh thông qua độ bão hòa nước theo bh thể tích H V độ rỗng r : C bh = H bh V r Cbh thay đổi từ đến Khi hệ số bão hòa lớn tức vật liệu có nhiều lỗ rỗng hở 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 giảm Do mức độ bền nước vật liệu đánh giá hệ số mềm (Km) thông qua cường độ mẫu bão hòa nước Rbh cường độ mẫu khô Rk : Km = R bh Rk Những vật liệu có Km > 0,75 vật liệu chịu nước dùng cho công trình thủy lợi Tính thấm nước Tính thấm nước tính chất nước thấm qua từ phía có áp lực cao sang phía có áp lực thấp Tính thấm nước đặc trưng hệ số thấm Kth (m/h): Vn a K th = S(p − p )t Như vậy, Kth thể tích nước thấm qua Vn (m3) vật liệu có chiều dày a=1m, diện tích S = 1m2, sau thời gian t = giờ, độ chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh hai mặt p1 - p2 = 1m cột nước Tùy thuộc loại vật liệu mà có cách đánh giá tính thấm nước khác Ví dụ: Tính thấm nước ngói lợp đánh giá thời gian xuyên nước qua viên ngói, tính thấm nước bê tông đánh giá áp lực nước lớn ứng với lúc xuất nước qua bề mặt mẫu bê tông hình trụ có đường kính chiều cao 150 mm Mức độ thấm nước vật liệu phụ thuộc vào chất vật liệu, độ rỗng tính chất lỗ rỗng Nếu vật liệu có nhiều lỗ rỗng lớn thông mức độ thấm nước lớn vật liệu có lỗ rỗng nhỏ cách 11 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 ... không khí tăng) độ ẩm vật liệu tăng Độ ẩm vật liệu tăng làm xấu tính tính chất nhiệt kỹ thuật, giảm cường độ độ bền, làm tăng thể tích số loại vật liệu Vì tính chất vật liệu xây dựng phải xác định... 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... 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