Vật liệu xây dựng Ths. Trần Long Giang Trường Đại học Hàng hải

ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
KHOA CÔNG TRÌNH THỦY

BÀI GIẢNG ĐẠI HỌC MÔN

VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Ban hành lần 1

Biên soạn
Giảng Viên

Kiểm tra
Phó trưởng bộ môn

Phê duyệt
Phó chủ nhiệm khoa

Ths. Trần Long Giang

ThS. Bùi Quốc Bình

Ts. Đào Văn Tuấn

HẢI PHÒNG 12/12/2006




Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật, như chế tạo máy, luyện kim, kỹ thuật
điện và điện tử, xây dựng dân dựng và công nghiệp, xây dựng cầu đường…đều liên quan
đến vật liệu. ở lĩnh vực nào cũng cần đến vật liệu với tính năng ngày càng đa dạng và
chất lượng ngày càng cao. Vì vậy phát triển vật liệu đã trở thành một trong những mũi
nhọn của nền kinh tế mỗi nước.
Trong lĩnh vực xây dựng, vật liệu xây dựng chiếm một vị trí đặc biệt, quyết định
chất lượng và tuổi thọ của công trình xây dựng. Do đó kiến thức về vật liệu xây dựng đã
trở thành yêu cầu quan trọng đối với các ngành kỹ thuật xây dựng và các ngành liên quan
khác. Người kỹ sư xây dựng cần nắm bắt được những kiến thức cơ bản về vật liệu xây
dựng nói chung, các tính năng và phạm vi sử dụng của từng nhóm vật liệu nói riêng, từ
đó có thể lựa chọn đúng loại vật liệu cần thiết sử dụng cho mục đích cụ thể, đáp ứng các
yêu cầu kỹ thuật và kinh tế mong muốn.
Trọng tâm kiến thức trong lĩnh vực 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…
Tài liệu này bám sát yêu cầu của hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn nước
ngoài có liên quan. Người biên soạn cố gắng sử dụng những hiểu biết và kinh nghiệm,
đồng thời tham khảo các giáo trình giảng dạy đại học và các tài liệu về vật liệu xây dựng
của một số trường đại học xuất bản trong những năm gần đây. Tuy nhiên do trình độ còn
giới hạn, nên bài giảng còn có những sai sót, rất mong nhận đựơc ý kiến đóng góp từ phía
người đọc.
Người biên soạn xin chân thành cảm ơn!
Người biên soạn

Ths. Trần Long Giang

LNĐ-1

Mục lục

MỤC LỤC
Lời nói đầu ...............................................................................................LNĐ-1
Mục lục .......................................................................................................ML-1
Danh mục ký hiệu................................................................................ DMKH-1
Chương 1 Tính chất và cấu trúc của vật liệu xây dựng ........................... 1-1
1.1 Khái niệm chung............................................................................................1-1
1.2 Tính chất vật lý ..............................................................................................1-1
1.3 Tính chất cơ học ............................................................................................1-4
1.4 Tuổi thọ..........................................................................................................1-6
Chương 2 Khái niệm về vật liệu composit................................................. 2-1
2.1. Khái niệm chung...........................................................................................2-1
2.2. Thành phần và cấu tạo của Composit...........................................................2-1
2.3 Sự làm việc đồng thời của vật liệu nền và cốt...............................................2-3
2.4 Tính toán composit sợi carbon và thuỷ tinh ..................................................2-4
Chương 3: Đá thiên nhiên ........................................................................... 3-1
3.1 Khái niệm chung............................................................................................3-1
3.2 Đá thiên nhiên................................................................................................3-1
3.3 Vật liệu đá thiên nhiên...................................................................................3-3
3.4 Biện pháp bảo vệ ...........................................................................................3-4
Chương 4 Bê tông ........................................................................................ 4-1
4.1 Khái niệm chung............................................................................................4-1
4.2 Vật liệu chế tạo bê tông ximăng ....................................................................4-1
4.4. Tính toán thành phần bê tông .......................................................................4-8
4.5. Các dạng bê tông ........................................................................................4-11
4.6 Các loại phụ gia dùng cho bê tông ..............................................................4-12
Chương 5 Vữa xây dựng ............................................................................. 5-1

5.1. Đặc điểm.......................................................................................................5-1
5.2 Nguyên liệu chế tạo vữa ................................................................................5-1
5.3. Tính chất của hỗn hợp vữa ...........................................................................5-2
5.4. Vữa xây.........................................................................................................5-3
5.5. Vữa trát .........................................................................................................5-4
5.6. Thiết kế hỗn hợp vữa xây .............................................................................5-4
Chương 6: Vật liệu gốm xây dựng ............................................................. 6-1
6.1. Khái niệm và phân loại.................................................................................6-1


ML1


Mục lục

6.2 Nguyên liệu sản xuất và tính chất của nguyên liệu .......................................6-1
6.3 Công nghệ sản xuất và các sản phẩm gốm xây dựng ....................................6-3
6.4 Gạch gốm ốp lát.............................................................................................6-5
6.5 Sản phẩm sành dạng đá .................................................................................6-5
Chương 7 Chất kết dính vô cơ.................................................................... 7-1
7.1 Khái niệm chung............................................................................................7-1
7.2 Vôi rắn trong không khí ................................................................................7-1
7.3 Thạch cao.......................................................................................................7-2
7.4 Thuỷ tinh lỏng ...............................................................................................7-2
7.5 Ximăng pooclăng và ximăng đặc biệt ...........................................................7-4
Chương 8 Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính
hữu cơ ........................................................................................................... 8-1
8.1 Giới thiệu chung ............................................................................................8-1
8.2 Vật liệu để chế tạo bê tông asfalt...................................................................8-1
8.3 Thiết kế thành phần bê tông asfalt.................................................................8-3

8.4 Công nghệ chế tạo bê tông asfalt...................................................................8-4
Danh mục chỉnh sửa ........................................................................... DMCS-1
Tài liệu tham khảo .................................................................................TLTK-1



ML2


Danh mục ký hiệu

DANH MỤC KÝ HIỆU
γ0 - Khối lượng thể tích;
G - khối lượng;
V0 - thể tích tự nhiên;
γa - Khối lượng riêng;
Va - thể tích đặc;
đ - Độ đặc;
r - độ rỗng toàn phần;
Hp - Độ hút nước của vật liệu được biểu thị theo phần trăm khối lượng;
Hv - Độ hút nước của vật liệu được biểu thị theo phần trăm thể tích;
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;
Q – Nhiệt lượng truyền qua vật liệu khi thí nghiệm (kCal);
a – Chiều dày để nhiệt truyền qua (m);
F – Diện tích truyền nhiệt (m2);
t1, t2 - nhiệt độ ở 2 bề mặt mẫu (0C);
t - Thời gian thí nghiệm (h);

λo –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 00C;
λt –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở ttb;

ttb –nhiệt độ trung bình của vật liệu;
σ - ứng suất, kG/cm2;
ε - biến dạng đàn hồi;
∆l - biến dạng tuyệt đối;
σ - ứng suất, kG/cm2;
t – thời gian (s);
η - độ nhớt, kG/cm2.s;
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;
K - hệ số;
D - đường kính của viên bi;
DMKH1




Danh mục ký hiệu

Mn - Độ cọ mòn;
Q (%) - Độ hao mòn;
Ec - môđun đàn hồi của composit;
Vn - thể tích của vật liệu nền;
Vh - thể tích hạt;
Vs và Vn - hàm lượng sợi và hạt;

εc, εs εn - biến dạng tương đối của composit, của sợi và của nền;

ai - lượng sót riêng biệt;
mi - tỉ số % lượng sót trên từng sàng;
m - toàn bộ lượng cát đen thí nghiệm;
Ai (%) - lượng sót tích luỹ trên từng sàng;
M - môđun độ lớn;
S - bề mặt riêng, cm2/g;
Nyc - Lượng nước yêu cầu, %;
Rk1, Rk2, ...Rkn: cường độ chịu nén của từng cấp cốt liệu lớn quy đổi từ độ ép dập
trong xilanh, kG/cm2;
x1, x2, ..xn: hàm lượng mỗi cấp hạt trong hỗn hợp cốt liệu, %;
Dmax - đường kính lớn nhất của cốt liệu;
Dmin - đường kính nhỏ nhất của cốt liệu;
PT- Độ phân tầng;
S1 - độ lưu động của hỗn hợp vữa ống 1, cm;
S3 - độ lưu động của hỗn hợp vữa ống 3, cm;
Gn - Độ giữ nước của hỗn hợp vữa;
S1 - độ lưu động của hỗn hợp vữa ban đầu, cm;
S2 - độ lưu động của hỗn hợp vữa sau khi hút chân không;
K - hệ số phụ thuộc mác vữa;

DMKH2




Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

Chương 1

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

XÂY DỰNG
1.1

Khái niệm chung

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.

1.2

Tính chất vật lý

1.2.1

Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích (γ0) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự
nhiên:
γ0 =

G
V0

(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).

1-1




Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

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:
γa =

G
Va

(g/cm3, kG/l, T/m3)

(1- 2)

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
- 110 C. Khi xác định Va cần thực hiện theo một trong hai trường hợp sau:
0

t0 =105

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 rỗng của vật liệu

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

Va γ 0
=
V0 γ a

d=

γ0
.100%
γa

Hay
r=

(1- 3)

γ
Vr V0 − Va
=
= 1− d = 1− 0
V0
V0
γa

r = (1 −

γ0
).100%
γa

(1- 4)

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

(Hv)

1-2

Độ hút nước của vật liệu được biểu thị theo phần trăm khối lượng (Hp) hay thể tích
Hp =

G - − Vk
.100%
Gk

Hv =

Vn
G − Gk
.100% =
V0
V0 n .γ an

d=

Va γ 0
=
V0 γ a

d=

γ0
.100%
γa

(1- 5)

(1- 6)



Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

Sự liên hệ của hai đại lượng này có thể biểu diễn theo công thức:
Hv = γokHp/γan

(1- 7)

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

(1- 8)

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
1.2.5 Tính truyền nhiệt

Đặc trưng cho tính truyền nhiệt là hệ số truyền nhiệt
λ=

Q.a
F (t − t20 ).τ , kCal/m.0C.h
0
1

(1- 9)

Trong đó:
Q – Nhiệt lượng truyền qua vật liệu khi thí nghiệm (kCal)
a – Chiều dày để nhiệt truyền qua (m)
F – Diện tích truyền nhiệt (m2)
t1, t2 - nhiệt độ ở 2 bề mặt mẫu (0C)
t - Thời gian thí nghiệm (h)
Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và cấu tạo của vật liệu thể hiện bởi công thức:
λ x = 0.0196 + 0.22 ρ v2 − 0,14

, kCal/m.0C.h

(1- 10)

Hoặc
λ = 1,16 0.0196 + 0.22 ρ v2 − 0,14

, W/m.0C

(1- 11)

Công thức này chỉ đúng khi vật liệu để tự nhiên trong không khí (ở độ ẩm vật liệu
W=1-7%, t = 20-250C)
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu thay đổi, phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của mẫu
thí nghiệm, theo công thức Vlaxov:
λt = λ0 (1 + 0.002ttb0 ) , kCa m.0C
l/
.h

1-3



(1- 12)


Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

Trong đó:
λo –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 00C;
λt –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở ttb;

ttb –nhiệt độ trung bình của vật liệu;

1.3

Tính chất cơ học

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
E=

σ
ε th

(1- 13)

Trong đó:
σ - ứng suất, kG/cm2
ε - biến dạng đàn hồi, được xác định bằng biến dạng tương đối – tỷ số giữa biến
dạng tuyệt đối ∆l so với chiều dài ban đầu l của mẫu
Điều kiện của biến dạng đàn hồi: ngoại lực tác dụng lên vật chưa vượt quá lực
tương tác giữa các chất điểm của nó. Do đó công của ngoại lực sẽ sinh ra nội năng và khi
bỏ ngoại lực nội năng lại sinh ra công đưa vật liệu trở về vị trí ban đầu.
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:
εd =

σ .t
η

(1- 14)

Trong đó:
σ - ứng suất, kG/cm2
t – thời gian (s)
η - độ nhớt, kG/cm2.s
Trong vật liệu xây dựng thường có cả tính đàn hồi và tính dẻo. Do đó biến dạng ε là
biến dạng tổng cộng của biến dạng dư εd và biến dạng đàn hồi εđh
Dựa vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng người ta phân ra vật liệu loại dẻo, giòn
và đàn hồi. Vật liệu dẻo là vật liệu trước khi phá hoại có biến hình dẻo rõ rệt (thép), còn
vật liệu giòn thì ngược lại.
1-4




Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

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 đến màn hình chỉ báo.
Tốc độ truyền sóng siêu âm v (cm/gy) được xác định theo công thức:
v=

S
− t0
t

(1- 15)

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.
1.3.3 Độ cứng

Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệukhác
cứng hơn.
Độ cứng của vật liệu khoáng được đánh giá bằng bảng thang Morh, gồm có 10
khoáng vật mẫu được xắp xếp theo độ cứng tăng dần.
Độ cứng của vật liệu sẽ tương ứng với độ cứng của khoáng vật nào đó 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 đứng trước.
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:
1-5




Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

HB =

P
2P
=
F ΠD ( D − D 2 − d 2

(kG/mm2)

(1- 16)

Lực P được xác định theo công thức:
P=KD2

(1- 17)

Trong đó:
K là hệ số, đối với kim loại đen K=30, kim loại màu K=10, kim loại mềm K=3
D là đường kính của viên bi, có thể là 10; 5; 2.5; 1mm
1.3.4 Độ cọ mòn

Độ cọ mòn (Mn) phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo nội bộ của vật liệu.
Nếu khối lượng của mẫu trước khi thí nghiệm là m1, khối lượng của mẫu sau khi cho
máy mài mòn quay 1000 vòng trên mâm quay có rắc 2,5 lít cát cỡ hạt 0,3-0,6mm là m2 và
có diện tích tiết diện mài mòn là F thì:
Mn =

m1 − m2
F

(g/cm2)
(1- 18)
Tính chất này rất quan trọng đối với vật liệu làm đường, lát vỉa hè, lát sàn, bậc tay vịn
cầu thang...
1.3.5 Độ hao mòn

Độ hao mòn Q (%) đặc trưng cho độ hao hụt vật liệu vừa do cọ mòn vừa do va
chạm. Độ cọ mòn được thí nghiệm trên máy Đevan. Nếu khối lượng của hỗn hợp vật liệu
trước khi thí nghiệm là m1 (5kG) và sau khi thí nghiệm (máy quay 10.000 vòng rồi sàng
qua sàng 2mm ) là m2 thì

Q=

m1 − m2
100%
m1

(1- 19)
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
1-6

Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

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
thành phần pha của vật liệu. Cùng với sự biến đổi pha trên bề mặt vật liệu còn xẩy ra hiệu
1-7




Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

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.

1-8




Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit

Chương 2

KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU COMPOSIT
2.1. Khái niệm chung
Vật liệu composit là một hệ thống dị thể (không đồng nhất) được chế tạo từ 2 cấu tử
trở lên nhưng vẫn giữ nguyên được đặc tính của từng cấu tử.
Một trong các cấu tử có đặc tính liên tục trên toàn bộ thể tích vật liệu được gọi là
cấu tử nền, cấu tử khác có tính chất gián đoạn, bị phân cách trong toàn bộ thể tích của hệ
thống được gọi là cấu tử cốt (làm đặc). Cấu tử nền có thể là hợp kim, gốm, polime, vô cơ

và polime hữu cơ. Cấu tử cốt thường là các dạng hạt phân tán mịn, các dạng sợi thiên
nhiên hoặc nhân tạo.
Trong composit, các cấu tử tạo ra hiêu qủa tổng hợp, một chất lượng mới cho vật
liệu khác với các tính chất của cấu tử ban đầu. Trong composit kết cấu, đó là hệ số chất
lượng, kết cấu cao, vượt xa thép đến 15 lần. Dưới tác dụng của tải trọng, do tính dị hướng
của composit mà biến dạng hình thành không trùng với ứng suất phát sinh.
Nhờ việc giảm thể tích 4 lần, năng suất nâng cao 2-3 lần, thời gian sử dụng được
nâng cao 2-3 lần. 1 tấn composit về mặt lý thuyết có thể thay được 15-25 tấn thép. Do có
những ưu điểm như vậy việc sản xuất composit trên thế giới ngày 1 tăng. Những loại vật
liệu xây dựng thuộc composit có thể kể đến là bê tông, bê tông cốt thép, bê tông cốt sợi,
ximăng amiăng, tấm sợi gỗ ép, chất dẻo thuỷ tinh...
Việc xuất hiện tên “composit” có liên quan đến 1 hướng kỹ thuật hoàn toàn mới. Đó
là việc hình thành 1 loại công nghệ chế tạo ra những vật liệu cường độ cao, chủ yếu dùng
cho các ngành chế tạo máy, máy bay, vệ tinh. Trong tương lai việc tạo ra 1 loại vật liệu
mới cho xây dựng phải gắn liền với lý thuyết và công nghệ của loại vật liệu composit.
2.2. Thành phần và cấu tạo của Composit
Tính chất cơ học và các tính chất khác của composit được xác định bằng 3 thông số
cơ bản: cường độ của cốt, cường độ của vật liệu nền và cường độ liên kết trên bề mặt
phân chia nền và cốt
Vật liệu composit có nhiều loại. Việc phân loại chúng dựa vào bản chất của các cấu
tử, của vật liệu nền, dựa vào dạng cốt liệu và sự xắp xếp của nó trong vật liệu nền
Theo dạng cốt, composit đươc chia thành 2 nhóm: dạng hạt phân tán tăng độ bền và
dạng sợi. Chúng khác nhau về cấu tạo và cơ chế tạo cường độ cao. Composit hạt phân tán
tăng độ bền là loại vật liệu mà những hạt mịn phân tán một cách đều đặn trong nền với
hàm lượng thích hợp 2-4%. Hiệu quả tăng độ bền là tuỳ thuộc vào kích thước và hàm
lượng của các hạt. Khi kích của hạt mịn là 0.001 đến 0.1 micromet thì thể tích hạt có thể
đến 25% hoặc lớn hơn. Trong loại composit này, tuy có cường độ, độ cứng, độ ổn định
nhiệt cao nhưng độ dẻo vẫn đuợc giữ nguyên (thí dụ như các hạt phấn, mica, carbon, cát,
đá vôi trong nền bitum, cao su, polime nhân tạo)
Trong composit dạng sợi các sợi cường độ cao tiếp nhận ứng suất chủ yếu khi chịu

tác dụng của ngoại lực và đảm bảo độ cứng cho composit. Nét đặc biệt về cấu tạo của
loại này là sự phân bố sợi một cách đều đặn trong toàn khối nền dẻo. Phần thể tích sợi có
thể đạt đến 75% hoặc lớn hơn.

2-1




Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit

Việc phân loại composit còn dựa theo phương pháp tạo cốt: composit có lớp cốt sợi
song song liên tục; composit có các lớp cốt vải hoặc sợi phân bố trong hệ không gian hỗn
độn.
Theo bản chất của vật liệu nền composit còn phân ra: composit nền polime;
composit nền kim loại; composit nền gốm; composit nền ximăng.
Tuỳ theo bản chất của cốt sợi, composit trên 1 loại nền còn được phân ra các loại
khác nhau. Thí dụ, composit trên cơ sở nền polime được phân ra: chất dẻo sợi thuỷ tinh,
chất dẻo sợi kim loại, chất dẻo sợi carbon, chất dẻo sợi hữu cơ v.v...với các loại nền khác
ta cũng có thể đưa ra được các thí dụ tương tự.
Cốt sợi cần phải đảm bảo được toàn bộ các yêu cầu sử dụng và các yêu cầu công
nghệ của composit. Đối với yêu cầu sử dụng thì composit phải thoả mãn về cường độ, độ
cứng, độ đặc, tính ổn định trong khoảng nhiệt độ nhất định, độ ổn định hoá học.
Cường độ composit tăng với sự tăng của mođun đàn hồi, năng lượng bề mặt các
chất và giảm với sự tăng khoảng cách bề mặt của các phân tử cạnh nhau. Như vậy, những
vật liệu rắn cường độ cao cần phải có môđun đàn hồi cao, năng lượng bề mặt lớn và số
các phần tử trong một đơn vị thể tích lớn. Những nguyên tử beri, bo, carbon, nitơ, hidrô,
nhôm, silic đều thoả mãn những yêu cầu đó. Vật liệu bền nhất thường chứa một trong các
nguyên tố này.
Để làm cốt thường người ta hay sử dụng các loại sợi: thuỷ tinh, carbon, bo, hữu cơ

cường độ cao, kim loại, cũng như các loại sợi và những tinh thể dạng sợi của cacbit, oxit
nitrit và các chất khác. Các cấu tử cốt thường ở dạng sợi đơn, chỉ, sợi dây, dây bện, lưới ,
vải, băng, xơ.
Đối với các yêu cầu công nghệ cốt sợi phải tạo ra khả năng cho quá trình chế tạo
sản phẩm có năng suất cao.
Một yêu cầu không kém phần quan trọng đối với sợi là sự đồng thời giữa sợi và
nền, có nghĩa là khả năng đạt được mối liên kết bền giữa sợi và nền mà vẫn giữ được tính
chất cơ học ban đầu của các cấu tử.
Vật liệu nền đảm bảo sự toàn khối cho composit, cố định hình dạng của sản phẩm,
và sự xắp xếp tương hỗ của sợi, đồng thời phân bố đều tải trọng tác dụng trên toàn bộ thể
tích vật liệu, ngay cả khi vật liệu đạt đến trạng thái giới hạn. Vật liệu nền quyết định
phương pháp chế tạo sản phẩm, các thông số của quá trình công nghệ, cũng như khả năng
gia công các kết cấu nhà và công trình.
Những yêu cầu đối với vật liệu nền cũng được phân ra làm 2 loại: yêu cầu về sử
dụng và yêu cầu về công nghệ.
Yêu cầu sử dụng có liên quan đến các tính chất cơ học, các tính chất lí hoá đảm bảo
cho khả năng làm việc của composit dưới sự tác dụng của các yếu tố sử dụng khác nhau.
Những yêu cầu công nghệ được xác định bằng quá trình chế tạo composit, có nghĩa là
quá trình nhào trộn cốt với nền và tạo hình sản phẩm cuối cùng. Mục đích của quá trình
công nghệ là đảm bảo sự phân bố sợi một cách đều đặn trong nền (không bị dính vào
nhau) và giữ được tính chất ban đầu của sợi (chủ yếu là cường độ), đồng thời tạo ra được
sự tác động tương hỗ trên bề mặt phân cách nền – sợi.
Bề mặt phân cách được biểu thị trước tiên bằng sự dính bám tương hỗ của sợi và
nền xác định mức chất lượng của composit và khả năng làm việc của nó trong quá trình
sử dụng. ứng suất cục bộ trong composit thường đạt giá trị lớn nhất trên bề mặt phân
2-2

Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit

cách, nơi bắt đầu phá huỷ vật liệu. Vì vậy bề mặt phân cách phải đảm bảo chuyền tải
trọng từ nền vào sợi một cách tốt nhất, đồng thời phải đảm bảo các liên kết trên bề mặt
sợi-nền không bị phá hoại do co ngót trong quá trình rắn chắc hoặc do nở vì nhiệt.
2.3 Sự làm việc đồng thời của vật liệu nền và cốt
Trong composit hạt phân tán, hạt chỉ bắt đầu tỏ tác dụng tăng độ bền khi nó hạn chế
được biến dạng của nền bằng sự chèn lấp cơ học. Điều đó phụ thuộc vào khoảng cách
giữa các hạt với đường kính của chúng, cũng như đặc tính đàn hồi của nền và hạt.
Nếu gọi môđun đàn hồi của composit là Ec, thể tích của vật liệu nền là Vn được lèn
chặt bằng thể tích hạt Vh thì ta có “quy luật phối hợp” như sau:
(2- 1)

Ec = En.Vn + Eh.Vh

Phương trình này biểu hiện dạng tương đối của môđun đàn hồi. Vì vậy môđun đàn
hồi của composit hạt phân tán phải thoả mãn quan hệ sau:
Ec =

En .Eh
+ Vh .En
Vn .E h

(2- 2)

Bất kỳ sai lệch dương nào so với phương trình này đều biểu hiện sự lèn chặt nền, có
nghĩa là tác dụng làm đặc của hạt.
Trong composit sợi bao gồm 2 cấu tử: sợi và nền có tác dụng tạo ra cường độ kéo
và uốn cao.
Khi ta chọn thể tích composit có sợi xắp xếp song song là 1 đơn vị, hàm lượng sợi

là Vs và nền là Vn (tính bằng số thập phân) thì:
Vs + Vn = 1 hay Vn = 1 – Vs

(2- 3)

Lực kéo đúng tâm và song song với sợi P sẽ được phân bổ cho sợi là Ps và cho nền
là Pn thì:
(2- 4)

P = Ps + Pn

Nếu chuyển thành ứng suất, thì sự phân bố ứng suất trong composit sẽ như sau:

σc = σsVs + σn(1-Vs)

(2- 5)

Trong giới hạn đàn hồi, theo định luật Húc thì:

σc = εsEsVs + εnEn (1-Vs)

(2- 6)

Composit làm việc như một vật thể đồng nhất (biến dạng của cốt và của nền xẩy ra
đồng thời), đảm bảo không có sự trượt của sợi trong nền. Lúc đó biến dạng tương đối của
composit εc, của sợi εs và của nền εn sẽ bằng nhau:

εc = εs = εn = ε

(2- 7)

Khi xét đến điều kiện toàn khối của composit, phương trình cường độ của composit
sợi Rc có dạng như sau:
Rc= [EsVs + En(1-Vs)] ε

(2- 8)

Do đó môđun đàn hồi của composit Ec trong trường hợp này hình thành theo quy
luật phối hợp như sau:
(2- 9)

Ec= EsVs + En(1-Vs)
2-3




Chương 2. Khái niệm về vật liệu composit

Từ quan hệ
Ps ⎛ E s ⎞ Vs
= ⎜ ⎟.
Pn ⎜⎝ E n ⎟⎠ (1 − Vs )

(2- 10)

Thấy rõ rằng: lực mà sợi tiếp nhận Ps tăng lên theo mức độ tăng của hàm lượng sợi
(Vs) và môđun đàn hồi của nó là Es. Tương ứng với điều kiện đó là sự giảm tải trọng
truyền lên cho nền (có cường độ nhỏ hơn). Cường độ khi kéo và môđun đàn hồi của sợi
phụ thuộc vào đường kính của nó.

2.4 Tính toán composit sợi carbon và thuỷ tinh
(Phần này sinh viên tìm đọc các tài liệu của tác giả PGS.TS.Nguyễn Việt Trung Đại
học giao thông vận tải)

2-4




Chương 3. Đá thiên nhiên

Chương 3

ĐÁ THIÊN NHIÊN
3.1 Khái niệm chung
Vật liệu đá thiên nhiên là vật liệu đựoc sản xuất bằng cách gia công cơ học (nổ mìn,
đập, nghiền, cưa, đục, chạm, mài, đánh bóng...) các loại đá thiên nhiên. Do chỉ sử dụng
các hình thức gia công cơ học nên vật liệu đá thiên nhiên hầu như vẫn giữ nguyên các
tính chất cơ lý cuả đá gốc. Bởi vậy muốn nghiên cứu vật liệu đá thiên nhiên, cần hiểu biết
về đá và trước hết là khoáng vật – cơ sở kiến tạo đá thiên nhiên.
Khoáng vật là những chất hoá học được tạo thành do kết quả của quá trình hoá lí tự
nhiên khác nhau xảy ra trong vỏ quả đất. Mỗi khoáng vật là một vật thể đồng nhất về
thành phần hoá học, cấu trúc và tính chất vật lý.
Đá thiên nhiên là những khối vô cơ bao gồm một hay nhiều khoáng vật khác nhau.
Những loại đá tạo ra từ 1 loại khoáng vật được gọi là đá đơn khoáng như đá vôi, đá thạch
cao... còn những loại đá tạo thành từ hai loại khoáng vật trở lên được gọi là đá đa khoáng.
Vật liệu đá thiên nhiên được sử dụng rất rộng rãi vì chúng có nhiều ưu điểm như
cường độc chịu nén và độ cứng cao, bền vững trong môi trường sử dụng, khả năng trang
trí tốt, giá thành hạ. ở nước ta, đá thiên nhiên phân bố ở hầu hết khắp các tỉnh và nó đã
trở thành loại vật liệu chủ yếu cung cấp cho nhu cầu xây dựng cơ bản.

3.2 Đá thiên nhiên
Dựa vào điều kiện tạo thành và nguồn gốc đá thiên nhiên đựoc chia làm 3 nhóm đá
macma, đá trầm tích và đá biến chất.
* Đá mácma
Đặc tính chung: Trái đất có cấu tạo đới đồng tâm và bao gồm có lõi, lớp vỏ trung
gian và lớp vỏ ngoài. Lớp vỏ ngoài bao gồm 3 lớp: lớp dưới là badan, lớp trên là granit
và trên cùng là lớp trầm tích.
Đá mácma là do khối silicat nóng chảy từ lòng đất xâm nhập lên phần trên của vỏ
hoặc phun ra ngoài mặt đất, nguội đi tạo thành. Do vị trí và điều kiện nguội của khối
macma nên cấu tạo và tính chất của chúng cũng khác nhau. Đá macma được phân ra làm
2 loại: xâm nhập và phún xuất.
Đá xâm nhập ở sâu hơn trong vỏ trái đất, chịu áp lực lớn hơn của các lớp bên trên
và nguội dần đi mà thành. Do đó nó có cấu trúc tinh thể lớn. Đá đặc chắc, cường độ cao,
ít hút nước. Đá xâm nhập chủ yếu sử dụng trong xây dựng là đá granit, điôrit, gabrô...
Đá phún xuất được tạo do macma phun lên trên mặt đất. Do nguội nhanh trong điều
kiện nhiệt độ và áp suất thấp các khoáng không kịp kết tinh, hoặc chỉ kết tinh được một
bộ phận với kích thước tinh thể bé, chưa hoàn chỉnh, còn đại bộ phận tồn tại ở dạng vô
định hình. Mặc khác, các chất khí và hơi nước không kịp thoát ra, để lại nhiều lỗ rỗng,
làm cho đá nhẹ, có loại nổi trên mặt nước.
Căn cứ vào hàm lượng oxit silic đá macma còn đựơc chia ra làm các loại: macma
axit (Si2O >65%), macma trung tính (Si2O: 65-55%), macma bazơ (Si2O:55-45%) và
macma siêu bazơ (SiO2 < 45%)
* Đá trầm tích
3-1




Chương 3. Đá thiên nhiên

Đặc điểm chung: đá trầm tích được hình thành từ nhiệt động học của vỏ trái đất
thay đổi. Các loại đất đá khác nhau do sự tác động của các yếu tố nhiệt độ, nước và các
tác dụng hoá học bị phong hoá, vỡ vụn mà thành. Sau đó chúng được gió và nước cuốn đi
rồi lắng đọng lại thành từng lớp. Dưới áp lực và trải qua các thời kỳ địa chất chúng đựoc
gắn kết lại bằng các chất keo thiên nhiên tạo thành đá trầm tích.
Do điều kiện tạo thành như vậy nên đá trầm tích có đặc tính chung là: có tính phân
lớp rõ rệt, chiều dày, màu sắc, thành phần, độ lớn của hạt, độ cứng của các lớp cũng khác
nhau. Cường độ chịu nén theo phương vuông góc với các lớp luôn luôn cao hơn cường
độ chịu nén theo phương song song với thớ.
Đá trầm tích không đặc chắc bằng đá macma (do các chất keo thiên nhiên không
chèn đầy giữa các hạt hoặc do bản thân các chất keo kết co lại). Vì thế cường độ của nó
thấp hơn, độ hút nước cao hơn. Một số loại đá trầm tích khi bị hút nước cường độ giảm đi
rõ rệt, có khi bị tan rã trong nước.
Đá trầm tích rất phổ biến, dễ gia công, nên được sử dụng khá rộng rãi. Căn cứ vào
điều kiện tạo thành, đá trầm tích được chia ra làm 3 loại
Đá trầm tích cơ học là sản phẩm phong hoá của nhiều loại đá, thành phần khoáng
vật rất phức tạp. Có loại hạt rời phân tán như cát sỏi, đất sét, có loại các hạt rời bị gắn với
nhau bằng chất gắn kết thiên nhiên như sa thạch, cuội kết.
Đá trầm tích hoá học được tạo thành do các chất hoà tan trong nước lắng đọng
xuống, rồi gắn kết lại. Đặc điểm là hạt rất nhỏ, thành phần khoáng vật tương đối đơn giản
và đều hơn đá trầm tích cơ học. Loại này phổ biến nhất là đôlômit, manhêzit, túp đá vôi,
thạch cao, anhiđrit và muối mỏ.
Đá trầm tích hữu cơ được tạo thành do sự tích tự xác vô cơ của các loại động vật và
thực vật sống trong nứoc biển, nước ngọt. Đó là những loại đá cacbônat và silic khác
nhau như đá vôi, đá vôi vỏ sò, đá phấn, đá điatômit và trepen.
* Đá biến chất
Được hình thành từ sự biến tính của đá macma, đá trầm tích, thậm chí cả từ đá biến
chất trẻ, do sự tác động của áp lực, áp suất cao và các chất có hoạt tính hoá học.
Các chất có hoạt tính hoá học thường gặp nhất là nước và axit cacbonit thường
xuyên có ở trong các loại đất đá. Tính chất của đá biến chất do tình trạng biến chất và

thành phần của đá trước khi biến chất quyết định. Dưới sự tác động của các nhân tố biến
chất, các thành phần của đá có thể tái kết tinh ở trạng thái rắn và xắp xếp lại. Tác dụng
biến chất không những có thể cải biến cấu trúc của đá mà còn làm thay đổi thành phần
khoáng vật của nó.
Trong quá trình biến chất do tác động của áp lực và sự tái kết tinh nên đá biến chất
thường rắn chắc hơn đá trầm tích; nhưng đá biến chất từ đá macma thì do cấu tạo dạng
phiến nên tính chất chất cơ học của nó kém đá macma. đặc điểm nổi bạt của phần lớn đá
biến chất (trừ đá hoa và đá quătzit) là quá nửa khoáng vật của nó có cấu tạo dạng lớp
song song nhau, dễ tách thành những phiến mỏng.
Các khoáng vật tạo đá biến chất chủ yếu là những khoáng vật nằm trong đá macma,
đá trầm tích và cũng có thể là các khoáng vật đặc biệt chỉ có ở trong các loại đá biến chất
dưới sâu.
Đá biến chất có các loại thường gặp như sau trong xây dựng:
3-2




Chương 3. Đá thiên nhiên

Đá gơnai (đá phiến ma) là do đá granit tái kết tinh và biến chất dưới tác dụng của áp
lực cao. Đó là đá biến chất khu vực, tinh thể hạt thô, cấu tạo dạng phân lớp – trong đó có
những khoáng vật như thạch anh màu nhạt, fenspat và các khoáng vật màu sẫm, mica xếp
lớp xen kẽ nhau trông rất đẹp. Do cấu tạo dạng phân lớp nên cường độ theo các phương
khác nhau cũng khác nhau, dễ bị phong hoá và tách lớp. Đá gơnai dùng chủ yếu làm tấm
ốp lòng bờ kênh, lát vỉa hè.
Đá hoa do tái kết tinh đá vôi và đá đôlômít dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất
cao mà thành. Đá hoa bao gồm những tinh thể lớn hay nhỏ của canxit, thỉnh thoảng có
xen các hạt đôlômit liên kết với nhau rất chặt tạo nên.
Đá hoa có nhiều màu sắc như trắng, vàng hồng, đỏ, đen... xen lẫn những mảnh nhỏ

và vân hoa. Cường độ chịu nén 1200kG/cm2 (đôi khi đến 3000kG/cm2), dễ gia công cơ
học, dễ mài nhẵn và đánh bóng. Đá hoa đựoc dùng làm đá tấm ốp trang trí mặt chính, làm
bậc cầu thang, lát sàn nhà, làm cốt liệu cho bê tông, granitô.
Đá quăczit: do sa thạch tái kết tinh tạo thành. Đá màu trắng hay đỏ tím, chịu phong
hoá tốt, cường độ chịu nén khá cao (4000kG/cm2), độ cứng lớn, thường được sử dụng
xây dựng cầu, chế tạo tấm ốp, làm đá dăm, đá hộc cho cầu đường, làm nguyên liệu sản
xuất vật liệu chịu lửa.
Diệp thạch sét: có cấu tạo dạng phiến, tạo thành từ sự biến chất của đất sét dưới áp
lực cao. Đá màu xám sẫm, ổn định đối với không khí, không bị nước phá hoại và dễ tách
thành lớp mỏng. Diệp thạch sét dùng làm vật liệu lợp rất đẹp.
3.3 Vật liệu đá thiên nhiên
Các dạng vật liệu đá thiên nhiên thường dùng trong xây dựng gồm:
* Đá dạng khối
Đá hộc là những viên đá chưa được gia công đẽo gọt nên không có hình dạng hình
học nhất định, kích thước cả ba chiều của nó trong khoảng 150-450mm, khối lượng mỗi
viên từ 20-40kG. Đá hộc thường được sản xuất từ các loại đá đặc như đá vôi, đá đôlônit,
đá sa thạch, đá granit.
Đá hộc được sản xuất bằng phương pháp khoan, phương pháp nổ mìn. Đá gốc để
sản xuất đá hộc (trừ các loại đá trầm tích) phải có cường độ chịu nén giới hạn không nhỏ
hơn10MPa và hệ số mềm lớn hơn 0,75. Tuỳ theo hình dạng và mác của đá, nó sẽ được
dùng để xây móng, mố trụ cầu, tường chắn, làm nền đường ô tô và xe lửa, xây dựng công
trình thuỷ lợi và làm cốt liệu cho bê tông đá hộc.
* Đá khối
Đá khối là những tảng được gia công thành hình dạng hình học nhất định mà thông
thường có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước phổ biến 150x200x300mm. Đá khối
thường được chia thành 2 loại: đá khối đẽo thô và đá khối đẽo kĩ. Đá khối đẽo thô thường
được sản xuất từ các loại đá mềm và rỗng như tup núi lửa, đá vôi vỏ sò... có khối lượng
thể tích không quá 1800kG/m3, hệ số mềm không bé hơn 0,6, đặc biệt là không có yêu
cầu cao về độ chính xác kích thước cũng như độ phẳng bề mặt (chỉ yêu cầu độ lồi lõm bề
mặt không lớn hơn 10mm). Đá khối đẽo thô thường được dùng để xây dựng tường nhà

dân dụng. Đá khối đẽo kỹ được sản xuất từ đá đặc có cường độ chịu nén không nhỏ hơn
10MPa và hệ số mềm không bé hơn 0,75. Sau khi qua gia công, đá khối đẽo kỹ phải
vuông thành sắc cạnh và bề mặt phải phẳng. Đá khối đẽo kỹ được dùng để xây tường
3-3




Chương 3. Đá thiên nhiên

chịu lực, vòm cuốn và một số bộ phận khác của công trình. Khối xây không cần phải có
lớp trát mặt.
* Tấm ốp lát trang trí
Có bề mặt chính hình vuông hay hình chữ nhật. Các tấm ốp trang trí thường được
xẻ từ các khối đá đặc chắc và có màu sắc đẹp, đánh bóng bề mặt rồi cắt thành tấm theo
kích thước quy định. Tấm ốp dùng để ốp và lát các công trình xây dựng. Ngoài chức
năng trang trí nó còn có tác dụng bảo vệ khối xây hay bảo vệ kết cấu.
Kích thước cơ bản của các tấm đá được tiêu chuẩn TCVN 4732: 1998 quy định
trong 5 nhóm sau (Bảng 3-1):
Bảng 3-1. Kích thước tiêu chuẩn của các tấm đá
Nhóm

Kích thước (mm)
Chiều rộng

Chiều dài

Chiều dày

I

Lớn hơn 600 đến 800

Từ 600 đến 1200

Từ 20 đến 100

II

Lớn hơn 400 đến 600

Từ 400 đến 1200

Từ 15 đến 100

III

Lớn hơn 300 đến 400

Từ 300 đến 600

Từ 10, 15, 20, 25, 30

IV

Lớn hơn 200 đến 300

Từ 200 đến 400

5, 10, 15, 20

V

Từ 100 đến 200

Từ 100 đến 200

5, 10, 15,20

Tấm ốp công dụng đặc biệt: những tấm ốp được sản xuất từ các loại đá đặc có khả
năng chịu axit (như granit, siênit, điôrit, quăczit, bazan, điabaz, sa thạch silic...) hay có
khả năng chịu kiềm (như đá hoa, đá vôi, đá manhêzit...). Việc gia công loại tấm ốp này
giống như gia công tấm ốp trang trí song kích thước các cạnh của tấm không vượt quá
300mm. Các tấm ốp công dụng đặc biệt được sử dụng để lát nền và ốp tường cho những
nơi thường xuyên có tác dụng của axit, hay kiềm để bảo vệ kết cấu.
Tấm lợp mái được gia công từ đá diệp thạch sét bằng cách tách ra và cắt thành từng
phiến đá theo hình dạng và kích thứơc quy định. Thông thường tấm lợp có kích thước
hình chữ nhật 250x150mm và 600x300mm. Chiều dày tấm tuỳ thuộc vào chiều dày phiến
đá có sẵn (4-100mm). Đây là vật liệu bền và đẹp.
Cát, sỏi thiên nhiên là loại đá trầm tích cơ học dạng hạt rời rạc thường nằm trong
lòng suối, sông hay bãi biển. Chúng được khai thác thủ công hay cơ giới. Cát, sỏi được
dùng làm cốt liệu cho bê tông. Ngoài ra cát còn dùng làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu
xây dựng, như kính, gạch silicát.
Cát và đá dăm nhân tạo được sản xuất bằng cách xay, nghiền các loại đá gốc, rồi
sàng phân loại theo các cỡ hạt. Tuỳ theo kích thước của hạt mà chúng có các tên gọi khác
nhau: đá dăm (5-70mm), cát (0,14-5mm), bột đá ( < 0,14mm). Tính chất của vật liệu đá
dạng này phụ thuộc vào tính chất của đá gốc. Vật liệu đá dạng rời nhân tạo được dùng để
sản xuất các loại vữa, bê tông ximăng, bê tông asfalt, đá granitô. Ngoài ra, nó cũng được
dùng để làm bột màu hay chất độn cho sơn và polime.
3.4 Biện pháp bảo vệ

Sự phá hoại của vật liệu đá thiên nhiên chủ yếu là do nước, đặc biệt là các nước có
chứa CO2 và các loại axit, và thường xảy ra đối với các loại đá cacbonat. Nếu đá có nhiều
3-4




Chương 3. Đá thiên nhiên

thành phần khoáng vật thì đá cũng có thể bị phá hoại nhanh hơn do dãn nở nhiệt không
đều.
Các loại bụi bẩn có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ từ các chất thải công nghiệp hoặc
đời sống tích tụ trên bề mặt hoặc trong các lỗ rỗng của đá là môi trường để cho vi khuẩn
phát triển và phá hoại đá bằng chính axit của chúng tiết ra.
Bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên cần phải ngăn cản nước và các dung dịch thấm sâu
vào đá. Biện pháp thông thường là florua hóa bề mặt đá vôi, làm tăng tính chống thấm
của đá bằng các chất kết tủa mới sinh ra.
Đối với các loại đá có lỗ rống trên bề mặt lớn hay hàm lượng khoáng CaCO3 thấp,
phải tẩm muối của axit flosilicic lên bề mặt, và dung dịch clorua Canxi rồi sấy khô, sau
đó tẩm tiếp dung dịch Cacbonat natri rồi mới clorua hóa bề mặt đá.
Với một số loại đá rỗng có thể xử lý bằng dầu vô cơ, sơn dầu, dung dịch trong
nước, dung môi hữu cơ bay hơi để làm đặc bề mặt vật liệu đá thiên nhiên.

3-5




Chương 4. Bê tông

Chương 4

BÊ TÔNG
4.1 Khái niệm chung
Bê tông trên cơ sở chất kết dính vô cơ là vật liệu composit, nhận đựơc bằng cách tạo
hình và rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm chất kết dính (CKD), nước, cốt liệu (cát ,
sỏi hay đá dăm) và phụ gia.
Thành phần hỗn hợp của bê tông đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải
đạt được những tính chất cho trước.
Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực. Hồ kết dính (ximăng và
nước) bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu, đóng vai trò là chất bôi trơn và lấp đầy
khoảng trống giữa các hạt cốt liệu. Sau khi hoá cứn , hồ chất kết dính gắn kết các loại cốt
liệu thành một khối dạng đá và được gọi là bê tông (Hình 4.1).
g

Hình 4.1 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông a) Cứng; b) Dẻo
Bê tông và bê tông cốt thép đựơc sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại vì chúng
có những ưu điểm sau: cường độ tương đối cao, có thể chế tạo được những loại bê tông
có cường độ, hình dạng và tính chất khác nhau; giá thành rẻ, bền vững và ổn định với
mưa và nắng, nhiệt độ, độ ẩm. Tuy vậy chúng còn có những nhược điểm: nặng, cách âm
cách nhiệt kém, khả năng chống ăn mòn kém
Bê tông xi măng có nhiều loại : loại đặc biệt nặng (γo > 2500 kG/m3), loại nặng (γo
= 2200 - 2500 kG/m3), loại tương đối nặng (γo = 1800 - 2200 kG/m3), loại nhẹ (γo = 500 1800kG/m3) và loại đặc biệt nhẹ (γo < 500 kG/m3).
Trong chương này chỉ giới thiệu loại bê tông nặng và tương đối nặng dùng cho các
kết cấu chịu lực.
4.2 Vật liệu chế tạo bê tông ximăng
4.2.1 Xi măng

Trong bê tông ximăng, CKD đựơc sử dụng là ximăng poóclăng, ximăng poóclăng
xỉ, ximăng pooclăng pudơlan, ximăng pooclăng bền sunfat và các loại ximăng khác.

Trong số các chỉ tiêu kĩ thuật của ximăng, mác ximăng là chỉ tiêu quan trọng nhất. Nó
vừa đảm bảo mác bê tông thiết kế, vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế. Do đó, việc lựa chọn
mác ximăng là rất quan trọng.
Ximăng dùng cho bê tông phải có mác phù hợp với mác bê tông theo quy định của
TCVN - 1964 như sau:
Nếu Rb > 300

thì

Rx= 1,5 Rb

Nếu Rb ≤ 300

thì

Rx= (2 - 3) Rb

Với bê tông mác cao (từ 600 trở lên) chỉ yêu cầu Rx > Rb là đủ
4-1




Chương 4. Bê tông

Lượng dùng ximăng (kG) cho 1m3 bê tông phải lớn hơn lượng ximăng tối thiểu cho
phép (Xmin). Quy phạm nhà nước quy định lượng xi măng tối thiểu (Xmin) như sau (Bảng
4-1) :
Bảng 4-1. Lượng dùng ximăng tối thiểu
Điều kiện làm việc của kết cấu công trình

Trực tiếp tiếp xúc với nước
Bị ảnh hưởng của mưa gió không có phương tiện bảo vệ
Không bị ảnh hưởng của mưa gió

Phương pháp đầm chặt
Bằng tay
Bằng máy
265
240
250
220
220
200

4.2.2 Cát

Cát dùng để chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ 0,14
đến 5mm. Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần hạt và lượng tạp
chất.
Thành phần hạt và độ lớn của cát. Cát có thành phần hạt hợp lý, thì độ rỗng của nó
nhỏ, lượng dùng ximăng ít và cường độ bê tông cao. Thành phần hạt của cát đựoc xác
định bằng cách sàng 1000g cát khô (đã được sàng qua sàng 5mm) trên bộ sàng tiêu chuẩn
có mắt sàng là 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 và 0,14mm.
Để xác định thành phần hạt, trước tiên người ta tính lượng sót riêng biệt ai tỉ số %
lượng sót trên từng sàng mi so với toàn bộ lượng cát đen thí nghiệm m:
ai =

mi
.100%
m

(4- 1)

Sau đó xác định lượng sót tích luỹ trên từng sàng Ai (%) - tổng lượng sót riêng biệt kể từ
sàng lớn nhất (a2,5) đến sàng cần xác định (ai):
Ai = a2,5 + a1,25 + ...+ ai

(4- 2)

Các chỉ tiêu đánh giá độ thô mịn của cát dùng trong bê tông gồm:
- Môđun độ lớn:

M ®l =

A 2,5 + A 1,25 + A 0,63 + A 0,315 + A 0,14

(4- 3)

100

- Đường kính trung bình (mm)
Mdl =

a 2,5 + a1,25 + a 0,63 + a 0,315 + a 0,14
11a 2,5 + 1,37a1,25 + 1,17a 0,63 + 0,02a 0,315 + 0,0024 a 0,14

(4- 4)

- Tỉ diện tích:
S=

6
γ aD tb (cm2/g)

(4- 5)

- Lượng nước yêu cầu

4-2