Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

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

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 b
ản 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 s
ự 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 đo
ạn 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 x
ẩy 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 (γ
0
) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự
nhiên:
0
0
V
G
=
γ
(kG/m
3
, kG/l, T/m
3
) (1- 1)
Để xác định γ
0
ta cần xác định khối lượng G và thể tích tự nhiên V
0

Xác định G bằng cách cân vật liệu trực tiếp ở trạng thái khô để xác định γ
0k
hay ở

trạng thái ẩm (để xác định γ
0w
).
Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng
1-2

Thể tích V
0
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 (γ
a
) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn
toàn đặc:
a
a
V
G
=
γ
(g/cm
3
, kG/l, T/m
3
) (1- 2)
Để xác định γ
a
ta cần xác định khối lượng G và thể tích đặc V
a

Khi xác định khối lượng G cần cân vật liệu sau khi đã sấy khô ở nhiệt độ t
0
=105
- 110
0
C. Khi xác định V
a
cần thực hiện theo một trong hai trường hợp sau:
Với vật liệu đặc xác định V
a
như xác định V
0
.
Với vật liệu rỗng ta nghiền vật nhỏ đến cỡ hạt lọt qua sàng 900 lỗ/cm
2
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:
Hay
%100.
V
d

0
0
0
a
a
a
d
V
γ
γ
γ
γ
=
==
(1- 3)
(
%100).1
11
V
r
0
0
0
0
0
a
a
a
r
r

d
V
VV
V
γ
γ
γ
γ
−=
−=−=
−
==
(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
Độ

hút nước của vật liệu được

biểu thị theo phần trăm khối lượng (H
p
) hay thể tích
(H
v
)
ann
kn
v

k
k
p
V
GG
V
V
H
G
VG
H
γ
.
%100.
%100.
00
-
−
==
−
=

(1- 5)
%100.
V
d
0
0
0
a

a
a
d
V
γ
γ
γ
γ
=
==
(1- 6)
Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng
1-3

Sự liên hệ của hai đại lượng này có thể biểu diễn theo công thức:
H
v
= γ
o
kH
p
/γ
an
(1- 7)
Mức độ nước bị hút vào vật liệu được đánh giá bằng hệ số bão hoà nước (C
bh
)
C
bh
= H

v
bh/r (1- 8)
Trong đó:
G
k
- khối lượng mẫu khi khô
G
ư
– khối lượng mẫu khi hút no nước
V
n
– Thể tích của nước mà vật liệu hút vào
γ
an
-
khối lượng riêng của nước
Khi thí nghiệm xác định độ hút nước ta đem sấy khô mẫu ở nhiệt độ t
0
=105-110
0
C
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
τ
λ

).(
.
0
2
0
1
ttF
aQ
−
=
, kCal/m.0C.h (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)
t
1
, t
2
- 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:
14,022.00196.0
2

−+=
vx
ρλ
, kCal/m.0C.h (1- 10)
Hoặc
14,022.00196.016,1
2
−+=
v
ρλ
, 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 = 20-25
0
C)
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu thay đổi, phụ

thuộc vào nhiệt độ trung bình của mẫu
thí nghiệm, theo công thức Vlaxov:
)002.01(
0
0 tbt
t+=
λλ
, kCa
l/
m.0C
.h

(1- 12)
Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng
1-4

Trong đó:
o
λ
–hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 0
0
C;
t
λ
–hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở t
tb
;
t
tb
–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 bi
ến 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
th
E

ε
σ
=
(1- 13)
Trong đó:
σ - ứng suất, kG/cm
2

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 l
ực 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 chuyể
n dịch tương đối. Do đó biến
dạng vẫn

còn tồn tại khi loại bỏ ngoại lực. Biến dạng dẻo của vậ
t
liệu dẻo lý tưởng tuân
theo định luậ
t
Niutơn:
η
σ
ε
t

d
.
=
(1- 14)
Trong đó:
σ - ứng suất, kG/cm
2

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 ε
d
và biến dạng đàn hồi ε
đh

Dựa vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng người ta phâ
n ra vật liệu loại dẻo, giòn
và đàn hồi. Vật l
iệu dẻo là vật liệu trước khi phá hoại có biến hình dẻo rõ rệt (thép), còn
vật liệu giòn thì ngược lại.
Chương 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng
1-5

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 yế
u 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
phươ
ng 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 đ
iện 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:
0
t
t
S
v −=
(1- 15)
Trong đó

S – quãng đường, cm.
t – thời gian truyền sóng siêu âm (s)
t
0
– 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: