Chương II Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng

Trường Đại học Thủy lợi
Bộ môn Vật liệu Xây dựng

Môn học: Vật liệu Xây dựng
Giảng viên: TS. Vũ Quốc Vương


Chương II
Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng
§II.1. Thành phần và cấu
trúc của vật liệu


I. Thành phần vật liệu
Thành phần của VL: Được đặc trưng bởi 3 thành phần (TP) gồm có: TP hóa
học (TPHH), TP khoáng vật (TPKV), và TP pha

1. Thành phần hóa học: Là % các ôxit (các nguyên tố HH) có trong VL (kim
loại (hợp kim) thì TPHH biểu thị % các nguyên tố HH)
2. Thành phần khoáng vật: Là % các muối kép (khoáng vật) có trong VL
3. Thành phần pha: Là biểu thị trạng thái của pha rắn, lỏng, hay khí của VL

3


II. Cấu trúc của Vật liệu
1.

Cấu trúc vĩ mô: Bằng mắt thường có thể phân biệt được dạng cấu trúc này
(VD: Dạng đặc chắc, tổ ong, dạng lớp, dạng hạt rời,...)

2.

Cấu trúc vi mô: Chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi để thấy trạng thái
của chất là kết tinh hay vô định hình. Dạng tinh thể thì các hạt nguyên tử,
phân tử sắp xếp theo trật tự nhất định và VL ở dạng VĐH thì các hạt sắp
xếp không theo trật tự.

3.

Cấu trúc trong (siêu vi mô): Phải dùng thiết bị hiện đại để quan sát và
nghiên cứu như kính hiển vi điện tử, phân tích rơn ghen để nghiên cứu cấu
tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu.

4


III. Phân loại các tính chất của Vật liệu
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và sử dụng VL trong CTXD, có thể phân các
tính chất của VL thành các nhóm như: T/c vật lý, cơ học, hoá học, tính chất của
vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt, …

•Nhóm tính chất vật lý: Đặc trưng cho trạng thái, cấu trúc và xác định
mối quan hệ của vật liệu với môi trường;
•Nhóm tính chất cơ học: Xác định quan hệ của vật liệu với biến dạng và
sự phá huỷ của nó dưới tác dụng của tải trọng;
•Nhóm tính chất hoá học: Liên quan đến những biến đổi hoá học và độ
bền vững của vật liệu đối với tác dụng ăn mòn hoá học;
•Tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt.
Nội dung chương trình sẽ giới hai nhóm là tính chất vật lý và tính chất cơ học
(Tính chất cơ lý của vật liệu)

5


Chương II
Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng
§II.2. Những tính chất vật
lý của Vật liệu


I. Khối lượng riêng (tỷ khối): γ a (g/cm3)
Khối lượng riêng (tỷ khối) - Specific Mass, trọng lượng riêng (tỷ trọng) Specific weight hoặc (Specific gravity)
1. Định nghĩa: KLR là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu khô ở trạng
thái hoàn toàn đặc (bên trong không có lỗ rỗng).

(

)

G km
γa =
g / cm 3
Trong đó: γ a: V
Khối
lượng riêng (g/cm3)
a

2. Công thức:

Gmk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô
Va: Thể tích vật liệu ở trạng thái khô

3. Ứng dụng: KLR dùng để xác định độ đặc, rỗng và tính toán VL
VD: γ a của gạch đất sét: 2,5 tấn/m3, cát và đá: 2,6 tấn/m3, ...

7


II. Khối lượng thể tích (dung khối): γ ok (g/cm3)
Khối lượng thể tích (dung khối) - Unit Mass, KL đơn vị - Unit weight.
1. Định nghĩa: KL thể tích là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu khô ở
trạng thái tự nhiên (bên trong có lỗ rỗng).
2. Công thức:

(

k
G
γ ok = mk g / cm 3
Vo
k

)

Trong đó: γ o : Khối lượng thể tích (đơn vị) (g/cm3)
Gmk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô
Vok: Thể tích vật liệu khô ở trạng tự nhiên
3. Ứng dụng: dùng để xác định độ đặc, rỗng, và tính toán phương tiện vận
chuyển, khối lượng cấu kiện, phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

8

II. Khối lượng thể tích (dung khối)
a) Khối lượng thể tích khô:

(

k
G
γ ok = mk g / cm 3
Vo

)

b) Khối lượng thể tích ẩm:
â
m
â
o

G
γ =
V
â
o

γ

bh
o

G
=
V

đổi: Vok = Voâ = Vobh
• Nếu vật liệu có thể tích thay

( g / cm )
3

c) Khối lượng thể tích bão hòa:
bh
m
bh
o

• Nếu vật liệu có thể tích
không đổi khi độ ẩm thay

đổi khi độ ẩm thay đổi: Vok
≠ Voâ ≠ Vobh
• KLTT của một số vật liệu:

( g / cm )
3

Gạch đất sét: 1,6 ÷ 1,9 t/m3
Cát, đá: 1,4 ÷ 1,7 t/m3
Xi măng Po: 1,2 ÷ 1,3 t/m3
9

III. Độ đặc (%): đ%
1. Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích phần đặc so với thể tích tự nhiên của vật
liệu ở trạng thái khô.
2. Công thức:

Trong đó:

Va
đ % = k ×100%
Vo
đ%:

Độ đặc của vật liệu (%)

Vo k :

Thể tích tự nhiên của vật liệu ở trạng thái khô

Va:

Thể tích đặc của vật liệu ở trạng thái khô

3. Ứng dụng: Dùng để phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

10


IV. Độ rỗng (%): r%

1. Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích rỗng so với thể tích tự nhiên của vật liệu ở
trạng thái khô.
2. Công thức:

Trong đó:

 γ ok 
Vok − Va
Vr
r% = k ×100% =
×100% = 1 −  ×100%
k
Vo
Vo
 γa 

r%:

Độ rỗng của vật liệu (%)

Vo k :

Thể tích tự nhiên của vật liệu ở trạng thái khô

Vr :

Thể tích rỗng của vật liệu ở trạng thái khô

Va:

Thể tích đặc của vật liệu ở trạng thái khô

3. Ứng dụng: Dùng để phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

11


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
1. Các dạng nước có trong vật liệu:
• Nước kết tinh (LK hóa học).
+ Cao lanh: Al2O3.SiO2.2H2O  Al2O3.SiO2 + 2H2O (ở 700-800oC )
+ Thạch cao: CaSO4.2H2O  CaSO4 + 2H2O (ở 700oC)

•

Nước hấp phụ (nước hóa lý)

•

Nước cơ học (nước tự do)

12


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
2. Độ ẩm - Moisture Content, W(%)
•

Định nghĩa: Là tỷ số giữa khối lượng nước có trong vật liệu ở trạng thái ẩm
so với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô.

•

Công thức:

Trong đó:

G ân
W% = k ×100%
Gm

W% :

Độ ẩm (%)

Gnâ:

Khối lượng nước có trong VL ở trạng thái ẩm

Gmk:

Khối lượng mẫu VL ở trạng thái khô

13


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
3. Mức hút nước theo khối lượng (Absorption)
•

Định nghĩa: Là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong vật liệu ở trạng thái
bão hoà so với khối lượng vật liệu ở trạng thái khô.

•

Công thức:

Trong đó:

G bh
Hp % = nk ×100%
Gm

Hp%: Mức hút nước theo khối lượng (%)
Gnbh: Khối lượng nước có trong VL ở trạng thái BH

14


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
4. Mức hút nước theo thể tích Hv%
•

Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng thái bão
hoà so với thể tích vật liệu ở trạng thái khô.

•

Công thức:

Trong đó:

Vnbh
Hv % = k ×100%
Vm
Hv%: Mức hút nước theo thể tích(%)
Vnbh: Thể tích nước có trong VL ở trạng thái BH
Vmk: Thể tích VL ở trạng thái tự nhiên khô

15


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
5. Hệ số bão hòa nước B%
•

Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng thái bão
hoà so với thể tích rỗng của vật liệu.

•

Công thức:

Trong đó:

B %:

Vnbh
B% =
×100%

Vr

Hệ số bão hòa nước (%)

Vnbh: Thể tích nước có trong VL ở trạng thái BH
Vr :

Thể tích lỗ rỗng có trong VL

 Vnbh = 0  B = 0: Vật không thấm nước
 Vnbh < Vr  B < 1: Vật bão hoà nước không hoàn toàn
 Vnbh = Vr  B = 1: Vật bão hoà nước hoàn toàn
16


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
6. Hệ số mềm hóa Mh: Khi VL thấm nước (khi BH nước) thể tích, tính dẫn
điện, dẫn nhiệt tăng nhưng cường độ giảm. Mức độ giảm cường độ nhiều
hay ít được biểu thị bằng hệ số mềm hoá
•

Định nghĩa: Hệ số mềm hoá là tỷ số giữa cường độ vật liệu ở trạng thái bão
hoà nước so với cường độ của nó ở trạng thái khô.

•

Công thức:
Trong đó:

Mh:

R bh
Mh =
R k hóa
Hệ số mềm

Rbh, Rk: Cường độ VL ở trạng thái bão hòa, khô
Mh > 0,8 gọi là VL chịu nước, Mh càng cao VL càng chịu được nước. đối với
CTTL yêu cầu Mh ≥ 0,85

17


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
7. Tính thấm nước của VL: Là tính chất để cho nước thấm qua khi có độ chênh
lệch áp lực. Mức độ thấm nước phụ thuộc vào độ rỗng, đặc trưng của lỗ
rỗng, áp lực nước, và nhiệt độ môi trường.
•

Tính thấm nước của VL được đặc trưng bằng hệ số thấm K hoặc mác chống
thấm B.

•

Công thức:
Trong đó:

Q× D
K=
(cm / s)

×t ×H
K: Hệ số thấmFnước
(cm/s); t: Thời gian thấm;
H: Cột nước thấm; D, F: Kích thước mẫu

•

Mác chống thấm B: Trị số áp lực lớn nhất mà mẫu thử không để nước thấm
qua. Mác chống thấm thường là B-2, B-4, B-6, B-8, …

18


V. Những tính chất vật lý có liên quan đến nước
8. Tính bền của vật liệu (Durable properties):
•

Trong quá trình làm việc, ngoài chịu tác dụng của tải trọng VL còn chịu ảnh
hưởng lâu dài của điều kiện môi trường (như sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm,
tác dụng của các hoá chất và các chất khí trong không khí) làm cho chất
lượng của nó giảm sút.

•

Do đó vật liệu cần có tính bền nhất định. Các VL có tính bền tốt như đá
thiên nhiên, các VL bằng sành không bị lão hoá. Các vật liệu có tính bền
kém như gỗ (chất lượng mau giảm khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi thường
xuyên).

19

Chương II
Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng
§II.3. Những tính chất cơ
học của Vật liệu


I. Tính biến dạng của VL
1. Biến dạng đàn hồi: Là loại biến dạng sẽ bị mất đi sau khi loại bỏ lực tác
dụng.
•

Nguyên nhân:

2. Biến dạng dư: Là loại biến dạng không thể khôi phục lại trạng thái ban đầu
sau khi loại bỏ lực tác dụng.
•

Nguyên nhân:

3. Từ biến: Là loại biến dạng tăng theo thời gian khi lực tác dụng không đổi,
tác dụng lâu dài lên vật liệu.
• Nguyên nhân:
21


II. Cường độ của VL
1.

Khái niệm về cường độ VL:

•

Định nghĩa: Cường độ của vật liệu biểu thị khả năng chống lại sự phá hoại
của ứng suất xuất hiện trong vật liệu do ngoại lực gây ra. Ký hiệu là R
(KG/cm2 = daN/cm2; MPa = 1N/mm2)

•

Phân loại: Tùy theo hình thức chịu lực của KC mà người ta phân ra các
loại cường độ khác nhau như cường độ nén (Rn), kéo (Rk), uốn (Ru), xoắn
(Rx), …

•

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của vật liệu gồm i) thành phần và cấu
trúc vật liệu; ii) độ đặc, độ rỗng của VL; iii) nhiệt độ và độ ẩm môi trường;
iv) hướng và thời gian chịu tải;

22


II. Cường độ của VL
•

Hiện tượng khả năng chịu lực của vật liệu giảm dần theo thời gian là do 2
nguyên nhân:

– Hiện tượng lão hoá: Do trong quá trình làm việc VL chịu tác động của

các yếu tố luôn thay đổi của môi trường như to, độ ẩm, gió, mưa,......
làm khả năng làm việc của vật liệu giảm dần.
– Hiện tượng mỏi: Là do tác động của các tải trọng lâu dài, trùng lặp, có
chu kỳ
•

Khi vật liệu làm việc, chỉ cho phép một giá trị nhỏ hơn cường độ độ cho
phép [R] (cường độ giới hạn). Từ đó có khái niệm về hệ số an toàn K: K = R/
[R] <1

2. Xác định cường độ:
a/ PP phá hoại: Đúc mẫu tại hiện trường hoặc khoan lấy mẫu (kích thước tiêu
chuẩn), nén (kéo, uốn…) để xác định cường độ phá hoại.

23


II. Cường độ của VL
•

Hình dạng kích thước mẫu tiêu chuẩn:

+ Rn (Cường độ nén - Compressive Strength): Rn = Pn/F
 Mẫu lập phương: Rn = Pn/a2
Đối với bê tông: a = 15 cm (Dmax = 40 mm); vữa: a = 7,07cm
(Nếu dùng mẫu BT a =10 cm  K=0,91; a = 20 cm  K = 1,05)
 Mẫu trụ tròn: Rn = 4Pn/d2
Đối với bê tông: d = 15 cm; h = 30cm (Dmax = 40)  K=1,2
+ Rk: (Cường độ kéo - Tensile Strength): Rk = Pk/F
 Mẫu lăng trụ: Rk = Pk/a2;

BT: a = 5 cm, h = 50 cm

 Mẫu trụ tròn: Rk = 4Pk/d2
 Mẫu số 8: Làm với xi măng
+ Ru (Cường độ chịu uốn - Flexural Strength): Ru = 3 PuL/bh2
Đối với xi măng: b = h = 4 cm, L = 16 cm
24


II. Cường độ của VL
•

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm chịu nén:

– Hình dạng và kích thước mẫu:
+ Rlăng trụ < Rlập phương (cùng tiết diện).
+ Mẫu lập phương có kích thước tiết diện khác nhau, cường độ nén sẽ
thay đổi  Phải nhân hệ số hiệu chỉnh, nếu a =10 cm, K < 1 (0,91); a
= 20 cm K > 1 (1,05).
– Tốc độ tăng tải: Tốc độ tăng tải nhanh  R lớn và ngược lại do biến
dạng dẻo không tăng kịp với sự tăng của tải trọng.
– Ma sát giữa mặt mẫu và mâm nén: Cùng loại VL, cùng kích thước thì
mẫu nào có ma sát mặt ngoài lớn hơn thì R lớn hơn (vì có khả năng
giữ cho mẫu không bị nở ngang), còn ma sát nhỏ thì R nhỏ (vì mẫu dễ
bị nở ngang).
b/ PP không phá hoại (NDT- Non Destructive Testing):

25