Chương 1. KHÁI NIỆM VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU * Mục tiêu: Học xong chương này người học có khả năng: - Nêu được khái niệm về vật liệu xây dựng. - Trình bày được các tính chất cơ bản về vật lý và cơ học của vật liệu xây dựng. Khái niệm về vật liệu Vật liệu xây dựng là bất kỳ vật liệu được sử dụng cho mục đích xây dựng.
Nhiều chất hiện diện trong tự nhiên, chẳng hạn như đất sét, đá, cát, và gỗ, thậm chí cành cây và lá, đã được sử dụng để xây dựng các tòa nhà. Ngoài các vật liệu tự nhiên, nhiều sản phẩm nhân tạo được sử dụng, một số tổng hợp ít hoặc nhiều. Sản xuất các vật liệu xây dựng là một ngành công nghiệp được thiết lập ở nhiều nước và việc sử dụng các vật liệu này thường được tách ra thành các ngành nghề chuyên môn cụ thể, chẳng hạn như nghề mộc, cách nhiệt, hệ thống ống nước, và công việc lợp mái. Chúng cung cấp thành phần của nơi sinh hoạt và các cấu trúc bao gồm cả nhà.
Các tính chất vật lý 2. Khối lượng riêng - Khối lượng riêng của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng). - Khối lượng riêng được ký hiệu bằng ρ và tính theo công thức: m ρ = (kG/m3; kG/l; g/cm3) V Trong đó : m : Khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô, g, kg V : Thể tích hoàn toàn đặc của vật liệu, cm3, l, m3. - Tuỳ theo từng loại vật liệu mà có những phương pháp xác định khác nhau.
Đối với vật liệu hoàn toàn đặc như kính, thép v., ρ được xác định bằng cách cân và đo mẫu thí nghiệm, đối những vật liệu rỗng thì phải nghiền đến cỡ hạt < 0,2 mm và những loại vật liệu rời có cỡ hạt bé (cát, xi măng.) thì ρ được xác định bằng phương pháp bình tỉ trọng (hình 1. Khối lượng riêng của vật liệu phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vi mô của nó, đối với vật liệu rắn thì nó không phụ thuộc vào thành phần pha. Khối lượng riêng Hình 1.1: Bình tỉ trọng của vật liệu biến đổi trong một phạm vi hẹp, đặc biệt là những loại vật liệu cùng loại sẽ có khối lượng riêng tương tự nhau. Người ta có thể dùng khối lượng 3 riêng để phân biệt những loại vật liệu khác nhau, phán đoán một số tính chất của nó.
Lắp đạt bình tỉ trọng kế 2. Khối lượng thể tích - Khối lượng thể tích của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng). - Nếu khối lượng của mẫu vật liệu là m và thể tích tự nhiên của mẫu là V v thì: m ρV = (g/cm3; kg/m3; T/m3) Vv 2. Các tính chất vật liệu liên quan tới nước.Độ rỗng: r (số thập phân, %) là thể tích rỗng chứa trong một đơn vị thể tích tự nhiên của vật liệu.
Nếu thể tích rỗng là V r và thể tích tự nhiên của vật liệu là V v thì : Vr r= Vv Trong đó : V r = V v -V Vr −V V ρv Do đó : r = =− 1 =− 1 Vr Vr ρ 2. Độ đặc (đ) là mức độ chứa đầy thể tích vật liệu bằng chất rắn ρ đ = v ρ 4 Như vậy r + đ = 1 ( hay 100%), có nghĩa là vật liệu khô bao gồm bộ khung cứng để chịu lực và lỗ rỗng không khí. Độ mịn hay độ lớn của vật liệu dạng hạt, dạng bột là đại lượng đánh giá kích thước hạt của nó Độ mịn quyết định khả năng tương tác của vật liệu với môi trường (hoạt động hóa học, phân tán trong môi trường), đồng thời ảnh hưởng nhiều đến độ rỗng giữa các hạt. Vì vậy tuỳ theo từng loại vật liệu và mục đích sử dụng người ta tăng hay giảm độ mịn của chúng.
Đối với vật liệu rời khi xác định độ mịn thường phải quan tâm đến từng nhóm hạt, hình dạng và tính chất bề mặt hạt, độ nhám, khả năng hấp thụ và liên kết với vật liệu khác. Độ mịn thường được đánh giá bằng tỷ diện bề mặt (cm2/g) hoặc lượng lọt sàng, lượng sót sàng tiêu chuẩn (%). Dụng cụ sàng tiêu chuẩn có kích thước của lỗ phụ thuộc vào từng loại vật liệu. Độ ẩm W (%): là chỉ tiêu đánh giá lượng nước có thật ma trong vật liệu tại thời điểm thí nghiệm.
Nếu khối lượng của vật liệu lúc ẩm là m a và khối lượng của vật liệu sau khi sấy khô là m k thì: ma − mk mn W = x100(%) hay W = x100(%) ma mk - Độ ẩm của vật liệu tăng làm xấu đi tính tính chất nhiệt kỹ thuật, giảm cường độ và độ bền, làm tăng thể tích của một số loại vật liệu. Vì vậy tính chất của vật liệu xây dựng phải được xác định trong điều kiện độ ẩm nhất định. Độ hút nước của vật liệu: Là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện thường và được xác định bằng cách ngâm mẫu vào trong nước có nhiệt độ 20 ± 0,5oC. Trong điều kiện đó nước chỉ có thể chui vào trong lỗ rỗng hở, do đó mà độ hút nước luôn luôn nhỏ hơn độ rỗng của vật liệu.
Thí dụ độ rỗng của bê tông nhẹ có thể là 50 ÷ 60%, nhưng độ hút nước của nó chỉ đến 20 ÷ 30% thể tích. - Độ hút nước được xác định theo khối lượng và theo thể tích. - Độ hút nước theo khối lượng là tỷ số giữa khối lượng nước mà vật liệu hút vào với khối lượng vật liệu khô. - Độ hút nước theo khối lượng ký hiệu là H P (%) và xác định theo công thức: mn mu − mk =HP = x100(%) x100(%) mk mk - Độ hút nước theo thể tích là tỷ số giữa thể tích nước mà vật liệu hút vào với thể tích tự nhiên của vật liệu.
- Độ hút nước theo thể tích được ký hiệu là H V (%) và xác định theo công thức: Vn mu − mk HV = x100(%) hay HV = x100(%) VV VV x ρ n 5 Trong đó : m n , V n : Khối lượng và thể tích nước mà vật liệu đã hút. ρ n : Khối lượng riêng của nước ρ n = 1g/cm3 m ư , m k : Khối lượng của vật liệu khi đã hút nước (ướt) và khi khô V v : Thể tích tự nhiên của vật liệu. H V ρV ρ Mỗi quan hệ giữa H V và H P như sau : = hay H V = H P. - Để xác định độ hút nước của vật liệu, ta lấy mẫu vật liệu đã sấy khô đem cân rồi ngâm vào nước.
Tùy từng loại vật liệu mà thời gian ngâm nước khác nhau. Sau khi vật liệu hút no nước được vớt ra đem cân rồi xác định độ hút nước theo khối lượng hoặc theo thể tích bằng các công thức trên. - Độ hút nước được tạo thành khi ngâm trực tiếp vật liệu vào nước, do đó với cùng một mẫu vật liệu đem thí nghiệm thì độ hút nước sẽ lớn hơn độ ẩm. - Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính của lỗ rỗng và thành phần của vật liệu.
- Ví dụ: Độ hút nước theo khối lượng của đá granit 0,02 ÷ 0,7% của bê tông nặng 2 ÷ 4% của gạch đất sét 8 ÷ 20%. - Khi độ hút nước tăng lên sẽ làm cho thể tích của một số vật liệu tăng và khả năng thu nhiệt tăng nhưng cường độ chịu lực và khả năng cách nhiệt giảm đi 2. Độ bão hòa nước: Là chỉ tiêu đánh giá khả năng hút nước lớn nhất của vật liệu trong điều kiện cưỡng bức bằng nhiệt độ hay áp suất. - Độ bão hòa nước cũng được xác định theo khối lượng và theo thể tích, tương tự như độ hút nước trong điều kiện thường.
- Độ bão hòa nước theo khối lượng: m Nbh m bh − mk H Pbh = x100(%) hay M Pbh = u x100(%) mk mk Độ bão hòa nước theo thể tích : V Nbh mubh − mk H Vbh = x100(%) hay M Vbh = x100(%) VV V N .ρ N Trong các công thức trên : • bhNm,: Khối lượng và thể tích nước mà vật liệu hút vào khi bão hòa. bhNV • 10 bh−m, : Khối lượng của mẫu vật liệu khi đã bão hòa nước và khi khô • V V : Thể tích tự nhiên của vật liệu. - Độ bão hòa nước của vật liệu không những phụ thuộc vào thành phần của vật liệu và độ rỗng mà còn phụ thuộc vào tính chất của các lỗ rỗng, do đó độ bão 6 hòa nước được đánh giá bằng hệ số bão hòa C bh thông qua độ bão hòa nước theo H Vbh thể tích và độ rỗng r : Cbh = r - C bh thay đổi từ 0 đến 1. Khi hệ số bão hòa lớn tức là trong vật liệu có nhiều lỗ rỗng hở.
- Khi vật liệu bị bão hòa nước sẽ làm cho thể tích vật liệu và khả năng dẫn nhiệt tăng, nhưng khả năng cách nhiệt và đặc biệt là cường độ chịu lực thì giảm đi. Do đó mức độ bền nước của vật liệu được đánh giá bằng hệ số mềm (K m ) thông qua cường độ của mẫu bão hòa nước Rbh và cường độ của mẫu khô R k : R bh Km = Rk Những vật liệu có K m > 0,75 là vật liệu chịu nước có thể dùng cho các công trình thủy lợi. Tính thấm nước: là tính chất để cho nước thấm qua từ phía có áp lực cao sang phía có áp lực thấp. Tính thấm nước được đặc trưng bằng hệ số thấm K th (m/h): Vn .t - Như vậy, K th là thể tích nước thấm qua V n (m3) một tấm vật liệu có chiều dày a=1m, diện tích S = 1m2, sau thời gian t = 1 giờ, khi độ chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh ở hai mặt là p 1 - p 2 = 1m cột nước.
- Tùy thuộc từng loại vật liệu mà có cách đánh giá tính thấm nước khác nhau. - Ví dụ: Tính thấm nước của ngói lợp được đánh giá bằng thời gian xuyên nước qua viên ngói, tính thấm nước của bê tông được đánh giá bằng áp lực nước lớn nhất ứng với lúc xuất hiện nước qua bề mặt mẫu bê tông hình trụ có đường kính và chiều cao bằng 150 mm. - Mức độ thấm nước của vật liệu phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, độ rỗng và tính chất của lỗ rỗng.