CHƯƠNG I: CÁC TINH CHAT CO BAN CUA VAT LIEU XAY DUNG 1. Khái niệm chung. Phân loại tính chất cũa vật liệu xây dựng (VL.XD) Quá trình làm việc trong kết cấu công trình, vật liệu ph ải chịu sự tác dụng của tải trọng bên ngoài và môi trường xung quanh. Tải trọng sẽ gây ra biến dạng.
và ứng suất trong vật liệu. Do đó, để kết cầu công trình làm việc an toàn thì trướ c tiên vật li u phải có các tính chất cơ học theo yêu cầu. Ngoài ra, vật liệu còn phải có đủ độ bền vững chỗ ng lại các tác d ung vật lý và hóa học của môi trường. Trong một số trường hợp đồi với vật liệu còn có mộ t số yêu cầu riêng về nhiệt, âm, chống phóng xạ v.
Như vậy, yêu cầu vẻ tính chất của vật liệu rất đa dạng. Song để nghiên cứu và sử dụng vật liệu, có thể phân tính ch at củ thành những nhóm nh tr: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc, nhóm tính ch ất vật lý, tính chất cơ học, tính chất hóa học và một số tính chất mang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tỉnh tuổi thọ v. Các tham số đặc trưng cho tr ạng thái và cầu trúc của vật liệu là những tính chất đặc trưng cho quá trình công nghệ, thành phần pha, thành phần khoáng hóa, thí dụ khối lượng riêng, khối lượng thê tích, độ rỗng, độ đặc, độ mịn, v. "Những tính chất vật lý xác định mồi quan hệ củ a vật liệu với môi trường như tính chất có liên quan đến nước, đến nhiệt, điện, âm, tính lưu biến của vật liệu nhớt, dẻo.
Những tính chất cơ học xác định quan hệ củ a vật liệu với bi én dạng và sự phá hủy nó dưới tác dụng của tải trọng như cường độ, độ cứng, độ dẻo v. Các tính chất hóa học có liên quan đến những bỉ ên đổi hóa học và độ bền 'vững của vật liệu đối với tác dụng của cácnhân tổ hóa học. Để tránh nh ững ảnh hưởng của các yếu tố khách quan trong quá trình thí nghiệm, các tính chất của vật liệu phải được xác định trong điều kiện và phươn: pháp chu ẩn theo quy đị nh của tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam. Khi đó tính chất dug e xác định là những tính chất tiêu chuẩn.
Ngoài các tiêu chuẩn nhà nước còn các tiêu chuẩn cấp ngành, cấp bộ. Các tiêu chuẩn có thể được bổ sung và chỉnh lí tùy theo trình độ sản xuất và yêu cầu sử dụng vật liệu. Hiện nay ở n ước ta, đồ ¡ với 1 số loại VLXD chưa có tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật quy định thì có thể dùng các tiêu chuẩn của nước ngoài.2 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất Cấu trúc của vật liệu được biểu thị ở 3 mức: cấu trúc vĩ mô (cấu trúc có thể quan sát bằng mắt thường), cá u trúc vi mô (chỉ quan sát bằng kính hiển vi) và cầu trúc trong hay cấu tạo chất (phải dùng những thiết bị hiện đại dé quan sát và nghiên cứu như kính hiễn vi điện tử, phân tích rơngen) Cấu trúc vĩ mô .Bằng mắt thường ng ười ta thể phân biệt các dạng cấu trúc này như: đá nhân tạo đặc, cấu trúc tổ ong, cấu trúc dạng sợi, dạng lớp, dạng hạt rời. Vật liệu đá nhân tạo đặc r ất phổ biến trong xây d ựng như bê tông nặng, gach6 p lát, gạch silicat.
Những loại vật liệu này thường có cường độ, khả năng ch ống thắm, chống ăn mòn t ốt hơn các loại vật li Gu rong cing loại, nhưng, nặng và tính cách âm, cách nhiệt kém hơn. Bằng mắt thườ ng cũ ng có thê nhìn thấy những liên kết thô của nó, ví dụ : thấy được lớp đá xi măng liên kết với hạt cốt liệu, độ dày của lớp đá, độ lớn của hạt cốt liệu: phát hiện được những hạt, vết rạn nứt lớn, v. 4 edu tao réng c6 thé 1a nh ững vật liệu có những 1 ỗ rỗng lớn như bê tông khí, bê tông bọt, chất déo tổ ong hoặc những vật liệu có những lỗ r ông bé (vật liệu dùng đủ n ước, dùng phụ gia cháy). Loại vật liệu này có cường độ, độ.
chỗ ng ăn mòn kém hơn vật liệu đặc cing lo ai, nhưng khả năng cách nhiệt, cách âm tốt hơn. Lượng lỗ r ỗng, kích thước, hình dạng, đặc tính và sự phân bổ của lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu. Vật li êu có cầu tạo dạ nợ sợi, như gỗ, các sản phẩm có từ bông khoáng và bông thủy tỉnh, tắm sợi gỗ ép v. có cường độ, độ dẫn nhiệt và các tính chất khác rất khác nhau theo phương dọc và theo phương ngang thé.
Vật liệu có câu trúc dạng lớp, như đ á phi ên ma, diệp thạch sét v. là vật liệu có tính đị hướng (tính chất khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu hạt r oi nh ư cốt liệu cho bê tông, vật liệu dạng bột (xi măng, bột vôi sống) có các tính chất và công dụng khác nhau tùy theo thành phần độ lớn và trạng thái bề mặt hạt. Cấu trác vỉ mô của v ật liệu có thể là cấu tao tinh th ê hay vô định hình.
Cấu tạo tinh thé va vô định hình chi là hai trạng thái khác nhau của cùng một chất. Ví dụ oxyt silie có thể t ồn tại ở di thé thạch anh hay dạng vô định hình (opan). Dang tinh thé có độ bên và độ ô n định lớn h ơn dạng vô định hình. SiO> tinh thể không tương tác với Ca(OH)s ở điề u kiện thường, trong khi đó SiOa vô định hình lại có thể tương tác với Ca(OH); ngay ở nhiệt độ thường.
Cấu tạo bên trong của các chỗ t là câu tạo nguyên tử, phân tử, hình d ạng. kích thước của tỉnh thể, liên kết nội bộ giữa chúng. Câu tạo bên trong của các chất quyết định cường độ, độ cứng, độ bên nhiệt và nhiều tính chất quan trọng, cứu các chất có cấu tạo tỉnh thể, ng ười ta phải phân biệt chúng củ a mồ ¡ liên kết giữa các phân tử đề tạo ra mạng lưới không gian. Tùy theo kiểu liên kết, mạng lưới này có thể được hình thành từ các nguyên tử trung hòa (kim cương, SiO2) các ion (CaCOs , kim loại), phân tử (nước đá).
Liên kết cộng hỏa trị được hình thành từ những đôi di én tir dung chung, trong những tỉnh thể của các chất đơn giản (kim cương, than chi) hay trong các tỉnh thể của hợp chất gồm hai nguyên tổ (thạch anh). Néu hai nguyên tử giỗ ng nhau thì cặp điện tử dùng chung thuộc cả hai nguyên tử đó. Nếu hai nguyên tử có tính ch ất khác nhau thì cặp điện tử bị lệch về phía nguyên tố có tính chất á kim mạnh hơn, tạo ra liên kết cộng hóa trị có cực (HạO). Những vật liệu có liên kết dạng này có cường độ, độ cứng cao và rất khó chảy.
Liên kết ion được hình thành trong các tỉnh thể v ật liệu mà các nguyên tử. khi tươ ng tác v ới nhau nhường điện tử cho nhau hình thành các ion âm và ion dươ ng. Các ion trái dấu hút nhau để tạo ra phân tử. Vật liệu xây dựng có liên kết loại này (thạch cao, anhidrit) có cường độ và độ cứng thấp, không b ên nước, trong nh ững loại VLXD thườ ng gặp như canxit, fenspat với những tỉnh thể phúc tạp gồm những tỉnh thể gồm cả liên kết cộng hóa trị và liên kết ion.
Bên trong ion phức tạp CO ạˆ là liên kết cộng hóa trị. Nhưng chính nó liên kết với Ca”T bằng liên kết ion (CaCO2) có cường độ khá cao. Liên kết phân tử được hình thành chủ yếu trong những tỉnh thể của các chất có liên kết cộng hóa trị. Liên kết silicat là liên kết phức tạp, được tạo thành từ kh ối 4 mặt SiOx liên kết với nhau bằng nh ững đỉnh chung (những nguyên từ oxi chung) tạo thành mạng lướ i không gian ba chiều với nh tg tính chất đặc biệt cho VLXD.
Dieu đó cho phép coi chúng như là các polime vô cơ. Quan hệ giữa thành phần và tính chất ây dựng được đặc trưng bằng 3 thành phần: Hóa học, khoáng vật và thành phần pha. Thành phần hóa học được biểu thị bằng % hàm lượng các oxyt có trong vật liệu. Nó cho phép phán đoán hàng loạt các tính chất của VLXD: tính chất chịu lửa, bền sinh vật, các đặc tr ưng cơ họ c và các đặc tính kỹ thuật khác.
Riêng đối với kim lo ai hoặc hợp kim thì thành phần hóa học được tính bing % các nguyên tố hóa học Thành phần hóa họ e được xác định bằng cách phân tích hóa học (kết quả phân tích được biểu diễn dưới dạng các oxyt). Các oxyt trong vật liệu vô cơ liên kết với nhau thành các muối kép, được gọi là thành phần khoáng vật. Thành phận khoáng vật Thành phần khoáng vật quyết định các tính chất cơ b ản của vật liệu. Khoáng 3CaO.SiO; và 3CaO.Al2Os trong xi măng pooc lăng quyết định tính đóng rắn nhanh, chậm của xi măng, khoáng 3AlaOs 2SiO; quyết định tính chất của vật liệu gồm.
Biết đượ c thành phần khoáng vật ta có thể ta có thể phán đoán tương đối chính xác các tính chất của VLXD. Việc xác định thành phần khoáng v at khá phức tạp, đặc biệt là về mặt định lượng. Vì vậy người ta phải dùng nhiêu phương pháp đẻ hỗ trợ cho nhau : phân tích nhiệt vi sai, phân tích phổ rơnghen, laze, kính hién vỉ điện tử v. Thành phần pha Ba s 6 vat ligu khi làm việc đề u tồn tại ở pha r ấn.
Nhưng trong vật liệu luôn chứa một lượng lỗ rỗng, bên ngoài pha rắn nó còn chứa cả pha khí (khi khô) và pha lỏ ng (khi âm). Tỉ lệ của các pha này trong vật liệu có ảnh hưởng đến chất lượng của nó, đặc biệt là các tính chất về âm, nhiệt, tính chống ăn mòn, cường độ v. Thành phần các pha biến đỗ ¡ trong quá trình công nghệ và dưới sự tác động của môi trường. Sự thay đổi pha làm cho tính chất của vật liệu cùng thay đỗ ¡.
Ví dụ n ước chứa nhiều trong các lỗ rỗng của vật liệu sẽ ảnh hưởng xâu đến tính chất nhiệt, âm và cường độ của vật liệu, làm cho vật liệu bị nở ra v. Ngoài vật liệu rắn, trong xây dựng cỏn lo ại vật liệu phô biến ở trạng thái nhớt đẻo. Các chất kết dinh khi nhào trộn với dung môi (thud ng là nước), khi chưa rắn chắc có cầu trúc phức tap và biển đổi theo thời gian: giai đoạn đầu ở trạng thái dung dịch, sau đ ó ở trạng thái keo.