CHƯƠNG I: CAC TINH CHAT CO BAN CUA VAT LIEU XÂY DỰNG 1. Khái niệm chung. Phân loại tính chất u xây dung (VLXD) 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 © tiên vật lĩ êu phải có các tinh chat cơ học theo yêu cầu. Ngoài ra, vật liệu còn phải có đủ độ bền vững chỗ nự Ïại các tác d ng vật lý và hóa học của môi ó yêu cầu riêng của vật liệu rất đa dang. Song để nghiên cứu và sử dụng vật liệu, có thể phân tính ch ất của nó thành những nhóm nh ư: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc, nhóm tính ch át vật lý, tính chất cơ học, tính chất hóa học và một số tinh chat mang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tính tuổi tho Vv. Các tham số đặc trưng cho tr ạng thái và cấu 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 thể tích, độ rỗng, độ đặc, độ mịn, v.
Những tính chất vật lý xác định môi 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 dang va 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 bi ến đồi hóa học và độ bền vững của vật liệu đối với tác dụng của các nhân 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 phương pháp chu ẩn theo quy di nh của tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam.
Khi đó tính chất dug c 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: cầu trúc vì mô (cầu 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 cầu tạo chất (phải dùng những thiết bị hiện đại để quan sát và nghiên cứu như kính hiễn vi điện tử, phân tích rơngen) Cấu trúc vĩ mô Bing mắt thường ng ười ta thể phân biệt các dang cầu trúc này như: đá nhân tạo đặc, cấu trúc tổ ong, cấu trúc dạng sợi, dạng lớp, dạng hạt rời.
ật liệu đá nhân tạo đặc r ất phố biến trong xây d ung như bê tông nặng, gach ố p lit, gach 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 rỗng cùng loại, nhưng. ing va tinh cach âm, cách nhiệt kém hơn. Bằng mắt thườ ng cũ ng có thê nhìn 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 hat, vết rạn nứt lớn, v.
nh ững vật liệu có những l ỗ rỗng lớn như bê tông khí, bê tông bot, chất déo t6 ong hoặc những vật liệu có những lỗ r dng 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 cùng lo ại, nhưng khả năng cách nhiệt, cách âm tốt hơn. Lượng lỗ r ỗng, kích thước, hình dạng, đặc tính và sự phân bồ của lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu. Vật li éu có cấu tạo dạ ng 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 thớ. Vật liệu có cấu trúc dạng lớp, như đ á phi Én ma, diệp thạch sét v. là vật liệu có tính dị hướng (tính chất khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu hạt r ởi 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 phẩn độ lớn và trạng thái bề mặt hạt Cau trúc vi mô của v ật liệu có thẻ là cầu tạo tỉnh thê hay vô định hình.
Cấu tạo tỉnh thể và vô định hình chỉ là hai trang thai khác nhau của cùng một chất. Ví dụ oxyt silic có thé t 6n tại ở dạng tỉnh thê thạch anh hay dạng vô định. Dạng tỉnh thê có độ bền và độô n định lớn h ơn dạng vô định hình. SiO» tinh thé không tương tác với Ca(OH); ở điề u kiện thường, trong khi đó SiO; vô định hình lại có thé tương tác với Ca(OH); ngay ở nhiệt độ thường.
Cấu tạo bên trong của các chả t là cầu tạo nguyên từ, phân tử, hình d ang kích thước của tỉnh thê, liên kết nội bộ giữa chúng. Cấu tạo bên trong của các chất quyết định cường độ, độ cứng, độ bền nhiệt và nhiều tính chất quan trọng khác Khi nghiên cứu các chất có cầu tao tinh thé, ng vời ta phải phân biệt chúng dựa vào đặc điểm củ a mô ¡ liên kết giữa các phân tir dé tạo ra mạng lưới không gian. Tùy theo kiểu liên kết, mạng lưới này có thể được hình thành từ các nguyên tử trung hỏa (kim cương, SiO2) các ion (CaCO; , kim loại), phân tử (nước đá). Liên kết cộng hóa trị được hình thành từ những đôi di én tir dung chung, trong những tỉnh thể của các chất đơn giản (kim cương, than chì) hay trong các tỉnh thể của hợp chấtgồm hai nguyên tỏ (thạch anh).
Nếu hai nguyên tử giỗ ng nhau thì cặp điện tử dùng chung thuộc cả hai nguyên tử đó. Nếu hai nguyên từ có tính ch at khác nhau thì cặp điện tử bị lệch về phía nguyên tố có tính chấtá kim mạnh hơn, tạo ra liên kết cộng hóa trị có cực (HO). 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 tắc v Gi nhau nhường điện tử cho nhau hình thành các ion âm và ion dươ ng.
Các ion trái đấu hút nhau để tạo ra phân tử. Vật liệu xây dựng có liên kết loại này (thạch cao, anhiđrit) có cường độ và độ cứng thấp, không b én nước, trong nh ững loại VLXD thườ ng gặp như canxit, fenspat với những tỉnh thể phức tạp gồm những tỉnh thê gồm cả liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Bên trong ion phức tạp CO sˆ_ là liên kết cộng hóa trị. Nhưng chính nó liên kết với Ca” bằng liên kết ion (CaCO) 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 SiO¿ liên kết với nhau bằng nh ững đỉnh chung (những nguyên tử oxi chung) tạo thành mạng lướ ¡ không gian ba chiều với nh img tinh chất đặc biệt cho VLXD. Điều đó cho phép coi chúng như là các polime vô cơ. Quan hệ giữa thành phần và tính chất Vật liệu xây dựng được đặc trưng bằng 3 thành phần: Hóa học, khoáng vật và thành phần pha.
Thành phần hóa học được biêu thị bằng % hàm lượng các oxyt có trong u. Nó cho phép phán đoán hàng loạt các tính chất của VLXD: tính chất m sinh vật, các đặc tr ưng cơ họ c và các đặc tính kỹ thuật khác. Riêng đối với kim lo ại hoặc hợp kim thì thành phần hóa học được tính bằng % các nguyên tổ hóa học Thanh phần hóa. họ c 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 soi là thành phần khoáng vật.
Thành phận khoáng vật Thành phân khoáng vật quyết định các tính chất cơ b ản của vật liệu. Khoáng 3CaO.SiO2 và 3CaO.Al2O; trong xỉ mãng pooc lăng quyết định tinh đóng rắn nhanh, chậm của xi măng, khoáng 3Al2Oa 2SiOz quyết định tính chất của vật liệu gồm. Biết đượ e thành phần khoáng vật ta có thê ta có thê phán đoán tương đối chính xác các tính chất của VLXD. Việc xác định thành ph ẳn 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: phan tích nhiệt vi sai, phân tích phổ rơnghen, laze, kính hiện vỉ điện tử v. Thành phần pha Da s 6 vat liệu khi làm việc đề u tồn tại ở pha r ắn. 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 dm). Ti 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 Oi pha làm cho tinh chất của vật liệu cùng thay do i. Ví dụ n ước chứa nhiều trong các lỗ rỗ tính chất nhiệt, âm và cường độ của vật li Ngoài vật liệu rắn, trong xây dựng còn lo ại vật liệu phổ biển ở trạng thái nhớt đèo. Các ch ất kết dính khi nhào trộn với dung môi (thud ng là nước), khi chưa rắn chắc có cấu trúc phức tạp và biến đổi theo thời gian: giai đoạn đầu ở trạng thái dung dich, sau đ 6 ở trạng thái keo.
Trạng thái này quyết định các tính chất chủ yếu của h ỗn hợp. Trong h ệ keo, mỗi hạt keo gôm có nhân keo, lớp hấp thụ và ngoài cùng là lớp khuyếch tán. Chúng được liên kết với nhau bằng.