Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu xây dựng do tác giả Phùng Văn Lự biên soạn, được Nhà xuất bản Giáo dục phát hành (do Công ty Cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề tổ chức bản thảo theo mã số xuất bản 7B643M6—DAI, số đăng ký kế hoạch xuất bản 10—2006/CXB/158—2018/GD). Tài liệu được thiết kế theo đề cương chương trình đào tạo trung học kỹ thuật xây dựng, giữ vị trí môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc trong chương trình đào tạo của hệ Trung học chuyên nghiệp và Dạy nghề ngành xây dựng cơ bản.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống kiến thức về mối quan hệ hữu cơ giữa ba yếu tố: thành phần nguyên liệu cấu tạo, đặc điểm công nghệ sản xuất và các tính chất cơ lý hóa của sản phẩm xây dựng. Qua đó, người học có khả năng xác định, tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn ngành, phục vụ công tác thiết kế cấp phối, kiểm định chất lượng, bảo quản và sử dụng vật liệu trong công trình.

Giáo trình được cấu trúc thành 12 chương chuyên đề, tiếp cận theo quan điểm xuyên suốt: "Cơ bản - Hiện đại - Việt Nam". Nội dung đi từ những quy luật vật lý, hóa học đại cương áp dụng cho vật liệu xây dựng nói chung đến các nhóm vật liệu cụ thể: vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu gốm, kính, thép, chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa, đá nhân tạo không nung, gỗ, chất kết dính hữu cơ và vật liệu sơn - giấy bồi. Điểm đặc sắc của giáo trình là sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết định lượng, công thức toán lý và quy trình thử nghiệm thực tế bám sát hệ thống TCVN hiện hành tại thời điểm biên soạn.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 12 chương, bao quát các nhóm vật liệu xây dựng thông dụng:

  • Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu: Khái quát hệ thống tính chất vật lý (khối lượng riêng $\rho$, khối lượng thể tích $\rho_0$, độ đặc $d$, độ rỗng $r$), tính chất liên quan đến nước (độ ẩm $W$, độ hút nước $W_k, W_v$, độ bão hòa $W_{bh}$, hệ số mềm $K_m$, tính thấm nước, hiện tượng mao dẫn), tính chất nhiệt (tính dẫn nhiệt $\lambda$, nhiệt dung riêng $C$, tính chống cháy và chịu lửa) và tính chất cơ học (cường độ nén $R_n$, kéo $R_k$, uốn $R_u$, độ cứng theo thang Mohs và phương pháp Brinell $H_B$, tính đàn hồi, dẻo, giòn).
  • Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên: Nguồn gốc hình thành và phân loại đá mácma (granit, gabrô, bazan, đá bọt), đá trầm tích (cát, sỏi, đất sét, đá vôi, thạch cao) và đá biến chất (đá gơnai, đá hoa, diệp thạch sét); thành phần khoáng vật chính ($SiO_2$, fenspat, mica, canxit, đôlômít); các dạng gia công (đá hộc, đá chẻ, đá dăm, đá tấm); cơ chế ăn mòn hóa học bởi $CO_2$, axit và phương pháp bảo vệ florua hóa bề mặt ($2CaCO_3 + MgSiF_6 \rightarrow 2CaF_2 + SiO_2 + MgF_2 \downarrow + 2CO_2$).
  • Chương 3: Vật liệu gốm xây dựng: Phân loại gốm; thành phần khoáng đất sét (caolinit $2SiO_2\cdot Al_2O_3\cdot 2H_2O$, montmôrilonit $4SiO_2\cdot Al_2O_3\cdot nH_2O$) và khoáng mulít ($3Al_2O_3\cdot 2SiO_2$) sau khi nung; các nhóm phụ gia (phụ gia gầy, phụ gia cháy, phụ gia tăng dẻo, phụ gia hạ nhiệt độ nung, men); quy trình sản xuất 5 công đoạn (khai thác, nhào trộn, tạo hình, phơi sấy, nung làm nguội qua lò Hopman hoặc lò Tuynen); các dòng sản phẩm: gạch chỉ (TCVN 1451-1998, TCVN 6355-1,2:1998), gạch lá dừa, gạch lát nền, gạch rỗng (TCVN 1450-1998), gạch chịu lửa samốt (TCVN 4710-1998), ngói đất sét, gạch gốm granite nung ở $1220 - 1280^\circ C$, gạch trang trí.
  • Chương 4: Vật liệu kính xây dựng: Bản chất vô định hình của silicat ($75 - 80% SiO_2$), công nghệ nấu thủy tinh ở $1500^\circ C$; các tính chất quang học, khối lượng riêng ($2500 kg/m^3$), cường độ chịu lực, khả năng dẫn nhiệt; các sản phẩm kính phẳng, kính tôi nhiệt ($540 - 650^\circ C$), kính có cốt lưới kim loại, kính hút nhiệt tia hồng ngoại, kính borosilicat bền nhiệt và blôc thủy tinh rỗng.
  • Chương 5, 6, 7, 8, 9: Khảo sát các loại thép xây dựng; chất kết dính vô cơ (vôi, thạch cao, xi măng Pooclăng và các loại xi măng khác); công nghệ chế tạo bê tông nặng, tính toán cấp phối thành phần bê tông; hỗn hợp vữa xây dựng; các sản phẩm đá nhân tạo không nung (gạch hoa xi măng, granito, canxisilicat, xi măng amiăng).
  • Chương 10, 11, 12: Cấu tạo, cơ lý tính và phương pháp sấy, bảo quản gỗ (ngâm tẩm thuốc muối, thuốc dầu crêozôt, petrolatum ở $120 - 140^\circ C$, phòng chống hà); chất kết dính hữu cơ (bitum dầu mỏ với các nhóm hóa học: chất dầu $45 - 60%$, chất nhựa $15 - 30%$, atfan $10 - 38%$, xác định độ kim lún, độ kéo dài, nhiệt độ hóa mềm vòng - bi); vật liệu sơn (chất kết dính, bột màu $TiO_2, Cr_2O_3$, chất độn, dung môi, chất làm khô muối chì - mangan $5 - 8%$, các hệ sơn dầu, sơn men ankit/epoxit, sơn khoáng silicat/ximăng), vecni, mattit và giấy bồi.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp các nguyên lý và mô hình tính toán nền tảng:

  1. Lý thuyết cấu trúc thể tích và độ rỗng: Thiết lập mối quan hệ toán học giữa thể tích đặc $V_a$, thể tích tự nhiên $V_0$ và thể tích rỗng $V_r$, xác định tương quan giữa độ rỗng kín/hở đến hệ số dẫn nhiệt $\lambda$ và khả năng hút nước của vật liệu.
  2. Cơ chế biến đổi pha và phản ứng hóa lý: Phản ứng biến đổi khoáng sét thành pha tinh thể mulít khi gia nhiệt đến $1000 - 1050^\circ C$; phản ứng cacbonat hóa và cơ chế hòa tan $CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$; phản ứng oxy hóa và trùng hợp tạo hiện tượng hóa già ở bitum.
  3. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá độ bền cơ học: Phương pháp thí nghiệm phá hoại và không phá hoại (sóng siêu âm); nguyên lý tính toán ứng suất nén ($R_n = P/F$), ứng suất uốn dầm đơn giản 1 lực ($R_u = \frac{3PL}{2bh^2}$) hoặc 2 lực ($R_u = \frac{2PL}{bh^2}$); thang đo độ cứng khoáng vật Mohs (10 cấp từ Tan đến Kim cương) và độ cứng vết lõm Brinell ($H_B$).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật và thí nghiệm: Thao tác sử dụng bình tỷ trọng le Chatelier xác định $\rho$; phương pháp bọc parafin xác định thể tích tự nhiên $V_0$; phương pháp luộc mẫu hoặc hạ áp suất chân không 20 mmHg xác định độ bão hòa nước; vận hành thiết bị đo độ kim lún và thiết bị đo độ kéo dài của bitum; gia công mẫu thử gạch nén/uốn theo TCVN 6355:1998.
  • Kỹ năng phân tích và tính toán: Tính toán hệ số mềm $K_m = R_{bh}/R_k$ để đánh giá khả năng làm việc của vật liệu dưới nước ($K_m > 0,75$); tính toán truyền nhiệt qua kết cấu bao che phẳng ($Q = \frac{\lambda \cdot F(t_1 - t_2)\tau}{a}$); tính toán tỷ nhiệt của vật liệu hỗn hợp nhiều thành phần.
  • Kỹ năng ứng dụng và thi công: Lựa chọn đúng chủng loại vật liệu theo môi trường (đá chịu axit, gạch chịu lửa samốt, sơn men epoxit chống ăn mòn); áp dụng quy trình bảo quản, chống mối mọt, chống hà cho gỗ; thực hiện trình tự các lớp sơn phủ tiêu chuẩn (xử lý nền - sơn lót - bồi mattit - sơn màu - phủ bóng vecni).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm thực nghiệm kết hợp diễn dịch kỹ thuật. Mỗi chương đều triển khai theo trình tự chuẩn mực: định nghĩa khái niệm $\rightarrow$ giải thích bản chất hóa lý và cấu tạo khoáng $\rightarrow$ phân tích quy trình công nghệ chế tạo $\rightarrow$ thiết lập công thức tính toán chỉ tiêu $\rightarrow$ hướng dẫn phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn $\rightarrow$ đối chiếu phạm vi ứng dụng trong xây dựng.

Hệ thống bài tập và ví dụ tính toán được tích hợp trực tiếp vào nội dung bài học. Điển hình như các bài toán xác định thể tích tự nhiên bằng phương pháp bọc sáp parafin ($V_p = \frac{m_2 - m_1}{\rho_p}$ với $\rho_p = 0,93 g/cm^3$), bài toán tính hệ số dẫn nhiệt tương đương khi vật liệu thay đổi độ ẩm và độ rỗng, cũng như các bài tập tính cấp phối vữa và bê tông nặng.

Phần thực hành thí nghiệm được mô tả chi tiết cả về kích thước mẫu chuẩn, dung sai cho phép và điều kiện môi trường:

  • Mẫu nén bê tông ($15\times 15\times 15 cm$), mẫu nén đá thiên nhiên ($5\times 5\times 5 cm$), mẫu vữa ($7,07\times 7,07\times 7,07 cm$).
  • Quy trình cưa đôi viên gạch, trát phẳng mặt tiếp xúc bằng hồ xi măng PC30 (chiều dày mạch ghép $\le 5 mm$, lớp mặt $\le 3 mm$) và dưỡng hộ 3 ngày đêm trước khi nén theo TCVN 6355-1:1998.
  • Phương pháp xác định nhiệt độ hóa mềm bitum bằng dụng cụ "vòng và bi" với tốc độ gia nhiệt tiêu chuẩn $5^\circ C/\text{phút}$.

Phương pháp đánh giá học phần tập trung vào hai mảng: đánh giá lý thuyết nắm vững các định nghĩa, công thức, bảng phân loại mác (như mác gạch đặc 50, 75, 100, 125, 150 theo TCVN 1451-1998) và đánh giá kỹ năng thực hành thông qua độ chính xác của số liệu thí nghiệm, khả năng xử lý sai số và đối chiếu kết quả với tiêu chuẩn kỹ thuật nhà nước.

Đối với việc tự học, người học cần bám sát các bước: (1) Nghiên cứu cấu trúc phân tử và khoáng vật tạo đá/vật liệu; (2) Ghi nhớ các công thức tính toán và đơn vị đo lường; (3) Vẽ lại các sơ đồ công nghệ (lò nung, sơ đồ gia tải uốn/nén); (4) Tra cứu các bảng chỉ tiêu cơ lý để rèn luyện kỹ năng phân loại và nghiệm thu sản phẩm.

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình đã cập nhật và tích hợp nhiều nội dung kỹ thuật mới so với các tài liệu giảng dạy giai đoạn trước:

  1. Cập nhật hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): Cuốn sách thay thế các chỉ dẫn kỹ thuật cũ bằng các tiêu chuẩn quốc gia ban hành cuối thập niên 1990, bao gồm TCVN 1451-1998 (gạch đặc đất sét nung), TCVN 1450-1998 (gạch rỗng đất sét nung), TCVN 6355-1:1998 và TCVN 6355-2:1998 (phương pháp xác định cường độ nén và uốn của gạch), TCVN 4710-1998 (gạch chịu lửa samốt).
  2. Đưa vào các loại vật liệu xây dựng hiện đại: Giáo trình bổ sung kiến thức về gạch gốm granite đồng chất (ép áp lực cao $400 kG/cm^2$, nung $1220 - 1280^\circ C$, cường độ nén $> 500 kG/cm^2$, độ hút nước $< 0,5%$), các chủng loại kính chuyên dụng (kính tôi nhiệt chịu va đập, kính có cốt thép chống vỡ rơi, kính hấp thụ tia hồng ngoại $70 - 75%$, kính borosilicat chịu chênh lệch nhiệt $200^\circ C$), các hệ sơn polymer-ximăng và vecni không chứa dầu gốc urê-fomandehit.
  3. Phản ánh công nghệ sản xuất công nghiệp thực tế: Nội dung không chỉ dừng lại ở phương pháp thủ công mà đi sâu vào công nghệ lò nung liên tục (lò tuynen, lò vòng Hopman), công nghệ sấy nhân tạo kiểm soát nhiệt ẩm, thiết bị ép đùn hút chân không trong sản xuất gốm xây dựng, cũng như quy trình sản xuất cơ giới hóa đá dăm, đá tấm tại Việt Nam.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Bậc đào tạo và chuyên ngành: Giáo trình là tài liệu học tập chính quy dành cho học sinh, sinh viên các trường Trung học Kỹ thuật Xây dựng, các trường Trung học Chuyên nghiệp và cơ sở Dạy nghề thuộc khối ngành Xây dựng công trình thủy, Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Xây dựng cầu đường và Kỹ thuật hạ tầng.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Người học cần hoàn thành các học phần Hóa học đại cương (đặc biệt là hóa vô cơ: oxit, muối silicat, phản ứng thủy hóa và phản ứng ăn mòn axit/cacbonic), Vật lý đại cương (cơ học tĩnh học, ứng suất, biến dạng đàn hồi/dẻo, truyền nhiệt) và Toán học cơ bản để giải các hệ phương trình tính cấp phối.
  • Đối với giảng viên: Tài liệu cung cấp khung đề cương chi tiết, hệ thống số liệu thực nghiệm, thông số hình học tiêu chuẩn của các loại mẫu thử (bảng 1.1) và các sơ đồ thí nghiệm (hình 1.1 đến 12.1), phục vụ trực tiếp cho việc soạn bài giảng, thiết kế bài thí nghiệm và ra đề thi chuyên môn.
  • Đối với cán bộ kỹ thuật và công nhân xây dựng: Cuốn sách có giá trị như một tài liệu tra cứu hiện trường về định mức kỹ thuật, kích thước quy chuẩn của gạch xây, ngói lợp, gạch chịu lửa, đặc tính của các mác bitum, phương pháp bảo quản vật liệu gỗ và kỹ thuật thi công lớp phủ bảo vệ công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh hệ trung học chuyên nghiệp và công nhân kỹ thuật ngành xây dựng. Đồng thời, sách là tài liệu tham khảo cho sinh viên cao đẳng, đại học khối kỹ thuật công trình và các kỹ thuật viên thí nghiệm hiện trường.

2. Cần trang bị kiến thức nền nào trước khi học?

Người học cần có kiến thức cơ bản về Hóa học vô cơ (thành phần các oxit $SiO_2, Al_2O_3, CaO, Fe_2O_3$, khoáng vật cacbonat, sunphat), kiến thức Vật lý đại cương (khối lượng, thể tích, áp suất, nhiệt lượng, ứng suất phá hoại) và kỹ năng tính toán toán học phổ thông.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu khác?

Giáo trình kết hợp đồng thời giữa lý thuyết cơ sở và các phương pháp thử nghiệm cơ lý cụ thể. Tài liệu bám sát thực tiễn công nghệ sản xuất tại Việt Nam, viện dẫn trực tiếp các quy chuẩn TCVN năm 1998 và đưa ra hướng dẫn chi tiết về kích thước mẫu thử cũng như phương pháp tính toán thực tế.

4. Phương pháp tự học giáo trình đạt hiệu quả cao nhất là gì?

Học viên nên học theo sơ đồ logic: nắm vững bản chất khoáng vật $\rightarrow$ học thuộc các công thức và đơn vị đo lường $\rightarrow$ phân tích các bảng số liệu so sánh tính năng kỹ thuật $\rightarrow$ giải các bài toán tính khối lượng, độ rỗng, cường độ và phân cấp mác vật liệu theo tiêu chuẩn.

5. Giáo trình có những tài liệu tham khảo bổ trợ nào?

Sách được biên soạn dựa trên nguồn tài liệu tham khảo chính thống, bao gồm Giáo trình Vật liệu xây dựng (Lê Đỗ Chương, Phan Xuân Hoàng, Bùi Sĩ Thạnh, NXB Đại học và THCN, 1977), Tuyển tập tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam - Tập X: Phương pháp thử (NXB Xây dựng, 1997), cùng tài liệu học thuật quốc tế Obshchiy kurs stroitelnykh materialov của tác giả M.V. Vorobyov (Moskva, 1981).

Kết luận

Giáo trình Vật liệu xây dựng của tác giả Phùng Văn Lự là công trình biên soạn mang tính học thuật và thực tiễn, cung cấp toàn diện các quy luật biến tính, phương pháp thử nghiệm cơ lý và kỹ thuật sử dụng các chủng loại vật liệu xây dựng cơ bản tại Việt Nam.

Lộ trình học tập khuyến nghị bắt đầu từ việc làm chủ lý thuyết chỉ tiêu cơ lý đại cương ở Chương 1, tiếp nối qua các nhóm vật liệu kết cấu vô cơ tự nhiên và nhân tạo (Chương 2 đến 9), sau đó hoàn thiện với các nhóm vật liệu hữu cơ, vật liệu gỗ và vật liệu hoàn thiện (Chương 10 đến 12). Người học nên kết hợp nghiên cứu giáo trình song song với việc tra cứu các tập Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam chuyên ngành để hoàn thiện năng lực chuyên môn trong lĩnh vực xây dựng cơ bản.