Giáo trình Vật liệu Xây dựng - Trường Đại học Thủy lợi, Nxb Xây dựng, 2006

Tài liệu giáo trình vật liệu xây dựng của Nguyễn Thúc Tuyên, cung cấp kiến thức chuyên sâu về các loại vật liệu xây dựng, tính chất kỹ thuật và ứng dụng thực

• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Vật liệu Xây dựng
• Đề tài: Vật liệu Xây dựng
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình vật liệu xây dựng NXB Xây dựng 2006

Giáo trình Vật liệu Xây dựng do tác giả Nguyễn Thúc Tuyên biên soạn, Nhà xuất bản Xây dựng ấn hành năm 2006, dày 364 trang. Đây là tài liệu giảng dạy chính quy dành cho sinh viên các chuyên ngành Thủy công, Thủy nông và Thi công thuộc Trường Đại học Thủy lợi. Nội dung giáo trình bám sát phương châm "cơ bản, hiện đại và Việt Nam", kết hợp giữa lý thuyết nền tảng và quy phạm kỹ thuật hiện hành. Giáo trình trình bày nguyên lý sản xuất các loại vật liệu xây dựng phổ biến như xi măng, bê tông, thép, gỗ và vật liệu chống thấm. Phần trọng tâm đi sâu phân tích tính năng kỹ thuật và biện pháp xử lý vật liệu theo tiêu chuẩn quy phạm. Tài liệu còn tham khảo kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm cùng các công trình nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước. Với dung lượng 364 trang, giáo trình cung cấp kiến thức toàn diện, phục vụ cả mục đích học tập và tham khảo ứng dụng trong thực tế thi công xây dựng.

1.1. Bố cục và cấu trúc nội dung giáo trình

Giáo trình vật liệu xây dựng Nguyễn Thúc Tuyên được tổ chức theo hệ thống logic, từ tổng quan đến chi tiết từng loại vật liệu. Phần đầu giới thiệu ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của vật liệu xây dựng và lịch sử phát triển ngành. Các chương tiếp theo trình bày xi măng, bê tông thường, bê tông đặc biệt, kim loại xây dựng và vật liệu chống thấm. Mỗi loại vật liệu đều được phân tích thành phần, tính chất cơ lý, phương pháp thử nghiệm và quy phạm ứng dụng. Bảng tra cứu liều lượng bê tông được trình bày chi tiết, thuận tiện cho việc tính toán thiết kế phối hợp trong thực tế thi công.

1.2. Đối tượng sử dụng và phạm vi ứng dụng

Giáo trình hướng đến sinh viên chuyên ngành thi công công trình thủy lợi, thủy công và giao thông tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật. Ngoài đối tượng chính là sinh viên, tài liệu còn phục vụ kỹ sư thi công, cán bộ tư vấn giám sát và nhà thầu xây dựng cần tra cứu quy phạm vật liệu. Nội dung giáo trình áp dụng cho cả công trình dân dụng, giao thông và công trình thủy lợi. Với tính thực tiễn cao, giáo trình được sử dụng làm tài liệu tham khảo chính thức trong đào tạo nghề và bồi dưỡng chuyên môn tại nhiều cơ sở giáo dục trên cả nước.

II. Phân tích nội dung cốt lõi trong giáo trình vật liệu xây dựng

Giáo trình vật liệu xây dựng 364 trang tập trung phân tích ba nhóm vật liệu chủ yếu: xi măng và bê tông, kim loại xây dựng, vật liệu chống thấm cách nhiệt. Phần xi măng trình bày chi tiết thành phần khoáng C3S, C2S, C3A, C4AF và vai trò của từng thành phần trong quá trình thủy hóa. Giáo trình giải thích cơ chế ngưng kết và rắn chắc của vữa xi măng, ảnh hưởng của tỷ lệ nước xi măng đến chất lượng bê tông. Phần bê tông cung cấp bảng liều lượng phối hợp chi tiết với nhiều cấp độ sụt và mác bê tông khác nhau. Cụ thể, tỷ lệ phối hợp theo khối lượng cho bê tông có độ sụt 8-12cm được tính sẵn với xi măng từ 204 đến 380 kg trên mỗi mét khối. Giáo trình cũng đề cập đến phụ gia hóa học như CaCl2 tác dụng ngưng kết nhanh, cùng cảnh báo về hạn chế sử dụng trong công trình có cốt thép do nguy cơ ăn mòn.

2.1. Xi măng Portland và cơ chế thủy hóa

Xi măng Portland là vật liệu kết dính thủy lực, được sản xuất từ clinker nghiền mịn cùng thạch cao. Giáo trình phân tích bốn khoáng chính: C3S tạo cường độ sớm, C2S cho cường độ muộn, C3A ảnh hưởng đến thời gian ngưng kết, C4AF có vai trò thứ yếu. Quá trình thủy hóa diễn ra khi xi măng tiếp xúc nước, tạo ra gel CSH và Ca(OH)2. Nhiệt thủy hóa của xi măng biến động trong khoảng 27-90 cal/g sau 3 ngày. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng kết bao gồm thành phần khoáng, lượng nước nhào trộn, nhiệt độ môi trường và phụ gia hóa học.

2.2. Bê tông thường và kỹ thuật phối hợp liệu

Bê tông thường gồm xi măng, nước, cát và cốt liệu thô được phối hợp theo tỷ lệ thiết kế. Giáo trình cung cấp bảng liều lượng tính sẵn cho nhiều điều kiện khác nhau, ví dụ bê tông mác 250 với cốt liệu Dmax 40mm có tỷ lệ 1-1.6-3.4, lượng xi măng 360 kg/m3. Tỷ lệ nước xi măng quyết định độ sụt và cường độ bê tông, dao động từ 0.50 đến 0.85. Cát trung bình có Mx từ 2.0-2.5 được ưu tiên sử dụng. Đá cấp phối tốt đảm bảo cường độ và tính thi công của hỗn hợp bê tông trong các công trình xây dựng thực tế.

III. Phương pháp học tập và ứng dụng giáo trình vật liệu xây dựng

Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình vật liệu xây dựng 364 trang, cần áp dụng phương pháp học tập hệ thống kết hợp thực hành. Trước tiên, nắm vững lý thuyết nền tảng về cấu tạo phân tử và cơ chế phản ứng của từng loại vật liệu. Thứ hai, ghi nhớ các thông số kỹ thuật quan trọng như tỷ lệ phối hợp bê tông, thời gian ngưng kết, cường độ chịu nén. Thứ ba, vận dụng kiến thức vào tính toán thiết kế phối hợp liệu thực tế. Giáo trình cung cấp bảng tra cứu chi tiết cho nhiều loại cốt liệu khác nhau, từ sỏi đến đá dăm, với nhiều cấp độ sụt và mác bê tông. Việc thực hành tính toán trên các số liệu thực tế giúp củng cố kiến thức và phát triển kỹ năng nghề nghiệp. Ngoài ra, cần thường xuyên cập nhật quy phạm xây dựng mới nhất để bổ sung kiến thức từ giáo trình gốc năm 2006.

3.1. Kỹ thuật ghi nhớ và hệ thống hóa kiến thức

Phương pháp sơ đồ tư duy giúp hệ thống hóa kiến thức vật liệu xây dựng hiệu quả. Nên lập bảng so sánh tính chất các loại xi măng Portland: PCB30, PCB40, PCB50 theo cường độ, thời gian ngưng kết và ứng dụng. Ghi nhớ tỷ lệ phối hợp bê tông qua quy tắc: giảm tỷ lệ N/XM sẽ tăng cường độ nhưng giảm tính thi công. Áp dụng học theo nhóm chủ đề: vật liệu kết dính, cốt liệu, bê tông, kim loại. Liên hệ lý thuyết với hiện tượng thực tế như nứt bê tông do nhiệt thủy hóa hoặc ăn mòn cốt thép để加深 hiểu biết và ghi nhớ lâu dài kiến thức đã học.

3.2. Ứng dụng thực tế trong thi công xây dựng

Kiến thức từ giáo trình được ứng dụng trực tiếp trong công tác thi công bê tông tại công trường. Kỹ sư sử dụng bảng liều lượng để tính toán định mức vật liệu cho từng mét khối bê tông. Ví dụ, bê tông độ sụt 8-12cm với đá Dmax 40mm và cát Mx 2.0-2.5 cần 360 kg xi măng, 568 kg cát, 1231 kg đá và 180 lít nước. Việc kiểm soát tỷ lệ nước xi măng đảm bảo cường độ thiết kế. Giáo trình cũng hướng dẫn sử dụng phụ gia CaCl2 đúng cách, chỉ áp dụng cho công trình không có cốt thép với liều lượng 1-25% để tránh ăn mòn thép và ứng suất nhiệt gây nứt.

IV. Kết luận và tầm quan trọng của giáo trình vật liệu xây dựng

Giáo trình Vật liệu Xây dựng của tác giả Nguyễn Thúc Tuyên, NXB Xây dựng 2006, 364 trang, là tài liệu đào tạo có giá trị lâu dài trong lĩnh vực xây dựng. Nội dung giáo trình đáp ứng yêu cầu "cơ bản, hiện đại và Việt Nam", cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc về vật liệu xây dựng cho sinh viên và kỹ sư. Giá trị cốt lõi nằm ở phần phân tích tính năng kỹ thuật và biện pháp xử lý vật liệu theo quy phạm hiện hành. Giáo trình nhấn mạnh vật liệu xây dựng chiếm 50-75% giá thành công trình, chất lượng vật liệu quyết định 70% hiện tượng công trình không đảm bảo. Đây là bằng chứng thuyết phục về tầm quan trọng của việc nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu. Mặc dù xuất bản năm 2006, nguyên lý cơ bản về xi măng, bê tông và kim loại xây dựng vẫn giữ nguyên giá trị. Giáo trình tiếp tục được sử dụng làm tài liệu tham khảo tại nhiều cơ sở đào tạo kỹ thuật xây dựng trên toàn quốc.

4.1. Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của vật liệu xây dựng

Vật liệu xây dựng có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và giá thành công trình. Thống kê cho thấy chi phí vật liệu chiếm 74-75% giá thành công trình dân dụng, 70% công trình giao thông và 50% công trình thủy lợi. Chất lượng vật liệu không đạt yêu cầu là nguyên nhân chính gây ra 70% hiện tượng công trình kém chất lượng. Việc tổ chức khai thác, cung cấp vật liệu đúng quy cách, đồng bộ và kịp thời ảnh hưởng lớn đến tiến độ thi công. Do đó, hiểu biết sâu về vật liệu xây dựng là yêu cầu bắt buộc đối với mọi kỹ sư thi công.

4.2. Hướng phát triển và cập nhật kiến thức

Giáo trình vật liệu xây dựng năm 2006 cần được bổ sung kiến thức mới về vật liệu tiên tiến. Các loại bê tông cường độ cao, bê tông tự lèn, bê tông xanh đang trở thành xu hướng xây dựng bền vững. Vật liệu composite sợi carbon, sợi thủy tinh thay thế thép truyền thống trong nhiều ứng dụng. Công nghệ phụ gia hóa học thế hệ mới cải thiện tính năng bê tông vượt bậc. Tiêu chuẩn TCVN về bê tông và vật liệu xây dựng liên tục được cập nhật. Kỹ sư và sinh viên cần kết hợp kiến thức nền tảng từ giáo trình gốc với tài liệu kỹ thuật mới nhất để đáp ứng yêu cầu xây dựng hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NHŨNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG §1. KHÁI QUÁT các điều kiện Để sử dụng tốt vật liệu, cần nắm vững các tính chất cơ, lý và hóa học, chịu lực và môi-trường mà vật liệu phải làm viéc. Tính chất của vật liệu được xét trên một số mặt cơ bản sau đây: rỗng, độ đặc - Những tính chất vật lý như: khối lượng riêng, khối lượng đơn vị, độ tới nước như: độ và các yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đó. Một số tính chất liên quan ẩm, mức hút nước, hệ số bão hòa, hệ số thấm và mối quan hệ giữa chúng: hóa học, tính - Sức chịu của vật liệu đối với các nhân tố hóa học như: tính ổn định chống xâm thực của môi trường; và mòn.

- Những tính chất cơ học như: cường độ, độ cứng, độ mài mòn, độ nhiệt, tính - Các tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt như: tính chịu cách nhiệt, tính chống cháy, tính dẫn nhiệt v. vật liệu cho phù Ngoài ra, tùy môi trường làm việc và điều kiện chịu lực mà chọn cao hơn vật liệu hợp. Vật liệu dùng cho các công trình thủy lợi có yêu cầu chất lượng chống thấm, chống dùng cho các công trình kiến trúc dân dụng khác; trong đó yêu cầu xâm thực của môi trường nước cần hết sức chú ý. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 1.

Khối lượng riêng (y,) trạng thát hoàn Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở toàn đặc (bên trong không có lỗ rỗng): Y= Gkv ,(g/cm) ; (1-1) a Trong đó: y„ - khối lượng riêng, (g/cm)); G* - khối lượng của mẫu vật liệu đã sấy khô, (g): V,- thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, (cm). 10 Khối lượng riêng (y,) được sử dụng để tính toán. độ rỗng, độ đặc và phán đoán chất : lượng của vật liệu. Các loại vật liệu xây dựng thường có khối lượng riêng lớn hơn l.

Khối lượng riêng của một số vật liệu a ` toạiat vậtvat liệuli¢ Khối (glem° lượng) riêng Đá thiên nhiên 22+33 Vật liệu hữu cơ (gỗ, chất dẻo, bitum, đầu chung, dau son, vécni) 0,8 = 1,6 Gang, thép. 725 + 8,25 Gạch đất sét nung 2,60 + 2,65 Bê tông nặng _ 2,10 + 2,60 II. Khối lượng đơn vị (y,) Khối lượng đơn vị là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu khô ở trạng thái tự nhiên (bên trong có lỗ rỗng): Yo = vn (g/cm)) | (1-2) Trong đó: y„- khối lượng đơn vị, (g/cm)); G,, - kh6i lượng mẫu vật liệu, (g); V,,- thé tich mau vat liệu ở trạng thái tự nhiên (bên trong có lỗ rỗng), (cm)). Khối lượng đơn vị của các loại vật liệu hạt rời (cát, sỏi, đá đăm.) gọi là khối lượng đơn vị xốp, vì khi xác định đã bỏ qua lỗ rỗng trong nội bộ từng hạt, chỉ xét lỗ rỗng giữa các hạt với nhau.

Khối lượng riêng của các vật liệu này thực tế là khối lượng đơn vị hạt. Người ta sử dụng khối lượng đơn vị (y,) để: - Phán đoán cường độ, độ bền, hệ số truyền nhiệt của vật liệu; - Tính toán xác định phương tiện vận chuyển; ~ Tính khối lượng và thể tích của kết cấu. Các vật liệu xây dựng thường có khối lượng đơn vị nhỏ hơn khối lượng riêng, chỉ có các vật liệu đặc chắc như kính, kim loại, bitum, một số chất dẻo, chất lỏng có khối lượng đơn vị gần bằng khối lượng riêng. Khối lượng đơn vị của vật liệu biến động trong phạm vi lớn khoảng từ 10kg/m' (bông) đến 7850kg/m` (sắt, thép).

Khối lượng đơn vị của một số vật liệu Loại vật liệu Khối lượng đơn vị oe .400 ˆ Gạch đất sét nung 1.900 - Bê tông thường 2.400 Xi mang 6 trang thai chat 1.700 Cát ở trạng thái khô — 1450+ 1. Độ đặc tích tự nhiên Độ đặc là tỷ số tính theo phần trăm giữa thể tích hoàn toàn đặc và thể (bên trong có lỗ rỗng) của vật liệu. Độ đặc ký hiệu là đ%: đ% =—+ (1-3) Theo (1-1) và (1-2) thì: k k Vv, =28; vi =e Ya Yo d% Ye =--100% an (1-4) nén: Va - Độ đặc của tất cả các loại vật liệu đ% < 100%. Độ rỗng tự nhiên của Độ rỗng là tỉ số tính theo phần trăm giữa thể tích rỗng so với thể tích là V,, thể tích tự vật liệu, kí hiệu độ rỗng là r%.

Nếu ta gọi thể tích rỗng của vật liệu nhién 1a V,,. Ta cd: 1% = 5V 100% (1-5) 0 V, = Vv. : Lỗ rỗng nhỏ khi kích thước từ J + — mm 100 1000 Lỗ rỗng lớn khi kích thước từ ng đến I,2mm. Các loại vật liệu hạt rời (cát, sỏi, đá dãm.) khi xác định r% đã bỏ qua lỗ rỗng trong nội bộ từng hạt, chỉ xét lỗ rỗng giữa các hạt với nhau.

Xu hướng chung trong xây dựng hiện nay là tìm các loại vật liệu có độ rỗng lớn nhưng phẩm chất tốt (gạch rỗng. bê tông nhẹ). Độ rỗng được sử dụng để: - Đánh giá cường độ, hệ số thấm và hệ số truyền nhiệt của vật liệu. - Tính toán cấp phối bê tông.

Độ rỗng của một số vật liệu Loại vật liệu _ Độ rồng, (%) Vật liệu hạt rời (cát, sỏi, đá dăm.) 20 + 60 Vật liệu gỗ 10 + 30 Đá granít 0,05 + 0,5 Gach dat sét nung ~ 25+ 35. Khối lượng riêng, khối lượng đơn vị, độ rỗng, độ đặc là những tính chất vật lý cơ bản của vật liệu, nó có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế và có liên quan hữu cơ với nhau. Độ rỗng càng bé thì cường độ càng lớn. Những tính chất vật lý có liên quan với nước Các công trình thủy công, công trình thủy lợi làm việc trong môi trường nước.

Khi sử dụng vật liệu để xây dựng chúng ngoài việc đảm bảo cường độ, cần phải chú ý đến các tính chất vật lý có liên quan với nước: 1. Các dạng nước tổn tại ở trong vật liệu rắn Trong các vật liệu rắn thường tồn tại ba dạng nước: 13 a) Nước két tinh: Nước kết tinh là loại nước kết hợp hóa học mà các phân tử sắp xếp có quy luật và tồn tại ổn định. Ví dụ: Đất cao lanh: Al,O,. Thạch cao sống: CaSO,.

b) Nước hấp phụ: Nước hấp phụ là màng nước rất mỏng (độ dày khoảng 10” + 10”mm) bao chặt mặt ngoài các hạt vật liệu. Lực bám có thé dat hàng vạn kG/cmỶ. Nguyên nhân hình thành màng nước hấp phụ là do mặt ngoài hạt vật liệu có suất căng mặt ngoài và các phân tử nước có cực tính. Các loại vật liệu có cấu tạo hạt càng mịn, suất căng mặt ngoài càng lớn thì màng nước hấp phụ càng tồn tại ổn định.

c) Nước mạo quản: Là nước phân bố trong các mao quản của vật liệu. Mặt nước trong mao quản tồn tại dạng mặt cong lõm hay lồi tùy theo vật liệu là loại ưa nước hay ngăn nước. Do tồn tại dạng mặt cong, nên điểm sôi và điểm đóng băng của nước mao quản khác với nước bình thường. Đường kính mao quản càng nhỏ, thì bán kính cong của mặt nước càng lớn, do đó điểm sôi và điểm đóng băng càng khác với nước bình thường.

Với vật liệu ưa nước, nước mao quản tồn tại dạng mặt cong lõm, các phân tử ở trên bẻ mặt khó thoát ra ngoài nên áp suất bão hòa hơi thấp, do đó điểm sôi cao và điểm đóng băng thấp. Với vật liệu ngăn nước, nước mao quản tồn tại dạng mặt cong lồi thì kết quả ngược lại. Nước mao quản có ảnh hưởng lớn đến cường độ và tính bền của vật liệu. Hiện tượng nuóc làm ướt mặt ngoài vật liệu Mặt ngoài vật liệu có bị ướt hay không là do giá trị góc ướt quyết định (góc 9 được tạo thành do tương quan giữa các suất căng của bề mặt của chất lỏng).

Điều kiện cân bằng của hiện tượng làm ướt mặt ngoài vật liệu là: Ơ; =ƠØ; + G,cos9 hay:. Ø;—Ơx3 cos@0 = 2 9; 92 g Trong đó: 4 3 Ơ;, Ơ;, O, - cdc hé sé suat cang mặt ngoài của chất lỏng. Nếu lực hút giữa các phân tử chất lỏng yếu hơn lực hút phân tử giữa: mặt vật liệu rắn - - với các phân tử nước thì nước sẽ chảy lan ra trên mặt vật liệu rắn, vật liệu sẽ bị ướt. Ví dụ: nước nhỏ trên mặt bê tông, gạch xây.

Nếu lực hút giữa các phân tử chất lỏng mạnh hơn, sự thấm ướt không xảy ra, chất - lỏng có xu hướng tụ lại thành giot. Ví dụ: thủy ngân trên bề mặt các vật liệu á kim rắn. a) Vật liệu ta nước; b) Vật liệu ngăn nước Góc 6 đặc trưng cho khả năng của nước thấm ướt bề mặt vật liệu rắn. 8 = 0° vat liéu bi nước làm ướt hoàn toàn.

Ô = 180° vật liệu hoàn toàn không bị nước làm ướt, vật liệu này rất ít gặp trong thực tế. Trong thực tế xây dựng người ta quy định rằng: Nếu 9 < 90° - vật.Hệu ưa nước, nước dễ làm ướt mặt ngoài vật liệu. 9 > 909 - vật liệu ngăn nước, nước khó làm ướt mặt ngoài vật liệu. Vật liệu dùng để xây dựng các công trình thủy công có góc ướt Ð càng lớn thì khả năng chống thấm càng tốt.

Các vật liệu ngăn nước thường được sử dụng để chống thấm trong các công trình - thủy công là nhựa đường, pôlime, vật liệu trùng hợp của pôlime, các vật liệu hỗn hợp với pôlime như vữa xi măng pôlime, bê tông xi mang polime v. Hiện tượng thấm mao quan Hiện tượng thấm mao quản chỉ xảy ra đối với các loại vật liệu ưa nước. Đây là một trong nhiều đạng thấm của nước qua vật liệu xốp. Giữa các hạt của vật liệu ưa nước bao giờ cũng có những khe hở nhỏ thông với nhau.

Khi tiếp xúc với nước, nước sẽ thấm qua các khe đó gây ra hiện tượng thấm mao quản. Nhiều vật liệu xây dựng như gạch, đất sét, v. cột nước mao quản có thể lên cao mấy mét so với mực nước bên ngoài. Vật liệu ngăn nước về lý thuyết không thấm nước, nhưng trong thực tế xây dựng vẫn xảy ra hiện tượng thấm khuếch tán, mặc dù lượng thấm đó không đáng kể.

a) Vật liệu ưa nước; b) Vật liệu ngăn nước. Nguyên nhân gây ra hiện tượng thấm mao quản là do áp suất phụ p. Áp suất phụ p sẽ làm cột nước mao quản cao hay thấp hơn so với mực nước bên ngoài là tùy theo vật liệu đó ưa nước hay ngăn nước.4 Lực kéo cột nước lên theo phương thẳng đứng là: df = ocosOd/ f=ơcos6đdl f = Gcos 0.2nR ˆ Áp p suất suất phụ: phụ: p= P= = nã. 20 cos0 PF— mg = (1-7) 16 Trong đó: .