CHƯƠNG 1 NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1. KHÁI NIỆM Các vật liệu xây dựng có thể tồn tại ở trạng thái rắn hay lỏng, có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo, có bản chất vô cơ hay hữu cơ. Bản chất vật lý của vật liệu ñược xác ñịnh bằng các thông số vật lý ñặc trưng cho thành phần và cấu trúc, thí dụ như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, ñộ rỗng, ñộ mịn, v. v… Khi ñã sử dụng vào các công trình xây dựng, quá trình khai thác, sử dụng vật liệu thường xuyên phải chịu tác ñộng tải trọng bên ngoài và các ñiều kiện môi trường.
Những tác ñộng này là các quá trình cơ học, vật lý, hoá học… có thể ảnh hưởng trực tiếp ñến vật liệu và thậm chí có thể phá hoại công trình. Bởi vậy vật liệu xây dựng cần phải có ñủ khả năng ñáp ứng với mọi ñiều kiện làm việc của công trình ñể ñảm bảo an toàn cho nó trong suốt thời gian khai thác sử dụng như thiết kế dự ñịnh. Những khả năng này cùng với các thông số vật lý ñã nêu trên ñược gọi là các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng. ðể nghiên cứu và sử dụng vật liệu xây dựng, có thể phân chia các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng thành những tính chất như : nhóm các thông số ñặc trưng trạng thái và cấu trúc, nhóm các tính chất vật lý có liên quan ñến n- ước, nhóm các tính chất vật lý có liên quan ñến nhiệt, nhóm các tính chất cơ học, nhóm tính chất hoá học….
Ngoài ra còn có một số các tính chất mang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tuổi thọ v. Các tính chất của một vật liệu xây dựng ñược quyết ñịnh bởi thành phần và cấu trúc nội bộ của nó. Bởi vậy thay ñổi thành phần và cấu trúc của một loại vật liệu sẽ làm cho tính chất của vật liệu ñó thay ñổi. ðó chính là cơ sở ñể cải thiện tính chất của các vật liệu truyền thống và ñể nghiên cứu phát triển những vật liệu mới.
Các tính chất của vật liệu xây dựng ñược xác ñịnh theo các phép thử và tiêu chuẩn thí nghiệm ñã qui ñịnh chặt chẽ trong các tiêu chuẩn nhà nước Design By haughtycool 2 Copyright By Focebk.com (TCVN) ñể tránh ảnh hưởng của các yếu tố khách quan. Ngoài hệ thống tiêu chuẩn nhà nước còn có thể sử dụng các tiêu chuẩn ngành (TCN). Cùng với thời gian, các tiêu chuẩn này thường ñược thay ñổi ñể phù hợp với trình ñộ sản xuất và nhu cầu sử dụng ngày càng cao. Trong khi thực hiện các dự án hợp tác quốc tế còn có thể chọn những tiêu chuẩn quốc tế thích hợp ñể sử dụng.
Việc nghiên cứu nắm vững các tính chất của vật liệu xây dựng là cần thiết ñể làm cơ sở cho việc so sánh, ñánh giá chất lượng , lựa chọn vật liệu và qui mô, kết cấu công trình xây dựng nhằm ñạt hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Trong phạm vi chương này chỉ ñề cập ñến những thông số trạng thái và ñặc trư- ng cấu trúc, cùng với những tính chất vật lý và tính chất cơ học quan trọng nhất của các vật liệu xây dựng. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI VÀ ðẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 2. Khối lượng riêng: Khối lượng riêng ρ là khối lượng của ñơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn ñặc.
Khối lượng riêng ñược tính bằng công thức: m ρ= , ( g/cm3) Va trong ñó: m- khối lượng vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô , g; Va- thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn ñặc, cm3. Khối lượng riêng của vật liệu xây dựng cũng còn ñược tính bằng các ñơn vị khác như: kg/dm3, kg/l, kg/m3 hay tấn/m3. ðể xác ñịnh khối lượng riêng của vật liệu xây dựng phải xác ñịnh khối lượng của mẫu vật liệu ñã ñược sấy khô tới khối lượng không ñổi G bằng cách dùng cân kỹ thuật, còn thể tích ñặc của mẫu Va thì tuỳ theo loại vật liệu cụ thể mà dùng phương pháp thích hợp. Với những vật liệu ñược xem là hoàn toàn ñặc (như thép, kính …), phải gia công ñể tạo ra mẫu có hình dạng hình học (hình khối lập phương, hình khối hộp chữ nhật, hình trụ …) sau ñó ño kích thước hình học của mẫu rồi dùng công thức toán học ñể tính ra thể tích ñặc Va.
Với những vật liệu có cấu trúc rỗng (gạch, bê tông …) phải nghiền nhỏ nó thành những hạt có ñường kính bé hơn 0.2 mm và thể tích ñặc Va ñúng bằng thể tích lỏng rời chỗ khi cho bột vật liệu vào bình tỷ trọng. ðối với các vật liệu xây dựng ở trạng thái lỏng hoặc nhớt (thủy tinh lỏng, bi tum lỏng …), có thể xác ñịnh khối lượng riêng của nó bằng phù kế. Design By haughtycool 3 Copyright By Focebk.com Khối lượng riêng của vật liệu xây dựng chỉ phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vi mô của nó nên biến ñộng trong một phạm vi rất nhỏ (gạch nung: 2,60-2,65; xi măng: 3,05-3,15 g/cm3). Trong thực tế khối lượng riêng ñược sử dụng ñể phân biệt những loại vật có hình thức bên ngoài giống nhau và ñể tính thành phần của một số vật liệu hỗn hợp.2 Khối lượng thể tích: Khối lượng thể tích ρ0 là khối lượng của một ñơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng).
Khối lượng thể tích ñược tính bằng công thức: m ρ0 = , (g/cm3), V0 trong ñó: m - khối lượng của mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g; V0- thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, cm3 ðơn vị của khối lượng thể tích còn có thể là: kg/dm3, kg/m3, tấn/m3. Theo công thức, ñể xác ñịnh khối lượng thể tích của vật liệu xây dựng, cần phải xác ñịnh hai trị số: khối lượng mẫu ở trạng thái hoàn toàn khô m và thể tích tự nhiên của mẫu V0. Khối lượng mẫu ở trạng thái hoàn toàn khô m ñược xác ñịnh dễ dàng bằng cân kỹ thuật sau khi ñã sấy khô mẫu vật liệu ở 105 ± 50C tới khi khối lượng mẫu không thay ñổi, còn thể tích tự nhiên V0 của mẫu vật liệu thì còn tuỳ thuộc vào vật liệu mà còn có phương pháp xác ñịnh tương ứng thích hợp. Nhìn chung có thể chia các vật liệu xây dựng thành ba nhóm chủ yếu ứng với ba phương pháp xác ñịnh khối lượng thể tích khác nhau.
Với nhóm vật liệu có hình dạng hình học rõ ràng (bao gồm những vật liệu tự nó ñã có hình dạng khối hình học như hình trụ, hình khối lập phương hay khối hộp chữ nhật…và những vật liệu có thể gia công hay ñúc khuôn mà có hình dạng khối hình học vừa nêu trên. Có thể dùng thước dẹt (yêu cầu ñộ chính xác thấp) hay thước kẹp có con chạy (nếu yêu cầu, ñộ chính xác cao) ñể ño các kích thước hình học chủ yếu rồi sau ñó tính toán thể tích tự nhiên V0 bằng công thức các công thức hình học. Với nhóm vật liệu không có hình dạng hình học rõ ràng, thể tích tự nhiên của mẫu V0 ñược xác ñịnh bằng cách bọc bề mặt mẫu một lớp sáp paraphin mỏng rồi ñem cân trên cân thủy tĩnh (Hình 1. Design By haughtycool 4 Copyright By Focebk.
Cân thuỷ tĩnh Với nhóm vật liệu dạng hạt rời rạc (cát, sỏi, ñá dăm…) mà thể tích lỗ rỗng tự nhiên bao gồm cả thể tích lỗ rỗng nằm trong các hạt vật liệu và thể tích vùng rỗng giữa các hạt vật liệu, có thể xác ñịnh thể tích tự nhiên của mẫu V0 bằng cách sử dụng các loại ca hay thùng ñong có dung tích lớn nhỏ khác nhau tương ứng với ñộ lớn cỡ hạt vật liệu. Khi này vật liệu rời rạc ñược thả rơi từ ñộ cao qui ñịnh vào trong ca rồi dùng thước tì trên miệng ca ñể gạt những hạt vật liệu thừa nằm cao hơn miệng. Thể tích tự nhiên V0 của mẫu vật liệu ñúng bằng dung tích của ca(hay thùng). Thông thường ở một loại vật liệu, khối lượng thể tích có thể biến ñộng trong phạm vi rộng hơn nhiều so với khối lượng riêng vì nó phụ thuộc vào cấu trúc chính của vật liệu.
ðối với một vật liệu, khối lượng thể tích luôn có trị số nhỏ hơn khối lượng riêng. Chỉ với vật liệu ñược xem là tuyệt ñối ñặc thì hai trị số này mới bằng nhau. dưới ñây ñưa ra khối lượng riêng và khối lượng thể tích của một số vật liệu ñể tham khảo. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích của một số vật liệu trong xây dựng B¶ng 1.
Khối lượng riêng Khối lượng thể tích Tên vật liệu ρ (g/cm3) ρ0 (g/cm3) Nước ở 2770K 1,0 1,0 ðá granít (ñá dăm) 2,7 - 2,8 1,45 - 1,65 Gỗ 1,52 - 1,58 0,4-1,28 Gạch ñất sét nung 2,65 - 2,70 1,5 - 1,8 Cát thạch anh 2,65 1,4 – 1,65 Kính 2,45 - 2,65 2,45 – 2,65 Thép xây dựng 7,8 - 7,85 7,8 – 7,85 Design By haughtycool 5 Copyright By Focebk.com Cần chú ý rằng, còn có yêu cầu xác ñịnh khối lượng thể tích của vật liệu ở trạng thái ẩm. Khi này khối lượng thể tích của vật liệu sẽ phụ thuộc nhiều vào ñộ ẩm của chính vật liệu. Khối lượng thể tích của vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật. Thông qua khối lượng thể tích của vật có thể ñánh giá sơ bộ một số tính chất khác của nó như: ñộ rỗng, ñộ hút nước, tính truyền nhiệt, cường ñộ… trong thực tế, khối lượng thể tích ñược sử dụng khi tính toán thành phần bê tông xi măng, trong bài toán vận chuyển vật liệu và cả tính toán tính toán kết cấu xây dựng.
ðặc biệt khối lượng thể tích còn ñược dùng trực tiếp ñể ñịnh mác của vật liệu cách nhiệt.3 - ðộ rỗng: ðộ rỗng r là tỷ số giữa thể tích rỗng trong vật liệu với thể tích tự nhiên của nó.