MỞ ĐẦU I Tầm quan trọng vật liệu xây dựng - Vật liệu xây dựng thiếu cơng trình xây dựng Nó yếu tố định đến chất lượng, giá thành thời gian thi cơng cơng trình - Nó chiếm tỷ lệ lớn tổng giá thành xây dựng + (70 ÷ 80)% cơng trình dân dụng cơng nghiệp + (70 ÷ 75)% cơng trình giao thơng + (50 ÷ 55)% cơng trình thuỷ lợi II Sơ lược tình hình phát triển ngành SX VLXD - Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung, ngành VLXD phát triển từ thơ sơ đến đại, từ đơn giản đến phức tạp; chất lượng vật liệu ngày nâng cao - Từ xưa loài người biết dung vật liệu đơn giản có sẵn thiên nhiên như: đất, rơm rạ, đá gỗ…để xây dựng nhà cửa, thành quách, cầu cống Ở nơi xa núi, người ta biết dùng gạch mộc, sau biết dùng gạch ngói đất sét nung - Để gắn kết viên gạch, đá rời rạc lại với nhau, người xưa biết dùng số chất kết dính (CKD) rắn khơng khí vơi, thạch cao - Do nhu cầu xây dựng cơng trình tiếp xúc với nước nằm nước, người ta nghiên cứa CKD như: CKD hỗn hợp gồm vôi rắn khơng khí với PGHT; vơi thuỷ; XMPL (đầu TK19, 1812 Alec xâycherief - Người Nga, 1821 Apsđin - Người Anh công bố) - Đến nay, người ta sản xuất sử dụng nhiều loại vật liệu lim loại, BTCT, BT ứng lực trước, gạch Silicat, BT nhẹ, BT cách nhiệt, chịu nhiệt… - Kỹ thuật sản xuất sử dụng VLXD giới đạt đến trình độ cao, nhiều phương pháp cơng nghệ tiên tiến áp dụng nung vật liệu gốm lò tuynel, nung ximăng lò quay với nhiên liệu lỏng, khí; SX cấu kiện bêtơng ứng lực trước với kích thước lớn… - Phương hướng phát triển ngành VLXD: + Xây dựng thêm nhiều nhà máy xi măng công suất lớn với kỹ thuật đại Dự kiến đến 2010 sản xuất (40 ÷ 45) triệu ximăng + Đầu tư xây dựng nhà máy gốm với đa dạng sản phẩm: gạch ceramic, gạch, ngói, ốp, lát, sứ vệ sinh, lợp Dự kiến 2010: sản phẩm (40 ÷ 50) triệu m gạch men lát nền, ốp tường; (4 ÷ 5) triệu sản phẩm sứ vệ sinh; (18 ÷ 20) tỷ viên gạch; (30 ÷ 35) triệu m lợp, triệu m đá ốp lát… + Mở rộng nhà máy kính với đa dạng hố sản phẩm: kính phản quang, kính màu, kính an tồn, gương soi, kính xây dựng… Dự kiến 2010: SX (80 ÷ 90) triệu m kính xây dựng loại + Phát triển loại VL như: VL tổng hợp, cách âm, cách nhiệt, VL chống thấm, sợi thuỷ tinh v.v III Phân loại vật liệu xây dựng Chia làm loại chính: 1/ Vật liệu vơ - Vật liệu đá thiên nhiên - Vật liệu nung - Các loại chất kết dính vơ - Bêtơng, vữa - Các loại đá nhân tạo không nung 2/ Vật liệu hữu - Gỗ, tre, bittum - VL keo, chất dẻo, sơn, vécni, matit - VL polime 3/ Vật liệu kim loại - Gang, thép, loại kim loại màu, hợp kim CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 NHỮNG THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO TRẠNG THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU 1.1.1 Khối lượng thể tích vật liệu 1.1.1.1 Định nghĩa KLTT khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái tự nhiên bao gồm thể tích lỗ rỗng có 1.1.1.2 Cơng thức ρ v = m V0 (1-1) Trong đó: ρ v - Khối lượng thể tích vật liệu (g/cm , kg/m , T/m ) m - Khối lượng mẫu VL trạng thái tự nhiên (g) V - Thể tích VL trạng thái tự nhiên (cm ) Ví dụ: Gạch: ρ v = (1,7 ÷ 1,9) g/cm ; Cát: ρ v = (1,5 ÷ 1,65) g/cm ; Đá: ρ v = (1,5 ÷ 1,7) g/cm ; Xi măng: ρ v = (1,1 ÷ 1,3) g/cm ; 1.1.1.3 Phương pháp xác định Luôn xác định thực nghiệm a/ Khối lượng m: Sấy khô vật liệu (105 ÷ 110) oC đến khối lượng khơng đổi → Cân b/ Thể tích Vo: - Mẫu có hình dạng xác định : “ Phương pháp đo trực tiếp ” Tính V theo cơng thức: d1 c1 d3 c3 c2 b2 a1 h1 h2 d2 h3 h4 a2 a3 d4 dtb = (d1 + d2 + d3 + d4)/4 htb = (h1 + h2 + h3 + h4)/4 Tru V o = π d tb htb/4 b3 b1 atb = (a1 + a2 + a3)/3 btb = (b1 + b2 +b3)/3 ctb = (c1 + c2 + c3)/3 hh V = atb × btb × ctb Hình 1.1: Hình vẽ mẫu trụ mẫu lập phương - Mẫu có hình dạng bất kỳ: “ Phương pháp chất lỏng rời chỗ ” + Sấy khô mẫu VL đến khối lượng không đổi + Để nguội cân mẫu m + Nhúng mẫu vào parafin (nến) nóng chảy cân m + Cho nước vào ống nghiệm đến vạch V + Nhúng mẫu vào ống nghiệm, mức nước tăng đến vạch V (* Lưu ý: Cách đọc giá trị mức nước giá trị thấp mặt cong.) ρv = m1 V2 − V1 − V P Vp= m − m1 0,93 (1-2) (1-3) V1 Paraphin Mẫu VL ban đầu V2 Mẫu VL sau nhóng Hình 1.2: Xác định KLTT VL có hình dạng - Mẫu rời rạc (ximăng, cát, đá, sỏi…): đổ vật liệu từ chiều cao định xuống 1dụng cụ tích biết trước theo quy định (ca, thùng đong 1l, 2l, 5l…) 45 Máng dẫn 100 Vật chứa (ống đong) Hỡnh 1.3: Xác định KLTT đổ đống vật liệu 1.1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng - Cấu tạo vật liệu: hình thành q trình cơng nghệ - Độ ẩm: thay đổi theo thời gian tuỳ theo điều kiện khí hậu cơng trình * Chú ý: Khối lượng thể tích tiêu chuẩn: khối lượng xác định điều kiện độ ẩm 0% (w tc = 0% - VL khô) xác định công thức: w ρ v = ρ v (1+ 0,01W) (1-4) Công thức VL không thay đổi thể tích có độ ẩm (đá) Ví dụ: Độ ẩm tiêu chuẩn gỗ : w tc = 12% 1.1.1.5 Ý nghĩa ứng dụng thực tế - Phán đốn số tính chất: cường độ, độ hút nước, độ rỗng, độ dẫn nhiệt → xem VL nặng hay nhẹ - Lựa chọn phương tiện vận chuyển, kho chứa - Tính tốn trọng lượng thân kết cấu 1.1.2 Khối lượng riêng vật liệu 1.1.2.1 Định nghĩa KLR khối lượng đơn vị thể tích vật liệu trạng thái hồn tồn đặc 1.1.2.2 Cơng thức ρ= m Va (1-5) Trong đó: ρ - khối lượng riêng vật liệu, (g/cm , kg/m , T/m ) m - khối lượng mẫu vật liệu trạng thái hồn tồn khơ, (g) Va - thể tích mẫu vật liệu trạng thái hồn tồn đặc,(cm ) Ví dụ: Gạch: ρ = 2,65 g/cm ; Cát: ρ = 2,6 g/cm ; Đá: ρ = 2,5 g/cm ; Xi măng: ρ = 3,1 g/cm 1.1.2.3 Phương pháp xác định Bằng thực nghiệm: a Khối lượng m: Sấy khơ vật liệu (105 ÷ 110) C đến khối lượng khơng đổi → Cân b Thể tích V a : - Vật liệu có hình học rõ ràng → Đo trực tiếp kích thước tính theo cơng thức - Vật liệu có hình dạng → Dùng phương pháp chất lỏng rời chỗ để tìm V a - Vật liệu có lỗ rỗng tìm phương pháp bình tỷ trọng + Nghiền nhỏ mẫu VL lọt qua sàng 0,25 mm → Cân m + Cho chất lỏng vào bình tích V + Cho VL vào bình, dâng lên tích V + Đem cân lượng VL lại m ρ= m1 − m2 V2 − V1 (1-6) *Chú ý: Chất lỏng dùng để xác định KLR phải tác dụng hố học với VL làm thí nghiệm Ví dụ: Xác định KLR xi măng dùng chất lỏng dầu hỏa 1.1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng Bản chất VLXD 1.1.2.5 Ý nghĩa ứng dụng thực tế - Là đại lượng vật lý VLXD - Đánh giá chất vật liệu: đặc hay rỗng 1.1.3 Độ rỗng độ đặc vật liệu 1.1.3.1 Định nghĩa a/ Độ rỗng: Là tỉ lệ phần trăm thể tích lỗ rỗng có vật liệu thể tích tự nhiên vật liệu b/ Độ đặc: Là tỉ lệ phần trăm thể tích đặc VL thể tích tự nhiên 1.1.3.2 Cơng thức a/ Cơng thức đơn vị đo độ rỗng: r= Vr V0 100 (%) (1-7) Trong đó: r - độ rỗng, % Vr - thể tích lỗ rỗng vật liệu, cm3 Vo- thể tích tự nhiên vật liệu, cm3 Ngồi ra, độ rỗng cịn tính theo cơng thức sau: r = (1 − ρv ).100 (%) ρ (1-8) Trong : ρ v - khối lượng thể tích vật liệu trạng thái khô, g/cm 3; ρ - khối lượng riêng vật liệu, g/cm b/ Công thức đơn vị đo độ đặc: đ= Va V0 100 (%) (1-9) Trong đó: đ - độ đặc, %; V a - thể tích đặc vật liệu, cm3 Vo - thể tích tự nhiên vật liệu, cm ; 1.1.3.3 Quan hệ độ rỗng độ đặc r = (1- đ ).100% (1-10) 1.1.3.4 Phương pháp xác định Thông qua ρ v ρ 1.1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng Không chịu ảnh hưởng yếu tố 1.1.3.6 Ý nghĩa ứng dụng Có ảnh hưởng lớn đến tính chất khác VL như: KLR, KLTT, cường độ, độ hút nước, tính truyền nhiệt v.v 1.1.4 Độ mịn vật liệu 1.1.4.1 Định nghĩa Độ mịn hay độ lớn vật liệu dạng hạt, dạng bột đại lượng đánh giá kích thước hạt 1.1.4.2 Phương pháp xác định Đánh giá tỉ diện tích bề mặt (cm /g) lượng lọt sàng, lượng sót sàng tiêu chuẩn (%) Dụng cụ sàng tiêu chuẩn phụ thuộc vào loại VL Ví dụ: Độ mịn xi măng sàng qua sàng tiêu chuẩn N o 009 (4900 lỗ/cm ) * Chú ý: Hiện người ta sử dụng phương pháp lắng hồ 1.1.4.3 Ý nghĩa - Quyết định khả tương tác VL với mơi trường (hoạt động hố học, phân tán môi trường) - Ảnh hưởng đến độ rỗng hạt → Vì vậy, tuỳ mục đích sử dụng mà cần tăng hay giảm độ mịn 2.1 Những tính chất có liên quan đến nước vật liệu 2.1.1 Liên kết nước vật liệu 2.1.1.1 Các trạng thái nước có vật liệu Vật liệu chứa lượng nước định Tuỳ theo chất vật liệu, thành phần, tính chất bề mặt đặc tính lỗ rỗng mà mức độ liên kết vật liệu với nước có khác Dựa vào mức độ liên kết nước vật liệu mà nước có vật liệu chia thành loại: Nước hoá lý, nước hoá học nước học a/ Nước hoá lý (nước hấp phụ): phần tử nước nằm bề mặt rắn VL, liên kết với bề mặt rắn VL lực Vanđécvan lực tĩnh điện bề mặt (nước màng) Nước hoá lý thay đổi tác dụng điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) Khi nhiệt độ nước t H 2O > 250 C nước tách khỏi liên kết Trong trường hợp này, đặc tính VL thay đổi khơng nhiều b/ Nước hoá học: nước nằm thành phần hoá học vật liệu nước vật liệu thay đổi thành phần tính chất Nước liên kết thành phần VL với lực liên kết lớn Khi nhiệt độ của nước t H 2O > 500 C nước tách khỏi liên kết Ví dụ: Al O 2SiO 2H O > 750 C Al O 2SiO + H O (Cao lanh) (Mêtacaolanh) CaSO 2H O > 500 C CaSO + H2 O (Thạch cao) (Thạch cao khan) c/ Nước học (nước mao quản, nước tự do): chứa lỗ rỗng, mao quản vật liệu Ở nhiệt độ thường, chúng khỏi VL vào VL → Tính chất vật liệu khơng thay đổi 2.1.1.2 Hiện tượng trao đổi nước VLXD môi truờng Chỉ xảy nước tự phần nước hấp phụ Lúc đầu, áp suất nước có VL 0, cịn áp suất nước bên ngồi > Chính chênh lệch áp suất lỗ rỗng hở VLXD nguyên nhân dẫn đến tượng nước thoát hay xâm nhập vào VL Hiện tượng xảy liên tục phụ thuộc vào thông số môi trường nhiệt độ độ ẩm khơng khí Nó dừng lại đạt đến cân áp suất riêng nước lỗ rỗng vật liệu 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng có liên quan đến nước VL 2.1.2.1 Độ hút nước (H) a/ Định nghĩa: Là đại lượng đánh giá khả hút giữ nước vật liệu điều kiện thường (về nhiệt độ áp suất) b/ Công thức đơn vị đo Độ hút nước xác định theo khối lượng theo thể tích: - Theo khối lượng H p : Hp = mn mk 100 (%) = mu − m k 100 (%) mk (1-11) - Theo thể tích H v : Hv = Vn Vo 100 (%) = mu − m k 100 (%) V0 ρ n (1-12) Trong đó: m n - Khối lượng nước hút (giữ) VL (g) m k - Khối lượng VL trạng thái khô (g) m u - Khối lượng VL trạng thái ướt (g) V - Thể tích tự nhiên VL (cm ) V n - Thể tích nước có VL (cm ) ρ n - Khối lượng riêng nước, ρ n = g/cm - Quan hệ H p H v Hv = H p Tc ρv Tc ; ( ρ v w tc = %) ρn (1-13) c/ Phương pháp xác định: Bằng thực nghiệm d/ Các yếu tố ảnh hưởng: - Cấu tạo, cấu trúc vật liệu - Bản chất vật liệu (độ rỗng, tính chấ lỗ rỗng …) e/ Ý nghĩa: Với VLXD xác định có giá trị độ hút nước 2.1.2.2 Độ ẩm (W) a/ Định nghĩa: đại lượng đánh giá lượng nước (tự do) có thật VL thời điểm xác định b/ Công thức đơn vị đo: ma − mk m 100 (%) = n 100 (%) mk mk W= (1-14) Trong đó: m a - Khối lượng VL trạng thái ẩm tự nhiên (g) m k - Khối lượng VL trạng thái khô (g) c/ Phương pháp xác định: Bằng thực nghiệm d/ Các yếu tố ảnh hưởng: - Cấu tạo vật liệu (lỗ rỗng, đặc tính lỗ rỗng ) - Bản chất vật liệu - Các thông số môi trường nhiệt độ áp suất Wmt↑ → WVL↑ → Vo↑ → R↓ 2.1.2.3 Độ bão hoà nước a/ Định nghĩa: tượng VL hút nước đến tối đa điều kiện cưỡng nhiệt độ áp suất b/ Công thức đơn vị đo: bh - Theo khối lượng H p : H bh p bh mn bh mu − m k 100 (%) 100 (%) = = mk mk (1-15) bh - Theo thể tích H v : H bh v = Vnbh Vo bh mu − m k 100 (%) 100 (%) = V0 ρ n (1-16) Trong đó: bh bh m n , V n - Khối lượng thể tích nước mà VL hút vào bão hoà bh m u , m k - Khối lượng mẫu VL bão hoà nước khơ V - Thể tích tự nhiên VL c/ Phương pháp xác định: phương pháp - Phương pháp nhiệt độ: Luộc mẫu sấy khô 4h, để nguội, vớt cân tính tốn - Phương pháp chân không (áp suất): Ngâm mẫu vật liệu sấy khơ bình kín đựng nước , hạ áp lực bình xuống cịn 20 mmHg khơng cịn bọt khí trở lại áp lực bình thường giữ thêm vớt cân tính tốn d/ Các yếu tố ảnh hưởng: - Thành phần VL - Độ rỗng - Tính chất lỗ rỗng → Hệ số bão hòa (C bh ) C bh = Vn H bh = v ≤ Vr r (1-17) Vn → V n = V H v ; V r = r.V ); C bh = (0 ÷ 1) V0 → Đánh giá mức độ ngập nước toàn thể tích lỗ rỗng (H v = *Chú ý: Khi VL bão hồ nước làm cho thể tích VL khả dẫn nhiệt tăng khả cách nhiệt cường độ giảm → Mức độ bền nước VL đánh giá hệ số mềm (K m ) Km R bh = Rk (1-18) Trong đó: R bh - Cường độ mẫu bão hoà R k - Cường độ mẫu khơ ⇒ Tính chịu nước: đặc tính VL chống lại suy giảm tính chất vật lý, học, đặc biệt học e/ Ý nghĩa ứng dụng thực tế - Xác định khả chịu lực bão hồ nước thơng qua C bh - Độ bão hoà nước dùng để ngâm tẩm xử lý VL gỗ - Đánh giá cấu tạo VL 2.1.2.4 Tính thấm nước 10 a/ Định nghĩa: tính chất biểu thị khả VL cho nước thấm qua có chênh lệch áp suất (từ nơi có áp lực nước cao sang nơi có áp lực nước thấp) b/ Bản chất thấm điều kiện thấm: Là dịch chuyển có hướng phần tử nước có khoảng trống thơng độ chênh áp lực phía phân tử nước c/ Công thức đơn vị đo: đặc trưng hệ số thấm K th ( m/s; m/h) K th = V a S ( p1 − p ).t (1-19) Trong đó: V - Thể tích nước thấm qua (m ) a - Chiều dày vật liệu (m) S - Diện tích mặt vật liệu thấm (m ) p - p = ∆ p - độ chênh áp lực thủy tĩnh ( chiều cao cột nước) t - Thời gian thấm, h d/ Các yếu tố ảnh hưởng: - Nhiệt độ - Bản chất VL - Áp lực tượng mao dẫn 2.1.2.5 Tính thấm thấm khí vật liệu a/ Định nghĩa: tính chất biểu thị khả VL cho khí thấm qua có chênh lệch áp lực khí hai mặt VL b/ Công thức đơn vị đo: đặc trưng hệ số thấm Ktk Ktk = V a S ( p1 − p ).t (1-20) Trong đó: V - Thể tích khí hay thấm qua (m ) a - Chiều dày vật liệu (m) S - Diện tích mặt vật liệu thấm (m ) p - p = ∆ p - độ chênh áp lực thủy tĩnh ( chiều cao cột nước) t - Thời gian thấm, h 2.1.2.6 Biến dạng ẩm - Là tượng thay đổi hình dạng kích thước vật liệu tác dụng yếu tố môi trường (trương nở hút nước co lại sấy khô) - Biến dạng co nở lặp lặp lại làm phát sinh vết nứt dẫn đến phá hoại vật liệu 3.1 Những tính chất có liên quan đến nhiệt vật liệu 3.1.1 Tính dẫn nhiệt (truyền nhiệt) 11 a/ Định nghĩa: Tính dẫn nhiệt tính chất VL cho nhiệt truyền từ mặt sang mặt khác (từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp) b/ Bản chất thấm nhiệt (chỉ xét thấm nhiệt qua VL rắn): tượng lan truyền có hướng dao động nhiệt nhờ liên kết cứng phần tử cấu trúc c/ Công thức đơn vị đo: λ= Q.a S ∆t.τ (1-20) Trong đó: λ - Hệ số dẫn nhiệt (kCal/m C.h) a - Chiều dày tường (m) S - Diện tích tường (m ) τ = 1h - Thời gian ∆ t = C- Độ chênh nhiệt độ Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt cịn tính theo cơng thức: λ= 0,0196 + 0,22 ρ v2 − 0,14 λt = λ0 (1+0,002t) (1-21) (1-22) Trong đó: λ0 - Hệ số dẫn nhiệt 0 C λt - Hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ trung bình t (