Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 1: Tính chất cơ lý

1Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bô ̣ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hô ̀ Chı ́Minh VLXD-Tính chất cơ lý 1-2 Các tính chất cơ ly ́ VLXD
Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần đến tính chất của vật liệu
Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khối lượng thể tích đô ̉ đống, độ rỗng, độ hổng giữa các hạt vật liệu rời, thành phần hạt
Các tính chất trong môi trường nước: độ hút nước, độ bão hòa nước, tính thấm nước và độ biến dạng ẩm.
Các tính chất nhiệt (biến dạng nhiệt, tính dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tính chống cháy và chịu lửa)
Các tính chất cơ (biến dạng, cường độ, độ mài mòn) VLXD-Tính chất cơ lý 1-3 Hướng tiếp cận
Từ bên ngoài: tuỳ theo công năng khi làm việc • Tác động cơ học (trọng lượng bản thân, gió, hoạt tải sử dụng, sóng, động đất, băng tuyết, sóng thần...) • Tác động hóa học (xâm thực của môi trường axit, nước biển, sinh vật biển, nước mưa...) • Các tác dụng khác (áp suất hơi, nhiệt, phóng xạ)
Từ bên trong: • Các liên kết (ion, phân tử, cộng hoá trị...) • Hàm lượng các thành phần khoáng, thành phần pha • Sự sắp xếp cấu trúc VLXD-Tính chất cơ lý 1-4 Ảnh hưởng cấu trúc
Gồm các dạng, số lượng, hình dáng, kích thước và sự phân bố các pha ở trạng thái rắn
Cấu trúc vĩ mô (macrostructure): thô, quan sát được bằng mắt thường, giới hạn đến 200µm
Cấu trúc vi mô (microstructure): kính hiển vi x105 2 VLXD-Tính chất cơ lý 1-5 Ảnh hưởng cấu trúc
Cấu trúc vĩ mô (macrostructure): là thuật ngữ dùng để chỉ cấu trúc thô, có thể quan sát được bằng mắt thường, giới hạn đến 200µm
Cấu trúc vi mô (microstructure): quan sát bằng các loại kính hiển vi, giới hạn đến độ phóng đại 105 lần. →Tính chất của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô VLXD-Tính chất cơ lý 1-6 Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3)
Khối lượng riêng là khối lượng (m) trên của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái đặc hoàn toàn (Va)
Ý nghĩa: để xác định bản chất của vật liệu, độ rỗng, phân biệt và tính toán phối liệu. • Mẫu bột : sử dụng bình tỷ trọng để xác định khối lượng riêng của vật liệu thông qua thể tích bị chiếm chỗ bởi chất lỏng (trơ) • Mẫu có hình dạng: cân khối lượng và đo kích thước a a V m =γ - m : khối lượng cân khô vật liệu - Va: thể tích đặc tuyệt đối của vật liệu không tính lỗ rỗng VLXD-Tính chất cơ lý 1-7 Dụng cụ xác định VLXD-Tính chất cơ lý 1-8 Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3)
Ảnh hưởng của khối lượng riêng đến tính chất của vật liệu. • Không ảnh hưởng nhiều đến cơ tính của vật liệu như: độ bền, độ hút nước, • Ảnh hưởng đến các tính chất như: khả năng chịu nhiệt, độ cứng, khả năng ăn mòn hóa học
Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng riêng • Thành phần hóa của vật liệu. • Điều kiện thí nghiệm? 3 VLXD-Tính chất cơ lý 1-9 Khối lượng thê ̉ tıćh (g/cm3, t/m3)
Khối lượng thể tích là khối lượng (m) của một đơn vị thể tích của vật liệu ở trạng thái tự nhiên bao gồm cả lỗ rỗng (V0)
Đối với vật liệu hoàn toàn đặc KLTT ≈ KLR
Phương pháp xác định; • Cân và đo với vật liệu có kích thước hình học rõ ràng. • Bọc mẫu bằng parafin, cân trong chất lỏng tìm thể tích chất lỏng dời chỗ. Áp dụng cho mẫu có hình dáng bất kỳ. • Dùng dụng cụ có dung tích để xác định đối với vật liệu dạng rời rạc. 0 0 V m =γ - m; khối lượng tự nhiên của vật liệu - V0; thể tích của vật liệu bao gồm cả lỗ rỗng (tự nhiên) VLXD-Tính chất cơ lý 1-10 Khối lượng thê ̉ tıćh (g/cm3, t/m3)
Khối lượng thể tích của một số loại vật liệu xây dựng 1600 – 1900 1800 – 2500 <1800 2500 - 2700 Gạch đất sét Bê tông thường Bê tông nhẹ Đá hoa cương 7850 1150 – 1400 1400 -1650 1400 – 1700 200 - 300 Thép Xi măng Cát Đá (sỏi) Sợi khoáng (kg/m3)Vật liệu(kg/m3)Vật liệu
Ý nghĩa của khối lượng thể tích • Dự đoán được độ bền cơ học của vật liệu. • Đánh giá được khả năng cách nhiệt, độ ẩm, độ rỗng, độ đặc • Sử dụng trong tính toán các kết cấu, tính ổn định, vận chuyển VLXD-Tính chất cơ lý 1-11 Khối lượng thê ̉ tıćh đô ̉ đống
Áp dụng với các vật liệu rời như cát, đá, ximăng là khối lượng (m) của một đơn vị thể tích của các hạt vật liệu đổ đống bao gồm độ rỗng của các hạt và độ rỗng giữa các hạt (Vx).
Thường được xác định ở trạng thái tự nhiên hay lèn chặt. Ứng dụng trong tính toán vận chuyển, kho X X V m =γ - m; khối lượng tự nhiên vật liệu - Vx: thể tích của vật liệu bao gồm cả lỗ trống các hạt VLXD-Tính chất cơ lý 1-12 Độ rỗng
Độ rỗng của vật liệu là tỉ lệ phần trăm thể tích pha không phải là rắn (khí, lỏng) / thể tích tự nhiên của khối vật liệu. Thường tính bằng
Một số phương pháp xác định độ rỗng: đo trực tiếp, bay hơi nước, hấp thụ khí, quang học chụp ảnh, xâm nhập thủy ngân )1( 0 <= r V V r r a r γ γ 01 −= 4 VLXD-Tính chất cơ lý 1-13 Độ rỗng
Độ rỗng là chỉ tiêu quan trọng, ảnh hưởng đến những tính chất khác của vật liệu như khối lượng thể tích, cường độ, độ hút nước, hệ số truyền nhiệt • VL có đô ̣ rỗng nhỏ có cường độ cao và độ thấm nước nhỏ. • VL có đô ̣ rỗng cao lại có độ cách nhiệt cao.
Xu hướng chọn những loại vật liệu có độ rỗng nhưng cường độ cao, bền.
Ý nghĩa của xác định độ rỗng của vật liệu; • Mức độ kết khối các vật liệu nung • Dự đoán một số tính chất của vật liệu • Lựa chọn môi trường sử dụng hợp lý. VLXD-Tính chất cơ lý 1-14 Độ đặc
Ngược với đô ̣ rỗng
Độ đặc luôn luôn nhỏ hơn 1 và tùy thuộc vào độ rỗng của vật liệu. Vật liệu xốp d = 0,20 ~ 0,30% )1( 0 <= d V Vd a a d γ γ 0 = VLXD-Tính chất cơ lý 1-15 Độ hút nước
Độ hút nước là khả năng hút và giữ nước trong các lỗ rỗng của vật liệu dưới áp lực thường (tự nhiên) .
Độ hút nước biểu diễn theo khối lượng (Hp) và theo thể tích (Hv)
Mối quan hệ giữa Hp và Hv %100.1 m mmH p − = %100 0 1 × − = V mmH n v ρvà 0.γρn p v H H = Trong đó: - m1: khối lượng mẫu đã ngậm nước. - m: khối lượng mẫu ban đầu, sấy khô - V0: thể tích tự nhiên của mẫu VLXD-Tính chất cơ lý 1-16 Độ hút nước
Hv luôn luôn 100% đối với vật liệu rất rỗng và rất nhẹ.
Độ hút nước phụ thuộc độ rỗng và đặc điểm lỗ rỗng của vật liệu, bản chất vì vậy có thể dùng Hp và Hv để đánh giá độ truyền nhiệt, đô ̣ thấm và những tính chất khác cường độ, KLTT của vật liệu. • Ví dụ: Gạch đất sét tốt Hp = 8-20% • Gạch đất sét xấu Hp = 25-30% • Bê tông nặng Hp = 3%.
Ý nghĩa: • Xác định gián tiếp độ rỗng của vật liệu. • Đánh giá khả năng sử dụng vật liệu trong môi trường nước 5 VLXD-Tính chất cơ lý 1-17 Độ hút nước bão hòa
Là độ hút nước tối đa của vật liệu trong một điều kiện thí nghiệm nhất định (ở 20mmHg hoặc đun sôi). Được đánh giá bằng hệ số bão hòa nước Cbh
hay ti ̉ số % thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng thái bão hòa với thể tích rỗng của vật liệu
Cbhmax = 1. Khi Cbh tăng lượng nước vào lỗ rỗng của vật liệu càng nhiều. Vật liệu càng bão hòa nước, KLTT, thể tích, hệ số truyền nhiệt càng tăng nhưng cường độ sẽ giảm mạnh. r n bh v bh V VC r HC == , VLXD-Tính chất cơ lý 1-18 Độ hút nước bão hòa
Phương pháp 1: • Sấy khô mẫu thí nghiệm, cân m. • Đun trong nước sôi, để nguội. • Cân m1, tính tóan theo công thức độ hút nước trên.
Phương pháp 2: • Ngâm mẫu trong bình nước có nắp đậy kín. • Hạ áp suất xuống 20mmHg, rút chân không. • Giữ ở áp suất này đến khi không còn bọt khí thoát ra nữa. • Đưa về áp suất bình thường 760mmHg. • Giữ sau 2 giờ, vớt mẫu, cân và tính kết qủa. VLXD-Tính chất cơ lý 1-19 Hê ̣ số mềm
Ở trạng thái bão hòa nước, độ bền của VL giảm. Để đánh giá chất lượng của vật liệu trong môi trường nước người ta dùng hệ số mềm.
Hệ số mềm Km: là hệ số giảm cường độ của vật liệu khi bão hòa nước. • Km ≥ 0,75: Vật liệu bền nước (thép, kính). • Km < 0,75: Vật liệu kém bền nước, không nên sử dụng trong điều kiện tác dụng của nước (đất sét không nung) K MBH m R RK = Trong đó: - RMBH: Cường độ mẫu ở trạng thái bão hòa - RK: Cường độ mẫu khô VLXD-Tính chất cơ lý 1-20 Độ ẩm tự nhiên
Độ ẩm là tỉ lệ phần trăm lượng nước có thật nằm trong vật liệu. Độ ẩm phụ thuộc vào môi trường khô ẩm xung quanh • Đô ̣ ẩm tương đối • Đô ̣ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm thay đổi theo môi trường, khi độ ẩm tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng và giảm theo, gây hiện tượng co nở thể tích, sinh ra nội ứng suất phá hủy cấu trúc của vật liệu.
Phụ thuộc vật liệu, phương biến dạng. Ví dụ: Gỗ có độ nở dọc thớ 1% và độ nở ngang thớ 3-10%. m mmWrh 2 − = 2 2 m mmWah − = 6 VLXD-Tính chất cơ lý 1-21 Tính thấm
Là tính chất để cho nước thấm qua khi có sự chênh lệch áp lực nước thủy tĩnh
Đặc trưng của tính thấm nước bằng hệ số thấm Kth tppS aVK nth ).( . 21 − = Trong đó - Vn: thể tích nước thấm qua, m3 - a: Chiều dày mẫu, m - S: diện tích của mẫu, m2 - (p1-p2): chênh áp suất thủy tĩnh ở hai mặt, m H2O - t: thời gian, h VLXD-Tính chất cơ lý 1-22 Tính dẫn nhiệt
Là tính chất của vật liệu để cho nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp, tức có gradient nhiệt đô ̣ (∇T).
Đặc trưng của tính dẫn nhiệt là hệ số dẫn nhiệt.
Mối liên hệ giữa hệ số dẫn nhiệt với khối lượng thể tích, nhiệt độ :
Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc rất lớn vào bản chất của vật liệu 14022001960 v2 ,,, −ρ+=λ )2000)(002,01( 00 Cttt ≤≤+= λλ VLXD-Tính chất cơ lý 1-23 Silic ates de ca lcium 500k g/m 3 λ(Wm-1K-1) vs. T(°C) Gạch cách nhiệ t 400 kg/m 3 Tấm mú t th ủy tinh 145 kg/ m3 Silic ate calc ium 200 kg/m 3 Mút p olyure thane 32kg/m 3 Sợ i al um ine 13 0kg /m3 Sợ i k ho án g 1 00 kg /m 3 Bê-tông cốt liệu đá calcite (EC) Silica te ca lcium 500k g/m3 VLXD-Tính chất cơ lý 1-24 Nhiệt dung riêng hay tỉ nhiệt
Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg vật liệu tăng lên 10C
Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và độ ẩm • Nhiệt dung riêng của VL hữu cơ lớn hơn VL khoáng, • Chênh lệch nhiệt dung riêng chất rắn và khí không đáng kể, • Nhiệt dung riêng pha lỏng lớn hơn nhiều so với hai pha kia.
Ví dụ: Tỉ nhiệt của một số loại vật liệu thông dụng • Đá thiên nhiên, nhân tạo: C=0,18 – 0,22 kCal/kg.0C. • Gỗ: C=0,57 – 0,65 kCal / kg.0C. • Thép: C=0,115 kCal / kg.0C. • Nước: C=1,00 kCal / kg.0C 7 VLXD-Tính chất cơ lý 1-25 Nhiệt dung, nhiệt dung riêng
Nhiệt dung của một khối vật liệu G hấp thụ để tăng nhiệt đô ̣ từ t1 đến t2 là: Q = C.G.(t2-t1) (kCal)
Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của vật liệu phụ thuộc vào độ ẩm:
Xác định giá trị nhiệt dung riêng của vật liệu: • Bằng các phân tích DSC, DTA, • Bằng tính toán khi biết các thành phần hỗn hợp. W WCCC nW 01,01 01,0 + + = n nn mmm CmCmCmC +++ +++ = ... ... 21 2211 VLXD-Tính chất cơ lý 1-26 Cp(kJkg-1K-1) vs. T(°C) Bê-tông cốt liệu đá calcite (EC) VLXD-Tính chất cơ lý 1-27 Tính chống cháy, chịu lửa
Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một khoảng thời gian nhất định.
Phân loại: • Vật liệu không cháy : là vật liệu không cháy dưới ngọn lửa ở nhiệt độ cao nhưng có thể bị phá hủy hoặc bị biến dạng ở nhiệt độ >6000C. • Vật liệu khó cháy: là vật liệu bị cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao nhưng khi ngừng tác nhân gây cháy thì vật liệu cũng ngừng cháy. • Vật liệu dễ cháy: là vật liệu có thể bùng cháy dưới tác dụng của nhiệt độ cao. VLXD-Tính chất cơ lý 1-28 Chuyển hoá thành phần
30 – 1050C: bay hơi ẩm.
110 – 1700C: sự phân huỷ của thạch cao (quá trình thu nhiệt)
180 – 3000C: sự mất nước do phân huỷ CSH và CAH
450 – 5500C: mất nước của canxi hydroxit.
700 – 9000C: phân huỷ của canxi cacbonat của xi-măng và một số loại cốt liệu giàu calcite.
Trên 10000C: phá hoại cấu trúc. Một số thành phần bắt đầu có hiện tượng chuyển pha lỏng. Nguồn : A.M.Neville, Properties of Concrete, Longman Scientific & Technical 8 VLXD-Tính chất cơ lý 1-29 Tính chống cháy, chịu lửa
Tính chịu lửa: Là khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà không bị biến dạng và bị chảy.
Có 3 nhóm vật liệu: • Vật liệu chịu lửa: chịu tác dụng t°> 1580°C. Gạch samốt. • Vật liệu khó chảy: chịu tác dụng t°∈ [1350 - 1580°C]. • Vật liệu dễ chảy: Độ chịu lửa < 1350°C. Gạch đất sét.
Vật liệu chịu lửa được sử dụng để xây các bộ phận tiếp xúc với lửa như buồng đốt, ống khói,... và những bộ phận phải chịu lực ở nhiệt độ cao thường xuyên. VLXD-Tính chất cơ lý 1-30 Các tính chất cơ học
Tính chất cơ học của vật liệu là tính biến hình và khả năng chống lại sự phá hoại khi có ngoại lực tác dụng.
Tính biến dạng
Cường độ chiụ lực VLXD-Tính chất cơ lý 1-31 Tính biến dạng
Là tính thay đổi hình dáng và biến đổi thể tích của vật liệu khi có ngoại lực tác dụng.
Bản chất là do ngoại lực tác dụng làm thay đổi hay phá hoại vị trí cân bằng giữa các phân tử bên trong của vật liệu làm cho chúng có sự chuyển vị tương đối. VLXD-Tính chất cơ lý 1-32 Tính biến dạng đàn hồi
Vật liệu bị biến dạng khi chịu tác dụng của ngoại lực va ̀ khi không còn tác dụng của ngoại lực nữa thi nó trở lại hình dáng ban đầu. Tính chất phục hồi này gọi là tính đàn hồi gồm 2 giai đoạn. • Gđ1: Khi ngoại lực gây biến dạng nhỏ hơn lực liên kết trong bản thân vật liệu, nó sẽ gây biến dạng đàn hồi. Công do ngoại lực sinh ra sẽ biến thành nội năng của vật liệu, đó chính là năng lượng đàn hồi. • Gđ2: Khi bỏ tác dụng của ngoại lực, năng lượng đàn hồi sẽ chuyển lại thành công để dịch chuyển các chất điểm về vị trí cân bằng làm cho biến dạng triệt tiêu. 9 VLXD-Tính chất cơ lý 1-33 Tính biến dạng dẻo
Là biến dạng không phục hồi của khối vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực.
Biến dạng dẻo xuất hiện khi ngoại lực tác dụng lớn hơn lực liên kết giữa các chất điểm. Lúc này ngoại lực sinh ra không biến hết thành nội năng và đồng thời gây lực phá hoại mối liên kết giữa các chất điểm trong cấu trúc vật liệu, làm cho biến dạng không thể triệt tiêu,
Hiện tượng biến dạng trước khi phá hoaị, phân biệt • vật liệu thuộc loại dẻo: thép ít carbon. • hay vật liệu dòn: bê-tông, gang. VLXD-Tính chất cơ lý 1-34
Tính biến dạng của vật liệu phụ thuộc vào
Thành phần và cấu trúc của vật liệu→ thể hiện ở modul đàn hồi E
Nhiệt độ.
Tốc độ tăng áp lực VLXD-Tính chất cơ lý 1-35 Tính biến dạng khác
Hiện tượng từ biến là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian khi ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu rắn. Ở nhiệt độ cao vật liệu có hiện tượng từ biến rất rõ rệt.
Hiện tượng chùng ứng suất hay đàn hồi giảm là dưới tác dụng của ngoại lực, giữ cho biến dạng không đổi và ứng suất đàn hồi vật liệu giảm dần theo thời gian.
Ảnh hưởng trực tiếp đến tính bền sử duṇg. VLXD-Tính chất cơ lý 1-36 Cường đô ̣ chiụ lực
Cường độ là khả năng chịu lực của vật liệu chống lại sự phá hoại khi có tác dụng của ngoại lực (như tải trọng, nhiệt độ, gió, thay đổi thời tiết,...).
Cường độ của vật liệu phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, độ đồng nhất của cấu trúc, loại vật liệu,...
Cường độ của vật liệu được biểu thị bằng cường độ chịu nén giới hạn Rn, chịu uốn Ru, chịu kéo Rk, sức chịu cắt Rc,... của vật liệu.
Những giá trị này tương ứng với ứng suất khi mẫu bị phá hoại, tức là trạng thái ở đó vết nứt bắt đầu xuất hiện. 10 VLXD-Tính chất cơ lý 1-37 Cường đô ̣ chiụ nén, kéo, cắt
Là tỉ số giữa lực phá hoại P tác dụng lên mẫu khi nén, kéo, cắt với tiết diện F ban đầu của mẫu vật liệu.
Pp phá hủy mẫu: mẫu được gia tăng lực cho đến khi mẫu bị phá hoại (xuất hiện các vết nứt, bị tách lớp hay biến hình)
Pp không phá hủy mẫu: sử dụng súng bật nẩy và máy dò siêu âm. 2/, mmN F PR nn = 2/, mmN F PR kk = VLXD-Tính chất cơ lý 1-38 Cường đô ̣ chiụ nén, kéo, cắt VLXD-Tính chất cơ lý 1-39 Cường đô ̣ chiụ uốn
Khi thí nghiệm gia lực tác dụng phần trên chịu nén, phần dưới chịu kéo cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn. 1 điểm đặt lực 2 điểm đặt lực 22 3 bh PlR u = 2 )(3 bh alPR u − = VLXD-Tính chất cơ lý 1-40 Độ cứng
Là tính chất của vật liệu chống lại sự xuyên đâm của một vật liệu khác cứng hơn nó. Có 2 phương pháp xác định:
Độ cứng Morh (Đối với vật liệu khoáng); so sánh tương đối hơn hay kém
Độ cứng Brinell (Đối với vật liệu kim loại, gỗ, bê tông). Dùng viên bi thép có đường kính D mm, ấn vào vật liệu cần thử một lực P. Dựa vào vết lõm trên vật liệu nông hay sâu để xác định độ cứng. 11 VLXD-Tính chất cơ lý 1-41 Độ mài mòn
Độ mài mòn là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của lực ma sát. Hiện tượng này thường gặp ở mặt đường, mặt cầu, đường ray.
Xác định độ mài mòn bằng khối lượng vật liệu mất đi trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
Độ mài mòn phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu trúc của vật liệu F mmM m 1 − = VLXD-Tính chất cơ lý 1-42 Độ hao mòn
Độ hao mòn là khả năng của vật liệu chịu tác dụng đồng thời của 2 lực mài mòn và va chạm. Độ hao mòn xác định bằng máy quay hình trống Devan.
Đối với độ hao mòn của đá được qui định: • Hm = 4% : Đá chống hao mòn rất khỏe. • Hm = 4-6% : Đá chống hao mòn khỏe. • Hm = 6-10% : Đá chống hao mòn trung bình. • Hm = 10-15%: Đá chống hao mòn yếu. • Hm > 15% : Đá chống hao mòn rất yếu. - G1, G2 : khối lượng mẫu trước, sau. - Hm: độ hao mòn %