Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 5: Vật liệu polymer-composite

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-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-2 Vật liệu kết dính trong xây dựng VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-3 Khái niệm
Là thành phần liên kết giữa các nguyên liệu khác tạo thành 1 sản phẩm chung, ứng dụng trong xây dựng.
Chất kết dính vô cơ-khoáng
Chất kết dính hữu cơ VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-4 Chất kết dính Vô cơ - khoáng Hữu cơ Không khí Thủy lực Bitume nhựa Nhựa - Sét - Vôi - Thạch cao - Vôi thủy lực - XM La mã Xi măng Portland Portland hỗn hợp Khác - Nhựa phủ đương, vỉa hè, - Nhựa chống thấm - Nhựa thiên nhiên, - Nhựa tổng hợp Acrylic, vinylic, polyester, epoxy - XM Cao nhôm - XM pozzolan - XM xi lò cao - XM sulfat - XM thường - XM trắng - XM bền sulfat - XM tỏa nhiệt thấp 2VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-5 Tự nhiên Không khí Thủy lực Hữu cơ Sét Nhựa cây Thạch cao Vôi Tiền sử Cổ đại Trung đại Hiện đại Vôi pozzolanic XI-MĂNG PORTLAND XM La mã XM thường, XM đặc biệt XM khác XM cao nhôm Nhựa tổng hợp Nhựa đường 1800 1850 1900 1950 VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-6 Sét, VL kết dính tự nhiên
Sét bao gồm các lớp alumino silicate liên kết với nước, đặc trưng khác nhau ở các loại sét.
Đặc trưng bởi; • Kích thước • Trạng thái, tính dẻo • Ái lực giữ nước VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-7 Diện tích bề mặt riêng, m2/g Trương nở thể tích ít ít trung bình lớn VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-8 Tính dẻo của sét Lớp sét Nước liên kết Nước ẩm Hút nước, hồ đất sét 3VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-9 Tính đóng rắn
Công thức Laplace: lực mao quản khi xuất hiện mặt khum trong ống ∆p : chênh lệch áp suất γ : sức căng bề mặt R1, R2: bán kính cong mặt khum trong 2 mặt phẳng trực giao Lớp sét Nước liên kết Nước ẩm Mất nước, đóng rắn VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-10 Bê-tông đất sét
Ưu điểm Không tốn nhiên liệu Nơi hẻo lánh, tự xây dựng Thi công thô sơ Tạo hình đa dạng Chịu lửa, cách nhiệt bảo ôn Sử dụng kèm chất thải nông nghiệp
Nhược điểm Chịu nước kém Bê-tông đất sét sét bùn cát nước Kết dính Chịu nước kém Cần thành phần ổn định VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-11 Biện pháp tăng tính chịu nước
Cơ học; đầm lèn cố kết chặt → giúp giảm độ rỗng
Gia cường, dùng sợi rơm rạ, lá cây → giúp giảm hiện tượng nứt
Chống thấm, giảm tiếp xúc với ẩm ⇒ không cho nước xâm nhập mao quản.
Kết hợp dùng cùng các chất kết dính khác; nhựa, vôi, xi-măng... VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-12 Xây dựng bằng đất sét 4VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-13 Xây dựng bằng đất sét VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-14 Xây dựng bằng đất sét VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-15 Thạch cao xây dựng
Là sp khi nung khoáng gypsum ở nhiệt độ thấp để dehydrat hóa một phần.
Ưu điểm Kiểm soát được thời gian đóng rắn Thi công theo từng lớp, dễ dàng điều chỉnh theo yêu cầu chịu lực, trang trí tiết kiệm nguyên liệu Ít bị co Cách âm, nhiệt tốt Chống cháy rất tốt
Nhược điểm Tránh tiếp xúc trực tiếp với nước Tính acid, ăn mòn Thời gian đóng rắn lâu => sp chế tạo sẵn Bụi, phế thải => sx nhà máy VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-16 Sản xuất thạch cao
Khai thác khoáng gýp từ mỏ, bằng nổ mìn, đào, xúc, ủi với mỏ lộ thiên
Gia công đập nghiền
Sàng phân loại theo đk < 40 mm
Lưu kho, đồng nhất hóa
Nung nhiệt độ 150°c.
Ủ trong silo trong vòng 3 ngày 5VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-17 Sản xuất thạch cao
Trộn 100 kg thạch cao + 70 kg chất độn
Hồ tinh bột, khoai mì
Phụ gia điều chỉnh thời gian đóng rắn
Phụ gia khác VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-18 Tính đóng rắn
CaSO4.1/2H2O hòa tan tốt  CaSO4.2H2O hòa tan kém hơn 5 lần
Cơ chế đóng rắn gồm bước hòa tan và bước kết tinh sản phẩm.
8 phút  san phẳng và 15 phút  làm bằng mặt hồ VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-19 Phụ gia điều chỉnh
Làm chậm đóng rắn: Na2SO4, Na3PO4, đường glucô..., đồng thời giảm nước  cường độ cao
Tăng tốc quá trình đóng rắn: phèn nhôm Al2(SO4)3, K2SO4. VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-20 Cường độ
Phụ thuộc lớn vào lượng nước hào trộn W/P
Dùng dư nước W/P ↑ có thể  cường độ thấp, tính chịu nước càng kém đi.
Rnén sau 28 ngày = 10MPa và Rkéo = 2MPa.
Khi bị thấm ẩm Rnén=3MPa và Rkéo = 0,6MPa. 6VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-21 Tính chất khác
Khối lượng thể tích 600 - 3000 kg/m3
Diện tích bề mặt riêng 1500 - 8000 kg/m2
Khi chịu nhiệt, xảy ra phản ứng phân hủy, chuyển trạng thái, pha • < 80C : ngậm 2 phân tử nước CaSO4.2H2O • 130-180C: ngậm 0,5 phân tử nước α,β CaSO4.0,5H2O • 600-700C: sản phẩm anhydrit I, II, III CaSO4 • 800-1100C: Phân hủy CaSO4  CaO + SO3 VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-22 Sử dụng trong xây dựng
Khoảng ½ sử dụng trong phụ gia xi măng
Còn lại ½ VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-23 Tấm thạch cao
Cấu tạo sandwich kẹp giữa 2 lớp cạc-tông  chịu nước tốt hơn, độ phẳng cần thiết thi công
Chống cháy: • Tấm dày 6cm ngăn cháy lan • Tấm dày 8-10cm, vai trò chống cháy VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-24 Vôi
Là sản phẩm khi nung ở nhiệt độ cao đá vôi tự nhiên 7VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-25 Phân biệt 3 loại vôi
Vôi sống: dạng cục CaO
Vôi tôi: Ca(OH)2 + H2O
Hồ, sữa vôi tôi: Ca(OH)2 + nH2O VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-26 Sản xuất VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-27 Tính đóng rắn
Bao gồm một số cơ chế như sau:
từ quá trình mất nước
từ quá trình kết tinh sản phẩm
từ phản ứng carbonat hóa VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-28 Cường độ và ứng dụng
Vữa vôi : gồm trộn 1 phần hồ vôi + 3-5 phần cát • Rnén sau 28 ngày: 0,5 - 1 N/mm2 • Rnén sau 1 năm: 5 - 7 N/mm2
Lưu ý, còn phụ thuộc độ tinh khiết vôi
Dùng trát, tô trang trí, xây,
Xử lý nền sình: 2-4% vôi sống+đất sét  bay hơi nước, pứng pozzolanic về lâu dài  gia cường
Viên xây bê-tông khí chưng áp AAC 8VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-29 vôi nước định lượng nghiền mịn cát cát mịn cát thô bãi sàng sơ bộ̣ phản ứng đổ ̉ khuôn, tạo hình ép cắt, tạo viên autoclave lưu kho viên silicate-calcium, chưng áp Viên xây silicate- calcium, chưng áp VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-30 Vôi thủy lực
Là sản phẩm nung kết hợp đá vôi với đất sét, tồn tại đồng thời ở một số mỏ khai thác đá vôi ĐÁ VÔI 6-20% SÉT 900-1200C CaO + tp thủy lực (C2S, F, A, C, S) Đóng rắn không khí Đóng rắn thủy hóa như XM VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-31 Cường độ và sử dụng
Rnén sau 28 ngày đạt 2-5MPa tùy thuộc chất lượng vôi, hàm lượn sét tạo khoáng thủy lực.
Vật liệu san nền, gia cường
Vữa trét ngoài trời
Trộn sợi thực vật làm bê-tông sợi cách nhiệt
Dùng kết hợp xi măng ⇒ cường độ cao, thi công dễ, dẻo VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-32 Xi măng La Mã
Xi măng có tính đóng rắn nhanh, sử dụng trước xi măng Portland
Sản phẩm nung đá vôi mác-nơ tự nhiên có sét khoảng 50% ở 900-1000°C. Thành phần thu được có hàm lượng 3CaO.Al2O3 (C3A) cao cho phép tính đóng rắn nhanh.
Dùng 5% thạch cao phụ gia, cho cường độ cao.
Vôi sống cũng chiếm một phần nhỏ trong sản phẩm.
Ứng dụng sửa chữa nhanh 9VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-33 Vật liệu polymer-composite VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-34 Khái niệm và thành phần
Vật liệu polymer hay vật liệu nhựa dẻo
Có đặc tính chung tính dẻo khi ở trạng thái gia nhiệt
Khoảng 30-40% dùng trong lĩnh vực xây dựng
Nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp, VD; cao su, da, sợi
Trạng thái sử dụng, dạng khối, sợi, lá, tấm, kết dính, nở phồng... VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-35 Ưu nhược điểm
Ưu điểm
Khối lượng thể tích bé (tấm <1000; mút <100kg/m3)
Khả năng biến tính rất đa dạng
Tính trơ
Tạo hình dễ dàng
Cách nhiệt rất tốt, cách điện
Nhược điểm
Bị lão hóa
Lưu ý tiếp xúc nhiệt độ
Mềm, đàn hồi kém
Bắt cháy
Nguyên liệu sản xuất hạn chế Ứng dụng thành phần không chịu lực, để bao che, cách nhiệt âm, bảo vệ, hoàn thiện trang trí VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-36 Nguyên liệu và tổng hợp
Chế phẩm từ dầu mỏ, hoặc có thể từ khí gaz, than đá...
Craking và chưng cất chế tạo các monomer  liên kết chúng thành polymer
Sản phẩm PVC, PMMA từ trùng ngưng 1 loại monomer
Sản phẩm polyester PET, polyamid (PA), polyurethan từ trùng ngưng nhiều loại monomer 10 VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-37 Nhựa nhiệt dẻo PE
Polyethylen (PE); dưới áp suất 1000-2000MPa ở nhiệt độ 150-300°C
Monomer: CH2=CH2
Polymer: -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-38 Nhựa nhiệt dẻo PTFE
Poly tetra fluoro ethylen (PTFE Teflon)
Monomer: CF2=CF2
Polymer: -CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-
Bền, kết hợp với sợi thủy tinh thành hệ composite VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-39 Nhựa nhiệt dẻo PVC
Poly vinyle chlorure (PVC)
Polymer: -CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-
Cứng, không cháy, bền môi trường, chịu tẩy rửa tốt VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-40 PVC 11 VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-41 Nhựa nhiệt dẻo PP
Polypropylen (PP)
CT: -CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-
Bền, không tan, dưới 100C cho cường độ tốt nên dùng làm sợi gia cường bê-tông VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-42 Nhựa nhiệt dẻo PS
Polystyren (PS)
Công thức;
Mềm, dễ tạo hình
Có tính nở phồng  tấm cách nhiệt VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-43 Nhựa nhiệt rắn PF, MF, UP, EP
Nhựa phenol (PF)
Nhựa melamin (MF)
Nhựa polyester (UP)
Nhựa epoxid (EP)
Đặc tính bền, không cháy, chịu ăn mòn... VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-44 Nhựa dẻo
Biến dạng lớn >100%
Khe co dãn, lót đỡ dầm cầu
Chống rung, chống thấm 12 VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-45 2 loại composite trên nền nhựa
Composite dùng sợi gia cường
Composite cấu tạo xếp lớp VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-46 Composite dùng sợi gia cường
Ma trận nhựa nhiệt cứng epoxid, polyester
Ma trận nhựa nhiệt dẻo
Sợi thủy tinh
Sợi PP, sợi carbon
Phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm sợi bao gồm độ bền, chiều dài, phương VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-47 Composite cấu tạo xếp lớp
Cấu tạo sandwich gồm 3 lớp trong đó 2 lớp da cứng chịu lực uốn chính, 1 lớp lõi có đặc tính nhẹ, chịu lực nén chính.
Ứng dụng làm mái, sàn, tường, gia cường cầu. VLXD-CKD & Vật liệu Polymer-Composite 5-48