Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu

1. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu CHƯƠNG I CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG I. Khái nhiệm chung về tính chất của vật liệu Đối với một công trình, tuỳ theo công năng của nó khi làm việc vật liệu xây dựng có thể chịu các yếu tố tác động bên ngoài như: - Tác động cơ học (chịu lực trọng lượng bản thân, gió, hoạt tải sử dụng, sóng, động đất, tuyết ) - Tác động hóa học (xâm thực của môi trường axit (các bể nước thải), nước biển, sinh vật biển, nước mưa ) - Các tác dụng khác (áp suất hơi, nhiệt, phóng xạ) Bên trong vật liệu, khả năng làm việc của vật liệu phụ thuộc các yếu tố như: - Sự sắp xếp các cấu trúc - Hàm lượng các thành phần khoáng - Các liên kết (ion, phân tử, cộng hoá trị ) - Thành phần pha Mỗi tính chất của vật liệu được đặc trưng bởi một đại lượng cụ thể, chúng được xác định bằng các thí nghiệm, hay tính toán dẫn xuất Việc xác định các tính chất của từng loại vật liệu sẽ được giới thiệu trong môn học về thí nghiệm Vật liệu xây dựng, phần tiếp theo sẽ trình bày các tính chất cơ bản của vật liệu. II. Các tính chất cơ lý và hoá lý cơ bản của vật liệu II.1. Khối lượng riêng ( [F]/[L]3): (Specific gravity) • Công thức xác định G 3 3 3 γ=a (g/cm , kg/m , Tf/m ) (1-1) Va Trong đó: G - Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô, (g). 3 Va- Thể tích đặc tuyệt đối của vật liệu, (cm ). Bảng I.1 Trình bày một số đặc trưng của các loại vật liệu thông dụng • Phương pháp xác định: - Cân đo với vật liệu đặc hoàn toàn, có kích thước hình học rõ ràng: thép, kính. I- 1
2. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu 4 Gạch đất sét 1.6 - 1.9 nung 5 Bê tông nặng 1.8 - 2.4 6 Gạch silicat 1.2 - 1.6 Mipo có nhiều lỗ 0.02 rỗng II.3. Độ rỗng, r(%): • Công thức xác định V VV− r==r .100%oa .100% (1-3a) VVoo V ⎛⎞V r==−=−r .100%⎜⎟ 1a .100% (1 d).100% (1-3b) VVoo⎝⎠ ⎛⎞γ r=−⎜⎟ 1a .100% (1-3c) ⎝⎠γo Với: Vr: Thể tích lỗ rỗng của vật liệu . Vo : Thể tích tự nhiên của vật liệu. • Phương pháp xác định Theo cách tính toán từ các đại lượng đã biết, hoặc dùng phương pháp bão hoà heli lỏng. • Phạm vi ứng dụng Độ rỗng r là chỉ tiêu quan trọng, ảnh hưởng đến những tính chất khác của vật liệu như khối lượng thể tích γ0, cường độ R, độ hút nước Hp, hệ số truyền nhiệt λ, Vật liệu có r nhỏ sẽ có cường độ cao và độ thấm nước nhỏ. Với vật liệu có r cao lại có độ cách nhiệt cao. Xu hướng hiện nay là chọn những loại vật liệu có độ rỗng nhưng cường độ cao. II.4. Độ đặc, d(%): • Công thức xác định Vao⎛⎞⎛⎞GGγ d== .100%⎜⎟⎜⎟ = .100% (1-4a) Voa⎝⎠⎝⎠γγaoγ γ d= o .100% (1-4b) γa Độ đặc luôn luôn nhỏ hơn 1 và tùy thuộc vào độ rỗng của vật liệu. Vật liệu xốp d = 0.20 ~ 0.30% I- 3
3. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu bh Hệ số bão hòa nước Cbh được đánh giá thông qua độ hút nước thể tích bão hòa Hv và độ rỗng r . Cũng chính là tỉ số % thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng thái bão hòa vối thể tích rỗng của vật liệu . Kí hiệu: Cbh • Công thức: Dùng hệ số bão hòa Cbh để đánh giá mức bão hòa nước: Hbh VV vv ( no) Vn CBH == .100% .100% = (1-6a) rVVV()ro r bh Với: Hv : Độ hút nước bão hòa theo thể tích. R : Độ rỗng của vật liệu. max Cbh = 1. Khi Cbh tăng lượng nước vào lỗ rỗng của vật liệu càng nhiều. Vật liệu càng bão hòa nước, khối lượng thể tích γo , thể tích V0 , hệ số truyền nhiệt λ càng tăng nhưng cường độ R sẽ càng giảm. Phương pháp xác định: Có 2 phương pháp xác định: + Phương pháp 1: - Sấy khô mẫu thí nghiệm, cân G. - Đun trong nước sôi, để nguội. - Cân G1, 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. II.7. Hệ số mềm Định nghĩa: Là tỉ số giữa cường độ của vật liệu đã bão hòa nước với cường độ của nó ở trạng thái khô. Kí hiệu: Mức độ giảm cường độ được biểu thị bằng hệ số mềm Km. R bh Km = (1-7) R k Với: Rbh : Cường độ mẫu bão hòa nước. Rk : Cường độ mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô. I- 5
4. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu Với vật liệu khô trong không khí, λ có thể xác định bởi công thức thực nghiệm gần đúng của Nhê-cra-xốp [Tài liệu] 2 λ=0.0196 + 0.22. γo − 0.14 Hoặc theo công thức của Vla-xốp: λτ = λo (1 + 0.002t) Với: λτ , λο: Hệ số truyền nhiệt ở nhiệt độ τ °C và 0°C. t: Nhiệt độ trung bình khi tiến hành thí nghiệm. Chỉ sử dụng công thức trên khi t < 100°C. II.10. Nhiệt dung - Tỉ nhiệt: a. Nhiệt dung: Là nhiệt lượng vật liệu dung nạp vào khi được nung nóng . Q = C.G.(t1-t2) (kCal) (1-10a) Với: C: Tỉ nhiệt, kCal/ kg. 0C. G: Khối lượng vật liệu được đun nóng, kg. 0 t1: Nhiệt độ vật liệu đã được đun nóng, C. 0 t2: Nhiệt độ vật liệu lúc chưa đun nóng, C. b. Tỉ nhiệt: Tỉ nhiệt C là lượng nhiệt cần thiết tính bằng kCal để đun nóng 1 kg vật liệu nóng lên 1 độ C. Q C = kCal / kg.0C. (1-10b) G(t12− t ) Khi G = 1kg và t1 - t2 = 1°C, ta có C = Q + Tỉ nhiệt của liệu thay đổi theo độ ẩm, được tính theo công thức: C ’ = C + 0,01.W Với: C : Tỉ nhiệt của liệu khô. C ‘ : Tỉ nhiệt của liệu ở độ ẩm W%. W : Độ ẩm của liệu , %. Với liệu hỗn hợp, cấu tạo bởi nhiều thành phần khác nhau (bê-tông , vữa, ). Tỉ nhiệt được tính theo công thức sau : I- 7
5. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu III. 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, III.1. Tính biến hình. Là tính thay đổi hình dáng và biến đổi thể tích của vật liệu khi có ngoại lực tác dụng. Sự biến dạng thực 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. a. Biến dạng đàn hồi. Khi chịu tác dụng của ngoại lực vật liệu bị biến hình, khi không còn tác dụng của ngoại lực nữa thi nó trở lại hình dáng ban đầu. Đây là loại biến dạng đàn hồi. Tính chất phục hồi lại hình dáng ban đầu khi mất ngoại lực tác dụng gọi là tính đàn hồi. Ví dụ : Sự phục hồi lại hình dáng ban đầu của một thanh dầm (bê tông, thép) chịu uốn, lò xo 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. Khi bỏ tác dụng của ngoại lực, năng lượng đàn hồi sẽ chyuển lại thành công để dịch chuyển các chất điểm về vị trí cân bằng làm cho biến dạng triệt tiêu. Lực Lực P P ∆p dA p Biến dạng Biến dạng ∆L λ ∆ Hình I.1b Quan hệ lực và biến dạng dẻo Hình I.1b Quanλ hệ lực và biến dạng đàn hồi b. Biến dạng dẻo. Là biến dạng không phục hồi của khối vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực. I- 9
6. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu P R = max , kG/cm2 (1-11) nk, F P (lực nén) F (d.tích mặt cắt ngang mẫu) Mẫ u thí nghi ệm Hình I.2. Thí nghiệm chịu nén Giới hạn cường độ chịu nén được xác định bằng phương pháp phá hoại mẫu: Mẫu được đặt giiữa 2 mâm nén của thiết bị thí nghiệm và tăng lực cho đến khi mẫu bị phá hoại, là lúc mẫu có xuất hiện các vết nứt, bị tách lớp hay biến hình. b. Giới hạn cường độ chịu uốn, Ru. Để xác định Ru, mẫu được chế tạo ở hình thanh, có tiết diện hình chữ nhật. Khi mẫu làm việc, phần trên chịu nén, phần dưới chịu kéo. Lúc thí nghiệm, mẫu được đặt lên 2 gối tựa và được tác dụng lên bởi 1 hay 2 tải trọng tập trung. Tăng lực cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn. a. Trường hợp đặt tải ở giữa: P P/2 P/2 h L b a a a Hình I.3a. Thí nghiệm uốn a) 1 điểm đặt lực, b) 2 điểm đặt lực 3P.L 3.P.(L− a) R =σ= và R = (1-12a,b) u 2b.h2 u b.h 2 Với: P : Tải trọng gây uốn (kgf)) l : Khoảng cách giữa 2 gối tựa (cm) b,h: Bề rộng, chiều cao tiết diện ngang mẫu, cm. a : Khoảng cách giữa 2 trục đặt tải,cm. I- 11
7. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu Bảng I. 2. Bảng phân loại độ cứng Morh. Chỉ số cứng Tên khoáng vật Đặc điểm độ cứng 1 Tal hoặc phấn Rạch được dễ dàng bằng móng tay 2 Thạch cao Rạch được bằng móng tay 3 Calcit hay thạch cao cứng Rạch được dễ dàng bằng dao thép 4 Rạch được bằng dao thép với áp lực không lớn lắm Fluorine 5 Aán dao mạnh mới rạch được, không rạch được Apatit kính 6 Không rạch được bằng dao thép, làm kính xước Octoclaz nhẹ 7 Có thể rạch được kính dễ dàng, không rạch được Thạch anh bằng dao thép 8 Topal -//- 9 Coridon -//- 10 Kim cương -//- III.4. 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 máy mài mòn. - Mẫu hình trụ có kich thước d = 2.5cm, h = 5cm. - Kẹp mẫu lên dĩa, quay tròn với tốc độ 33 vòng/phút . - Quay trong 1000 vòng và có rắc cát thạch anh cỡ cát thạch anh 0,3-0,6mm (rắc 2.5 lít cát/1000 vòng). Độ mài mòn: GG12− 2 M = (g/cm ) (1-14) m F Hình I.5 Thí nghiệm mài mòn Với: F: Tiết diện mẫu, cm2. G1,G2: Khối lượng mẫu trước và sau khi mài mòn. I- 13
8. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu R k = (1-16) []R Với: R : Cường độ giới hạn thực tế. [R] : Cường độ giới hạn cho phép. III.8. Hệ số phẩm chất của vật liệu. Là tỉ số giữa cường độ R và khối lượng thể tích γo của vật liệu . Kpc được dùng để đánh giá phẩm chất của vật liệu . R Kpc = (1-17) γo Với: R : Cường độ giới hạn của vật liệu (kG/cm2) 3 γo : Khối lượng thể tích của vật liệu (kg/cm ) Kpc càng cao vật liệu càng tốt. MỘT SỐ CÔNG THỨC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ ẨM CỦA VẬT LIỆU 1. Tính khối lượng khô: Mk = Mw - Mk . W ⇒ Mk + Mk . W = Mw Mk (1 + W) = Mw ⇒ Mk = Mw / (1 + W) 2. Tính thể tích khô: k w k k k w V0 = V0 - V0 .∇V ⇒ V0 + V0 .∇V = V0 k w V0 (1 + ∇V) = V0 k w ⇒ V0 = V0 / (1 + ∇V) 3. Tính khối lượng thể tích ở trạng thái ẩm và khô : w w k k γ0 = Mw / V0 γ0 = Mk / V0 VD: Tính ∇V ? Cho biết độ tăng thể tích của mẫu vật liệu là 0.2% khi độ ẩm của nó tăng 1%. Vậy, khi độ ẩm tăng 30%, thì thể tích tăng bao nhiêu ? ∇V = 0.002 x 30 = 0.06 k Để giải bài toán này có thể vận dụng độ rỗng theo công thức : r = 1 - γ0 / γa I- 15