Luận văn: khái niệm, tính chất và cấu trúc vật liệu xây dựng
CHƯƠNG I
CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng (VLXD)
Quá trình làm việc trong kết cấu công trình, vật liệu phải chịu sự tác dụng
của tải trọng bên ngoài và môi trường xung quanh. Tải trọng sẽ gây ra biến dạng
và ứng suất trong vật liệu. Do đó, để kết cấu công trình làm việc an toàn thì
trước tiên vật liệu phải có các tính chất cơ học theo yêu cầu. Ngoài ra, vật liệu
còn phải có đủ độ bền vững chống lại các tác dụng vật lý và hóa học của môi
trường. Trong một số trường hợp đối với vật liệu còn có một số yêu cầu riêng về
nhiệt, âm, chống phóng xạ v.v... Như vậy, yêu cầu về tính chất của vật liệu rất
đa dạng. Song để nghiên cứu và sử dụng vật liệu, có thể phân tính chất của nó
thành những nhóm như: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc,
nhóm tính chất vật lý, tính chất cơ học, tính chất hóa học và một số tính chất
mang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tính tuổi thọ v.v...
Các tham số đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc của vật liệu là những tính
chất đặc trưng cho quá trình công nghệ, thành phần pha, thành phần khoáng hóa,
thí dụ khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ rỗng, độ đặc, độ mịn, v.v...
Những tính chất vật lý xác định mối quan hệ của vật liệu với môi trường
như tính chất có liên quan đến nước, đến nhiệt, điện, âm, tính lưu biến của vật
liệu nhớt, dẻo...
Những tính chất cơ học xác định quan hệ của vật liệu với biến dạng và sự
phá hủy nó dưới tác dụng của tải trọng như cường độ, độ cứng, độ dẻo v.v...
Các tính chất hóa học có liên quan đến những biến đổi hóa học và độ bền
vững của vật liệu đối với tác dụng của các nhân tố hóa học.
Để tránh những ảnh hưởng của các yếu tố khách quan trong quá trình thí
nghiệm, các tính chất của vật liệu phải được xác định trong điều kiện và phương
pháp chuẩn theo quy định của tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam. Khi đó tính chất
được xác định là những tính chất tiêu chuẩn. Ngoài các tiêu chuẩn nhà nước còn
các tiêu chuẩn cấp ngành, cấp bộ.
Các tiêu chuẩn có thể được bổ sung và chỉnh lí tùy theo trình độ sản xuất và
yêu cầu sử dụng vật liệu.
Hiện nay ở nước ta, đối với 1 số loại VLXD chưa có tiêu chuẩn và yêu cầu
kỹ thuật quy định thì có thể dùng các tiêu chuẩn của nước ngoài.
1.1.2 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất
Cấu trúc của vật liệu được biểu thị ở 3 mức: cấu trúc vĩ mô (cấu trúc có thể
quan sát bằng mắt thường), cấu trúc vi mô (chỉ quan sát bằng kính hiển vi) và
cấu trúc trong hay cấu tạo chất (phải dùng những thiết bị hiện đại để quan sát và
nghiên cứu như kính hiển vi điện tử, phân tích rơngen)
Cấu trúc vĩ mô .Bằng mắt thường người ta thể phân biệt các dạng cấu trúc
này như: đá nhân tạo đặc, cấu trúc tổ ong, cấu trúc dạng sợi, dạng lớp, dạng hạt
rời...
3
Vật liệu đá nhân tạo đặc rất phổ biến trong xây dựng như bê tông nặng,
gạch ốp lát, gạch silicat. Những loại vật liệu này thường có cường độ, khả năng
chống thấm, chống ăn mòn tốt hơn các loại vật liệu rỗng cùng loại, nhưng nặng
và tính cách âm, cách nhiệt kém hơn. Bằng mắt thường cũng có thể nhìn thấy
những liên kết thô của nó, ví dụ: thấy được lớp đá xi măng liên kết với hạt cốt
liệu, độ dày của lớp đá, độ lớn của hạt cốt liệu: phát hiện được những hạt, vết
rạn nứt lớn, v.v...
Vật liệu cấu tạo rỗng có thể là những vật liệu có những lỗ rỗng lớn như bê
tông khí, bê tông bọt, chất dẻo tổ ong hoặc những vật liệu có những lỗ rỗng bé
(vật liệu dùng đủ nước, dùng phụ gia cháy). Loại vật liệu này có cường độ, độ
chống ăn mòn kém hơn vật liệu đặc cùng loại, nhưng khả năng cách nhiệt, cách
âm tốt hơn. Lượng lỗ rỗng, kích thước, hình dạng, đặc tính và sự phân bố của lỗ
rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu.
Vật liệu có cấu tạo dạng sợi, như gỗ, các sản phẩm có từ bông khoáng và
bông thủy tinh, tấm sợi gỗ ép v.v... có cường độ, độ dẫn nhiệt và các tính chất
khác rất khác nhau theo phương dọc và theo phương ngang thớ.
Vật liệu có cấu trúc dạng lớp, như đá phiến ma, diệp thạch sét v.v... là vật
liệu có tính dị hướng (tính chất khác nhau theo các phương khác nhau).
Vật liệu hạt rời như cốt liệu cho bê tông, vật liệu dạng bột (xi măng, bột vôi
sống) có các tính chất và công dụng khác nhau tùy theo thành phần độ lớn và
trạng thái bề mặt hạt.
Cấu trúc vi mô của vật liệu có thể là cấu tạo tinh thể hay vô định hình.
Cấu tạo tinh thể và vô định hình chỉ là hai trạng thái khác nhau của cùng một
chất. Ví dụ oxyt silic có thể tồn tại ở dạng tinh thể thạch anh hay dạng vô định
hình (opan). Dạng tinh thể có độ bền và độ ổn định lớn hơn dạng vô định hình.
SiO2 tinh thể không tương tác với Ca(OH)2 ở điều kiện thường, trong khi đó
SiO2 vô định hình lại có thể tương tác với Ca(OH)2 ngay ở nhiệt độ thường.
Cấu tạo bên trong của các chất là cấu tạo nguyên tử, phân tử, hình dạng
kích thước của tinh thể, liên kết nội bộ giữa chúng. Cấu tạo bên trong của các
chất quyết định cường độ, độ cứng, độ bền nhiệt và nhiều tính chất quan trọng
khác.
Khi nghiên cứu các chất có cấu tạo tinh thể, người ta phải phân biệt chúng
dựa vào đặc điểm của mối liên kết giữa các phần tử để tạo ra mạng lưới không
gian. Tùy theo kiểu liên kết, mạng lưới này có thể được hình thành từ các
nguyên tử trung hòa (kim cương, SiO2) các ion (CaCO3 , kim loại), phân tử
(nước đá) .
Liên kết cộng hóa trị được hình thành từ những đôi điện tử dùng chung,
trong những tinh thể của các chất đơn giản (kim cương, than chì) hay trong các
tinh thể của hợp chất gồm hai nguyên tố (thạch anh). Nếu hai nguyên tử giống
nhau thì cặp điện tử dùng chung thuộc cả hai nguyên tử đó. Nếu hai nguyên tử
có tính chất khác nhau thì cặp điện tử bị lệch về phía nguyên tố có tính chất á
kim mạnh hơn, tạo ra liên kết cộng hóa trị có cực (H2O). Những vật liệu có liên
kết dạng này có cường độ, độ cứng cao và rất khó chảy.
4
Liên kết ion được hình thành trong các tinh thể vật liệu mà các nguyên tử
khi tương tác với nhau nhường điện tử cho nhau hình thành các ion âm và ion
dương. Các ion trái dấu hút nhau để tạo ra phân tử. Vật liệu xây dựng có liên kết
loại này (thạch cao, anhiđrit) có cường độ và độ cứng thấp, không bền nước,
trong những loại VLXD thường gặp như canxit, fenspat với những tinh thể phức
tạp gồm những tinh thể gồm cả liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Bên trong
ion phức tạp là liên kết cộng hóa trị. Nhưng chính nó liên kết với Ca
−2
3
CO 2+
bằng liên kết ion (CaCO3) có cường độ khá cao.
Liên kết phân tử được hình thành chủ yếu trong những tinh thể của các chất
có liên kết cộng hóa trị.
Liên kết silicat là liên kết phức tạp, được tạo thành từ khối 4 mặt SiO4 liên
kết với nhau bằng những đỉnh chung (những nguyên tử oxi chung) tạo thành
mạng lưới không gian ba chiều với những tính chất đặc biệt cho VLXD. Điều đó
cho phép coi chúng như là các polime vô cơ.
1.1.3. Quan hệ giữa thành phần và tính chất
Vật liệu xây dựng được đặc trưng bằng 3 thành phần: Hóa học, khoáng vật
và thành phần pha.
Thành phần hóa học được biểu thị bằng % hàm lượng các oxyt có trong
vật liệu. Nó cho phép phán đoán hàng loạt các tính chất của VLXD: tính chất
chịu lửa, bền sinh vật, các đặc trưng cơ học và các đặc tính kỹ thuật khác. Riêng
đối với kim loại hoặc hợp kim thì thành phần hóa học được tính bằng % các
nguyên tố hóa học
Thành phần hóa học được xác định bằng cách phân tích hóa học (kết quả
phân tích được biểu diễn dưới dạng các oxyt)
Các oxyt trong vật liệu vô cơ liên kết với nhau thành các muối kép, được
gọi là thành phần khoáng vật.
Thành phần khoáng vật
Thành phần khoáng vật quyết định các tính chất cơ bản của vật liệu.
Khoáng 3CaO.SiO2 và 3CaO.Al2O3 trong xi măng pooc lăng quyết định tính
đóng rắn nhanh, chậm của xi măng, khoáng 3Al2O3 2SiO2 quyết định tính chất
của vật liệu gốm.
Biết được thành phần khoáng vật ta có thể ta có thể phán đoán tương đối
chính xác các tính chất của VLXD.
Việc xác định thành phần khoáng vật khá phức tạp, đặc biệt là về mặt định
lượng. Vì vậy người ta phải dùng nhiều phương pháp để hỗ trợ cho nhau : phân
tích nhiệt vi sai, phân tích phổ rơnghen, laze, kính hiển vi điện tử v.v...
Thành phần pha
Đa số vật liệu khi làm việc đều tồn tại ở pha rắn. Nhưng trong vật liệu luôn
chứa một lượng lỗ rỗng, bên ngoài pha rắn nó còn chứa cả pha khí (khi khô) và
pha lỏng (khi ẩm). Tỉ lệ của các pha này trong vật liệu có ảnh hưởng đến chất
lượng của nó, đặc biệt là các tính chất về âm, nhiệt, tính chống ăn mòn, cường
độ v.v...
5
Thành phần các pha biến đổi trong quá trình công nghệ và dưới sự tác động
của môi trường. Sự thay đổi pha làm cho tính chất của vật liệu cùng thay đổi. Ví
dụ nước chứa nhiều trong các lỗ rỗng của vật liệu sẽ ảnh hưởng xấu đến tính
chất nhiệt, âm và cường độ của vật liệu, làm cho vật liệu bị nở ra v.v...
Ngoài vật liệu rắn, trong xây dựng còn loại vật liệu phổ biến ở trạng thái
nhớt dẻo. Các chất kết dính khi nhào trộn với dung môi (thường là nước), khi
chưa rắn chắc có cấu trúc phức tạp và biến đổi theo thời gian: giai đoạn đầu ở
trạng thái dung dịch, sau đó ở trạng thái keo. Trạng thái này quyết định các tính
chất chủ yếu của hỗn hợp. Trong hệ keo, mỗi hạt keo gồm có nhân keo, lớp hấp
thụ và ngoài cùng là lớp khuyếch tán. Chúng được liên kết với nhau bằng các
lực phân tử, lực ma sát, lực mao dẫn, v.v... mỗi loại chất kết dính khi nhào trộn
với dung môi thích hợp sẽ cho một hệ keo nhất định.
1.2. Tính chất vật lý
1.2.1. Các thông số trạng thái
Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu
ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng).
Khối lượng riêng được ký hiệu bằng
ρ
và tính theo công thức :
33 kg/mkg/l;;g/cm
V
m
ρ=
Trong đó :
m : Khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô, g, kg
V : Thể tích hoàn toàn đặc của vật liệu, cm3, l, m3.
Tuỳ theo từng loại vật liệu mà
có những phương pháp xác định
khác nhau. Đối với vật liệu hoàn
toàn đặc như kính, thép v.v...,
ρ
được xác định bằng cách cân và đo
mẫu thí nghiệm, đối những vật liệu
rỗng thì phải nghiền đến cỡ hạt <
0,2 mm và những loại vật liệu rời
có cỡ hạt bé (cát, xi măng...) thì
ρ
được xác định bằng phương pháp
bình tỉ trọng (hình 1.1).
Khối lượng riêng của vật liệu
phụ thuộc vào thành phần và cấu
trúc vi mô của nó, đối với vật liệu
rắn thì nó không phụ thuộc vào
thành phần pha. Khối lượng riêng
của vật liệu biến đổi trong một
Hình 1-1: Bình tỉ trọng
6
phạm vi hẹp, đặc biệt là những loại vật liệu cùng loại sẽ có khối lượng riêng
tương tự nhau. Người ta có thể dùng khối lượng riêng để phân biệt những loại
vật liệu khác nhau, phán đoán một số tính chất của nó.
Khối lượng thể tích
Khối lượng thể tích của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật
liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng).
Nếu khối lượng của mẫu vật liệu là m và thể tích tự nhiên của mẫu là Vv
thì: )T/m,kg/m,g/cm(
V
m
ρ333
V
V=
Bảng 1-1
Tên VLXD ρ,
(g/cm3)
ρv,
(g/cm3)r, (%) Hệ số dẫn nhiệt λ,
(kCal/m°Ch)
Bê tông
-nặng
-nhẹ
-tổ ong
Gạch :
-thường
-rỗng ruột
-granit
-túp núi lửa
Thuỷ tinh:
-kính cửa sổ
-thuỷ tinh bọt
Chất dẻo
-chất dẻo cốt thuỷ tinh
-mipo
Vật liệu gỗ :
-gỗ thông
-tấm sợi gỗ
2,6
2,6
2,6
2,65
2,65
2,67
2,7
2,65
2,65
2,0
1,2
1,53
1,5
2,4
1,0
0,5
1,8
1,3
1,4
1,4
2,65
0,30
2,0
0,015
0,5
0,2
10
61,5
81
3,2
51
2,40
52
0,0
88
0,0
98
67
86
1,00
0,30
0,17
0,69
0,47
0,43
0,50
0,10
0,43
0,026
0,15
0,05
Từ số liệu ở bảng 1-1, ta thấy:
ρ
v của vật liệu xây dựng dao động trong một
khoảng rộng. Đối với vật liệu cùng loại có cấu tạo khác nhau thì ρv khác nhau,
ρv còn phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Vì vậy, trong thực tế buộc phải xác
định ρv tiêu chuẩn. Việc xác định khối lượng mẫu được thực hiện bằng cách
cân, còn Vv thì tùy theo loại vật liệu mà dùng một trong ba cách sau : đối với
mẫu vật liệu có kích thước hình học rõ ràng ta dùng cách đo trực tiếp; đối với
mẫu vật liệu không có kích thước hình học rõ ràng thì dùng phương pháp chiếm
chỗ trong chất lỏng; đối với vật liệu rời (xi măng, cát, sỏi) thì đổ vật liệu từ một
chiều cao nhất định xuống một dụng cụ có thể tích biết trước.
Dựa vào khối lượng thể tích của vật liệu có thể phán đoán một số tính chất
của nó, như cường độ, độ rỗng, lựa chọn phương tiện vận chuyển, tính toán
trọng lượng bản thân kết cấu.
7
1.2.2. Đặc trưng cấu trúc
Đặc trưng cấu trúc của vật liệu xây dựng là độ rỗng và độ đặc.
Độ rỗng r (số thập phân, %) là thể tích rỗng chứa trong một đơn vị thể tích
tự nhiên của vật liệu.
Nếu thể tích rỗng là Vr và thể tích tự nhiên của vật liệu là Vv thì :
v
r
V
V
r=
Trong đó : Vr = Vv-V
Do đó : ρ
ρ
−=−=
−
=v
vr
v1
V
V
1
V
VV
r
Lỗ rỗng trong vật liệu gồm lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở. Lỗ rỗng hở là lỗ rỗng
thông với môi trường bên ngoài.
Đối với vật liệu dạng hạt còn phân ra lỗ rỗng trong hạt và lỗ rỗng giữa các
hạt.
Độ rỗng hở (rh ) là tỉ số giữa tổng lỗ rỗng chứa nước bão hòa và thể tích tự
nhiên của vật liệu:
nv
12
h
1
V
mm
rρ
×
−
=
Trong đó: m1 và m2 là khối lượng của mẫu ở trạng thái khô và trạng thái
bão hòa nước.
Lỗ rỗng hở có thể thông với nhau và với môi trường bên ngoài, nên chúng
thường chứa nước ở điều kiện bão hòa bình thường như ngâm vật liệu trong
nước. Lỗ rỗng hở làm tăng độ thấm nước và độ hút nước, giảm khả năng chịu
lực. Tuy nhiên trong vật liệu và các sản phẩm hút âm thì lỗ rỗng hở và việc
khoan lỗ lại cần thiết để hút năng lượng âm.
Độ rỗng kín (rk ): rk = r-rh
Vật liệu chứa nhiều lỗ rỗng kín thì cường độ cao, cách nhiệt tốt.
Độ rỗng trong vật liệu dao động trong một phạm vi rộng từ 0 đến 98%. Dựa
vào độ rỗng có thể phán đoán một số tính chất của vật liệu: cường độ chịu lực,
tính chống thấm, các tính chất có liên quan đến nhiệt và âm.
Độ đặc (đ) là mức độ chứa đầy thể tích vật liệu bằng chất rắn: đρ
ρv
=
Như vậy r + đ = 1 ( hay 100%), có nghĩa là vật liệu khô bao gồm bộ khung
cứng để chịu lực và lỗ rỗng không khí.
Độ mịn hay độ lớn của vật liệu dạng hạt, dạng bột là đại lượng đánh giá
kích thước hạt của nó.
Độ mịn quyết định khả năng tương tác của vật liệu với môi trường (hoạt
động hóa học, phân tán trong môi trường), đồng thời ảnh hưởng nhiều đến độ
rỗng giữa các hạt. Vì vậy tuỳ theo từng loại vật liệu và mục đích sử dụng người
ta tăng hay giảm độ mịn của chúng. Đối với vật liệu rời khi xác định độ mịn
thường phải quan tâm đến từng nhóm hạt, hình dạng và tính chất bề mặt hạt, độ
nhám, khả năng hấp thụ và liên kết với vật liệu khác.
8
có thể bạn quan tâm
Tiểu luận: Khái niệm về Matlab,tổng quan về cấu trúc dữ liệu Matlab, c...
138
1.778
304
Kỹ thuật
138
(New)
Luận văn: Khái niệm, đặc điểm của nguyên vật liệu, các phương pháp kế...
76
1.360
406
Kinh tế quản lý
76
(New)
Luận văn thạc sỹ: Khái niệm thẻ ATM,tổng quan dịch vụ, phân tích và ng...
85
1.161
350
Thạc sĩ cao học
85
(New)
Luận văn: Khái niệm về phần mềm SPSS và các ứng dụng của nó
31
899
328
Kỹ thuật
31
(New)
Luận văn: Khái niệm thương mại điện tử và Khai phá dữ liệu trong Thươn...
56
1.308
436
Kinh tế - Thương mại
56
(New)
Tiểu luận: Ứng dụng và khái niệm trong lập trình
59
926
275
Kỹ thuật
59
(New)
Tóm tắt luận án thạc sĩ: Tổng quan các phương pháp khai thác dữ liệu,...
19
950
382
Thạc sĩ cao học
19
(New)
Luận văn thạc sĩ: Khái quát về khai phá dữ liệu web, các kỹ thuật tríc...
26
905
350
Thạc sĩ cao học
26
(New)
thông tin tài liệu
Quá trình làm việc trong kết cấu công trình, vật liệu phải chịu sự tác dụng của tải trọng bên ngoài và môi trường xung quanh. Tải trọng sẽ gây ra biến dạng và ứng suất trong vật liệu. Do đó, để kết cấu công trình làm việc an toàn thì trước tiên vật liệu phải có các tính chất cơ học theo yêu cầu. Ngoài ra, vật liệu còn phải có đủ độ bền vững chống lại các tác dụng vật lý và hóa học của môi trường. Trong một số trường hợp đối với vật liệu còn có một số yêu cầu riêng về nhiệt, âm, chống phóng xạ v.v... Như vậy, yêu cầu về tính chất của vật liệu rất đa dạng. Song để nghiên cứu và sử dụng vật liệu, có thể phân tính chất của nó thành những nhóm như: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc, nhóm tính chất vật lý, tính chất cơ học, tính chất hóa học và một số tính chấtmang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tính tuổi thọ v.v...
Mở rộng để xem thêm
tài liệu mới trong mục này
SƠ LƯỢC QUA VỀ TRUYỀN HÌNH ĐEN TRẮNG VÀ KHUẾCH ĐẠI HÌNH VÀ ĐÈN HÌNH (VIDEO AMP - CRT)
GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN
Giới thiệu tổng quan về tổng đài SPC, tổng đài NEAX61-E và nghiên cứu Modul giao tiếp trung kế số DTIM
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VẠN NĂNG
NGHIÊN CỨU BỘ CHẤN LƯU 3 CHỨC NĂNG CHO ĐÈN NEON
tài liệu hot trong mục này
Tiểu luận quản trị học: Khái niệm quản trị, chức năng quản trị, giới thiệu về MICROSOFT, TOYOTA VÀ VINAMILK và phân tích chức năng quản trị hệ thống
HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN TÀU THỦY, TRẠM PHÁT TÀU 700 TEU VÀ BẢNG ĐIỆN CHÍNH TÀU 700 TEU.
SƠ LƯỢC QUA VỀ TRUYỀN HÌNH ĐEN TRẮNG VÀ KHUẾCH ĐẠI HÌNH VÀ ĐÈN HÌNH (VIDEO AMP - CRT)
GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN
Giới thiệu tổng quan về tổng đài SPC, tổng đài NEAX61-E và nghiên cứu Modul giao tiếp trung kế số DTIM
tài liệu giúp tôi
Nếu bạn không tìm thấy tài liệu mình cần có thể gửi yêu cầu ở đây để chúng tôi tìm giúp bạn!
×
