Chương 1; Những tính chất của vật liệu xây dựng | Môn Vật liệu xây dựng - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58931565
CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VLXD
1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT CỦA VLXD – PHÂN LOẠI
1.1.1. Khái niệm chung:
Các vật liệu xây dựng dù tồn tại ở trạng thái rắn hay lỏng, dù có nguồn gốc thiên
nhiên hay nhân tạo và dù có bản chất vô cơ hay hữu cơ, thì trước hết đều là những vật thể
vật lý. Bởi sự tồn tại của nó được xác định bằng các thông số vật lý đặc trưng cho thành
phần và cấu trúc, thí dụ như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ rỗng, độ mịn, ….
Trong quá trình khai thác sử dụng vật liệu thường xuyên phải chịu tác động của tải
trọng bên ngoài và các điều kiện môi trường (cơ học, vật lý, hoá học, …). Những tác động
này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến vật liệu thậm chí có thể phá hoại nó dẫn đến phá hoại
công trình. Do đó, vật liệu cần phải có đủ khả năng đáp ứng với mọi điều kiện làm việc của
công trình để đảm bảo an toàn cho nó trong sốt thời gian khai thác và sử dụng. Những khả
năng này cùng với các thông số vật lý đã nêu trên đuợc gọi là các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng. 1.1.2. Phân loại:
Có thể phân thành hai nhóm tính chất:
Nhóm có các tính chất đặc trưng cho trạng thái cấu trúc.
Nhóm có các tính chất: vật lý, cơ học, hóa học
Các tính chất của VLXD được xác định theo các quy trình thí nghiệm được quy định
chặt chẽ trong các tiêu chuẩn nhà nước (TCVN), hay hệ thống tiêu chuẩn ngành (TCN).
Việc nghiên cứu nắm vững các tính chất của VLXD là vô cùng cần thiết làm cơ sở
cho việc so sánh, đánh giá chất lượng và lựa chon nó cho việc xây dựng công trình nhằm
đạt hiệu quả cao nhất cả về mặt kinh tế và kỹ thuật.
1.1.3. Sự phụ thuộc của tính chất vào cấu trúc và thành phần:
Phụ thuộc vào cấu trúc: cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô
Phụ thuộc vào thành phần: thành phần hóa học, thành phần khoáng vật, thành phần pha
1.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ
NHÓM CÁC TÍNH CHẤT LIÊN QUAN ĐẾN CẤU TẠO BẢN THÂN VẬT LIỆU
1.2.1. Khối lượng riêng . 1.2.1.1. Khái niệm:
Khối lượng riêng ( ) là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc. lOMoAR cPSD| 58931565 1.2.1.2. Công thức: =g/cm3; kg/dm3; kg/l; T/m3. Trong đó:
G: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, (g).
Va: Thể tích mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, (cm3).
1.2.1.3. Cách xác định: Xác định G:
Sấy khô mẫu vật liệu đến khối lượng không đổi (105o ± 5oC) rồi dùng cân kỹ thuật để xác định (± 0.1g). Xác định Va:
Với những vật liệu được xem là hoàn toàn đặc (như thép, kính …) có hình dạng hình học
(như khối lập phương, …) hoặc được gia công tạo thành mẫu có hình dạng hình học: dùng
thước đo các kích thước hình học của mẫu Va.
Với những vật liệu có cấu trúc rỗng (gạch, bê tông): phải nghiền nhỏ nó thành những hạt
có đường kính <0.2mm Va = thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ khi cho bột vật liệu vào trong bình tỉ trọng.
1.2.1.4. Ý nghĩa vật lý:
Khối lượng riêng của vật liệu chỉ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và cấu trúc vi mô
của nó nên biến động trong một phạm vi nhỏ
Dùng để tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp, một số chỉ tiêu vật lý khác ...
Đối với vật liệu hỗn hợp, khối lượng riêng được lấy bằng khối lượng riêng trung bình
xác định theo công thức sau:
1.2.1.5. Khối lượng riêng của một số loại vật liệu thường gặp:
Đá thiên nhiên : 2,5 ÷ 3 g/cm3
Gạch ngói đất sét nung : 2,6 ÷ 2,7 g/cm3
Ximăng 2,9 ÷ 3,2 g/cm3
Bêtông nặng : 2,5 ÷ 2,6 g/cm3
Vật liệu hữu cơ (gỗ, bitum, chất dẻo, v.v...): 0,9 ÷ 1,6 g/cm3
1.2.2. Khối lượng thể tích. 1.2.2.1. Khái niệm:
Khối lượng thể tích (khối lượng thể tích tự nhiên) wo ( tno) là khối lượng của một đơn
vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng). lOMoAR cPSD| 58931565
Khối lượng thể tích tiêu chuẩn tco ( o) : là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu
ở trạng thái t ự nhiên sau khi được sấy khô ở nhiệt độ 105 oC ÷ 110 oC đến khối lượng không ổi.
Khối lượng thể tích xốp xo: là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu dạng hạt
rời rác được đ ổ đống ở trạng thái tự nhiên 1.2.2.2. Công thức: g/cm3; kg/dm3; kg/l; T/m3. Trong đó:
Gư: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, (g)
Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, (g).
Vo: Thể tích mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng), (cm3).
1.2.2.3. Cách xác định: Xác định Gk:
o Sấy khô mẫu vật liệu đến khối lượng không đổi (105o ± 5oC) rồi dùng
cân kỹ thuật để xác định (± 0.1g). Xác định Vo:
o Với những vật liệu có hình dạng hình học (như khối lập phương, …)
hoặc được gia công tạo thành mẫu có hình dạng hình học: dùng thước
đo các kích thước hình học của mẫu Vo.
o Những vật liệu đặc nhưng không có hình dạng hình học nhất định:
Phương pháp vật liệu chiếm chỗ chất lỏng: bọc parafin hoặc ngâm mẫu bão hòa nước: Trong đó:
G1: Khối lượng vật liệu có bọc parafin cân trong không khí.
G2: Khối lượng vật liệu có bọc parafin cân trong nước.
G: Khối lượng vật liệu không bọc parafin cân trong không khí.
Gn, Gp: khối lượng riêng của nước và parafin.
o Vật liệu dạng hạt rời rạc: xác định khối lượng thể tích xốp: Dùng
phương pháp đổ đống: Đổ đống vật liệu vào một thùng đong có dung lOMoAR cPSD| 58931565
tích biết trước Vthùng ở một độ cao nhất định. Cân khối lượng vật liệu có trong thùng đong Gthùng Ví dụ:
Bêtông nặng g = 2400Kg/m3,
Gạch đặc g = 1700 1900 Kg/m3
Bêtông nhẹ g = 1000Kg/m3, Gạch rỗng g = 1200 1500 Kg/m3
1.2.2.4. Ý nghĩa vật lý:
Khối lượng thể tích phụ thuộc vào kết cấu nội bộ bản thân vật liệu, khối lượng thê
tích xốp phụ thuộc vào kích thước hạt và sự sắp xếp giữa các hạt
Biết khối lượng thể tích ta có thể đánh giá sơ bộ một số tính chất của vật liệu như độ
đặc, độ rỗng, cường độ, độ hút nước, hệ số truyền nhiệt của vật liệu, v.v... Ngoài ra, từ trị số x
o, o ta có thể tính toán dự trù được phương tiện vận chuyển vật liệu, kho bãi hay tính
cấp phối của vật liệu hỗn hợp.
Khối lượng thể tích của các loại vật liệu xây dựng biến đổi trong phạm vi rất lớn
1.2.2.5. Khối lượng thể tích của một số loại vật liệu thường gặp:
Đá thiên nhiên loại đặc chắc: 2,6 ÷ 2,8 g/cm3
Gạch ngói đất sét nung : 1,3 ÷ 1,9 g/cm3
Bêtông nặng : 1,8 ÷ 2,5 g/cm3
1.2.3. Độ rỗng - đặc . 1.2.3.1. Khái niệm:
Độ rỗng là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng có trong vật liệu với thể tích tự nhiên của nó.
Độ rỗng ký hiệu là r, thường tính bằng %
Độ đặc là tỷ số giữa thể tích đặc của vật liệu với thể tích tự nhiên của nó. Độ rỗng ký
hiệu là d, thường tính bằng % 1.2.3.2. Công thức: (%) (%) Trong đó:
Vr: Thể tích lỗ rỗng của vật liệu (cm3).
Va: Thể tích đặc của vật liệu (cm3).
Vo: Thể tích của vật liệu tự nhiên (cm3).
1.2.3.3. Cách xác định: Vo = Va + Vr Vr = Vo – Va lOMoAR cPSD| 58931565
1.2.3.4. Phân loại l ỗ rỗng:
Lỗ rỗng kín: là lỗ rỗng riêng biệt, không thông với nhau và không thông với bên ngoài.
L ỗ rỗng hở: là lỗ rỗng thông với nhau và thông với bên ngoài.
1.2.3.5. Ảnh hưởng của độ đặc, rỗng, tính chất lỗ rỗng đến các tính chất khác của vật liệu
Độ rỗng là một chỉ tiêu k ỹ thuật quan trọng vì nó ảnh hưởng nhiều đến các tính chất
khác của vật liệu như: cường độ, độ hút nước, khả năng truyền nhiệt, khả năng chống thấm,
chống băng giá và chống ăn mòn ...
Mối liên quan giữa khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ đặc và độ rỗng:
Với vật liệu hoàn toàn đặc: g = r do đó d = 1, r = 0. Ví dụ: nhựa đường, thủy tinh, parafin, thép, …
Với vật liệu rỗng: g < r, do đó d<1 và r>0. Ví dụ như gạch, đá, bêtông, gỗ,…
Giá trị g, r càng chênh lệch thì vật liệu càng rỗng.
NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU LIÊN QUAN ĐẾN MÔI TRƯỜNG NƯỚC
1.2.4. Liên kết giữa nước và vật liệu.
Dựa vào mức độ liên kết, nước trong VLXD được chia làm 3 lọai: nước hóa học,
nước hóa lí và nước cơ học.
Nước hóa học: là nước tham gia vào thành phần vật liệu, có liên kết bền với vật liệu.
Nước hóa học chỉ bị bay hơi ở nhiệt độ cao (trên 500 oC)
Nước hóa lí: có liên kết khá bền với vật liệu bằng lực hút phân tử Vandecvan hoặc
bằng lực tĩnh điện bề mặt (nước màng). Nước hóa lí chỉ thay đổi dưới sự tác dụng của điều
kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm)
Nước cơ học: là nước xâm thực vào vật liệu do tác dụng của mao dẫn (nước mao
quản) hay lực trọng trường (nước tự do). Nước cơ học trong vật liệu có thể dễ dàng thay
đổi ngay trong điều kiện thường. 1.2.5. Độ ẩm:
Là tỷ ệ nước có tự nhiên trong vật liệu ở trạng thái tự nhiên tại thời điểm thí nghiệm. K ý hiệu W 1.2.5.1. Công thức: Trong đó:
Gn: Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g. lOMoAR cPSD| 58931565
Gư: Khối lượng mẫu vật liệu ướt sau khi đã hút được, g.
Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g.
1.2.5.2. Cách xác định:
Lấy mẫu trong môi trường không khí đem cân khối lượng Gư.
Đêm mẫu này sấy khô ở nhiệt độ 105±5oC cho đến khối lượng không đổi đem cân Gk.
1.2.5.3. Ý nghĩa vật lý:
Độ ẩm là đại lượng thay đổi liên tục tùy thuộc điều kiện nhiệt độ và độ ẩm môi
trường, vật liệu có thể hút ẩm hoặc nhả ẩm tùy theo sự chênh lệch giữa áp suất riêng phần
của hơi nước trong không khí và trong vật liệu. Độ ẩm cũng phụ thuộc vào cấu tạo nội bộ
của vật liệu và bản chất ưa nước hay k ỵ nước của nó.
Khi vật liệu bị ẩm hoặc là khi độ ẩm của vật liệu thay đổi thì một số tính chất của vật
liệu cũng thay đổi theo như: cường độ, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện, thể tích ... Biết độ
ẩm của vật liệu để điều chỉnh lượng dùng vật liệu cho hợp lý
1.2.6. Độ hút nước 1.2.6.1. Khái niệm:
Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường
(p = 1atm và to = 20 ± 5 oC ). 1.2.6.2. Công thức:
Độ hút nước của vật liệu được tính theo hai cách: theo khối lượng (Hp) và theo thể tích (Hv).
Độ hút nước theo khối lượng (H p): là tỷ số phần trăm giữa khối lượng nước
mà vật liệu hút được khi được bão hòa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất
thường so với khối lượng vật liệu ở trạng thái khô.
Độ hút nước theo thể tích (H v): là tỷ số phần trăm giữa thể tích nước mà vật
liệu hút được khi được bão hòa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường so
với thể tích tự nhiên của vật liệu ở trạng thái khô. Trong đó:
Vn: Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút được, cm3.
Vo: Thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu, cm3. ga:
Khối lượng riêng của nước, g/cm3.
1.2.6.3. Cách xác định: lOMoAR cPSD| 58931565
Phương pháp ngâm từ từ ở điều kiện bình thường đối với mẫu có kích thước lớn
Phương pháp ngâm một lần ở điều kiện bình thường đối với mẫu có kích thước
bé 1.2.7. Độ bão hoà nước 1.2.7.1. Khái niệm:
Là khả năng hút nước lớn nhất của vật liệu trong điều kiện cưỡng bức bằng nhiệt độ hay áp suất 1.2.7.2. Công thức:
Độ bão hòa nước theo khối lượng (H max p ): HmaxP Gmaxn .100% Gmaxö Gk .100% Gk Gk Trong đó:
: Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút vào khi bão hòa, g.
, GK: Khối lượng mẫu vật liệu khi đã bão hoà nước và khi khô, g.
Độ bão hòa nước theo thể tích (H max v ): Trong đó:
: Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút vào khi bão hòa, cm3.
Vo: thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu, cm3.
gaN : Khối lượng riêng của nước.
1.2.7.3. Cách xác định:
Phương pháp nhiệt độ: luộc mẫu vật liệu đã sấy khô ở nhiệt độ 100oC trong
nước 4 giờ, để nguội rồi vớt mẫu ra cân và tính toán.
Phương pháp chân không: Ngâm mẫu vật liệu đã được sấy khô trong một bình
kín đựng nước, hạ áp lực trong bình xuống còn 20mmHg cho đến khi không
còn bọt khí thoát ra thì trả lại áp lực bình thường và giữ thêm 2 giờ nữa rồi vớt
mẫu ra cân và tính toán.
1.2.7.4. Ý nghĩa vật lý:
Độ bão hòa nước được đánh giá bằng hệ số bão hòa Cbh thông qua độ bão hòa
nước theo thể tích HmaxV và độ rỗng r. CBH thay đổi từ 0 đến 1. Khi hệ số bão
hoà lớn tức là trong vật liệu có nhiều lỗ rỗng hở. lOMoAR cPSD| 58931565
Mức độ bền nước của vật liệu được đánh giá bằng hệ số mềm thông qua cường
độ của mẫu bão hoà nước Rbh và cường độ của mẫu khô Rk. Km>0,75 vật liệu
chịu nước, dùng được cho công trình dưới nước.
1.2.8. Tính thấm nước: 1.2.8.1. Khái niệm:
Tính thấm là tính chất của vật liệu cho nước thấm qua chiều dày của nó khi giữa hai
bề mặt đối xứng có sự chênh lệch về áp suất thuỷ tĩnh
Tính chống thấm là khả năng của vật liệu ngăn không cho nước thấm qua chiều dày
của nó khi giữa hai b ề mặt đối xứng có sự chênh lệch về áp suất thuỷ tĩnh 1.2.8.2. Công
thức và cách xác định Tính thấm: V .an Ktn F.(p1 p ).t2 Trong đó:
Vn: thể tích nước thấm qua mẫu vật liệu;
m3 a: chiều dày thấm của mẫu vật liệu; m F:
tiết diện chịu thấm; m2 t: thời gian thấm
(p1-p2): chênh lệch áp suất thu ỷ tĩnh giữa hai b ề mặt đối xứng; m cột
nước Tính chống thấm
Để đánh giá mức độ thấm của vật liệu người ta dùng mác chống thấm. Mác chống
thấm được đánh giá bằng áp lực nước lớn nhất mà khi đó nước chưa thấm qua được mẫu
vật liệu có kích thước quy định trong một khoảng thời gian quy định
Vật liệu làm việc ở dạng khối: Mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ, khối: các diện
tích mặt bên của mẫu được bọc vật liệu cách nước, trên dưới để trống. Áp lực
nước ban đầu po, sau t giờ tăng thêm Dp nữa cho đến khi xuất hiện vết thấm
Vật liệu làm việc ở dạng bản mỏng: Mẫu thí nghiệm hình tròn có chiều dày
bằng chiều dày làm việc. Mức nước ban đầu là 100mm giữ trong 5 phút, sau
đó cứ t phút tăng thêm Dh nước cho đến khi xuất hiện vết thấm
1.2.8.3. Các yếu t ố ảnh hưởng đến tính thấm và ý nghĩa:
Mức độ thấm hoặc khả năng chống thấm của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo
bản thân vật liệu (độ đặc, độ rỗng, tính chất lổ rỗng), bản chất ưa nước hay k ỵ nước của vât liệu
Sự thấm còn phụ thuộc vào áp lực nước tác dung lên vật liệu và thời gian thấm
Tính thấm đặc biệt quan trọng đối với vật liệu làm việc trong môi trường chịu
ảnh hưởng của mưa gió, thường xuyên ẩm ướt hoặc trong nước lOMoAR cPSD| 58931565
NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NHIỆT
1.2.9. Tính truyền nhiệt: 1.2.9.1. Khái niệm:
Tính truyền nhiệt là khả năng của vật liệu để nhiệt truyền qua chiều dày khối vật liệu
từ phía có nhiệt độ cao về phía có nhiệt độ thấp hơn 1.2.9.2. Công thức:
Nhiệt lượng truyền qua tấm vật liệu được xác định theo công thức sau: (kCal/m.oC.h)
Trong đó: l : Hệ số dẫn nhiệt, kCal/m.oC.h.
F: Diện tích bề mặt của tấm vật liệu truyền nhiệt,
m2 a: Chiều dày của tấm vật liệu, m t1, t2: nhiệt độ ở
hai bề mặt của tấm vật liệu.
t : Thời gian truyền nhiệt qua, h.
1.2.10. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng:
Nhiệt dung là nhiệt lượng mà vật liệu thu vào khi bị đun nóng. Nhiệt lượng vật liệu
thu vào được xác định theo công thức sau: Q = C.G.(t2-t1) (kCal) Trong đó:
G: Khối lượng của vật liệu.
t1, t2: nhiệt độ của vật liệu trước và sau khi đun. C:
Nhiệt dung riêng của vật liệu, kCal/kg.oC
Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 1kg vật liệu lên 1oC.
1.2.11. Tính chống cháy, tính chịu nhiệt
1.2.11.1.Tính chống cháy:
Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng trực tiếp của ngọn lửa
trong một thời gian nhất định mà không bị ph á hoại
Căn cứ vào khả năng chống cháy, vật liệu xây dựng được chia thành 4 nhóm
Vật liệu không cháy, không bị biến dạng
Vật liệu không cháy nhưng có thể biến dạng nhiều Vật liệu khó cháy Vật liệu dễ cháy
1.2.11.2.Tính chịu nhiệt: lOMoAR cPSD| 58931565
Tính chịu nhiệt là khả năng của vật liệu chịu tác động của nhiệt độ cao trong một thời
gian dài mà không bị phá hoại (thường là bị chảy)
Căn cứ vào khả năng chịu nhiệt, vật liệu xây dựng được chia thành 3 nhóm
Vật liệu chịu nhiệt: chịu được tác dụng của nhiệt độ lớn hơn 1580oC
Vật liệu khóchảy: chịu được tác dụng của nhiệt độ từ 1350 ÷ 1580oC
Vật liệu d ễ chảy: chịu được tác dụng của nhiệt độ dưới 1350oC
1.3 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU
1.3.1. Tính biến dạng của vật liệu 1.3.1.1. Khái niệm
Là tính chất của vật liệu có thể thay đổi hình dạng và kích thước khi ngoại lực tác dụng lên nó.
1.3.1.2. Phân loại biến dạng
1.3.1.2.1.Căn cứ vào khả năng phục hồi biến dạng :
Biến dạng đàn hồi: là phần biến dạng hoàn toàn mất đi khi bỏ tác dụng của ngoại
lực Tính chất phục hồi hình dạng và kích thước ban đầu của vật liệu sau khi
dỡ bỏ ngoại lực gọi là tính đàn hồi.
Biến dạng dẻo (biến dạng dư): là biến dạng không mất đi (không trở về hình
dạng và kích thước ban đầu) khi bỏ ngoại lực tác dụng Tính chất đó của vật liệu gọi là tính dẻo
1.3.1.2.2.Căn cứ vào thời điểm xuất hiện biến dạng
Biến dạng tức thời: biến dạng xuất hiện ngay sau khi đặt lực
Biến dạng theo thời gian : biến dạng chỉ xuất hiện sau một thời gian đặt lực
1.3.1.3. Phân loại vật liệu theo biến dạng
Căn c ứ vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, hay nói cách khác căn cứ vào hiện
tượng biến dạng tới trước khi bị ph á hoại, chia vật liệu thành
Vật liệu có tính dẻo: là vậ t liệu mà t ừ khi đặt lực cho đến trước khi bị ph á hoại
quan sát được biến dạng dẻo rất rõ ràng. VD: thép ít cacbon, bitum...
Vật liệu có tính giòn: là vậ t liệu mà t ừ khi đặt lực cho đến trước khi bị ph á
hoại không quan sát thấy biến dạng một cách rõ ràng. VD: gang, đá thiên nhiên, gạch đất sét nung...
Vật liệu có tính đàn hồi: là vật liệu mà khả năng biến dạng đàn hồi lớn hơn khả năng biến dạng dẻo lOMoAR cPSD| 58931565
Tính dẻo hay tính giòn của vật liệu có thể thay đổi tùy theo các yếu tố: nhiệt độ độ
ẩm, tốc độ gia tải... VD: bitum khi kéo ở nhiệt độ cao là vật liệu dẻo, khi kéo ở nhiệt độ
thấp là vật liệu giòn...
1.3.1.4. Các hiện tượng liên quan đến biến dạng
1.3.1.4.1.Hiện tượng t ừ biến
Từ biến là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian khi tải trong tác dụng không đổi
Nguyên nhân của hiện tượng t ừ biến là do trong vật liệu rắn có một số bộ phận phi
tinh thể có tính chảy nhớt gần giống như thể lỏng. Mặt khác, do bản thân cấu tạo của vật
liệu có một số thiếu sót, khuyết tật về mặt cấu trúc hoặc do vật liệu thay đổi cấu trúc theo
thời gian nên dưới tác dụng lâu dài của ngoại lực nó bị chảy nhớt ra
1.3.1.4.2.Hiện tượng chùng ứng suất
Chùng ứng suất là hiện tượng ứng suất đàn hồi giảm dần theo thời gian khi giư cho biến dạng không đổi
Nguyên nhân: do dưới tác dụng lâu dài của tải trọng, một phần năng lượng gây biến
dạng đàn hồi bị mất đi dưới dạng phân tán nhiệt làm cho một bộ phận vật liệu có biến dạng
đàn hồi dần dần chuyển sang biến dạng dẻo
1.3.2. Cường độ của vật liệu
1.3.2.1. Khái niệm :
Cường độ là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tác dụng của tải
trọng và được xác định bằng ứng suất tới hạn tương ứng với tải trọng gây phá hoại mẫu. Ký hiệu R
Cường độ tiêu chuẩn: là cường độ của vật liệu khi mẫu có hình dáng kích thước
chuẩn, được chế tạo, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, thí nghiệm theo phương pháp
chuẩn. K ý hiệu Rtc
Mac vật liệu (đối với các vật liệu mà cường độ là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá
chất lượng): là đại lượng không thứ nguyên do Nh à nước quy định căn cứ vào cường độ tiêu chuẩn
Trong xây dựng, vật liệu phải chịu các lực khác nhau như: kéo, nén, uốn, xoắn, cắt,
kéo-uốn, …. Tương ứng với mỗi dạng chịu tải này có các loại cường độ: cường độ chịu
kéo, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu cắt….
1.3.2.2. Phương pháp xác định
1.3.2.2.1.Phương pháp không phá hoại: *
Nhóm theo nguyên tắc cơ học:
Tác dụng tải trọng sâu vào bề mặt vật liệu rồi đo trị số biến dạng dẻo, thông số
đo là độ cứng hay biến dạng cục bộ (búa bi, búa có thanh chuẩn).
Tác dụng tải trọng va chạm vào bề mặt vậ t liệu, dựa vào nguyên tắc nẩy bật
đàn tính ra khỏi bề mặt vật liệu, thông số đo là trị số bật nẩy do phản lực từ
mặt vật liệu tạo ra khi có tác động cơ học (súng bật nẩy ). lOMoAR cPSD| 58931565
-> Đem các thông số đo được đối chiếu với các đồ thị chuẩn tương ứng của dung cụ
để suy ra cường độ của vật liệu.
* Nhóm theo nguyên tắc vật lý:
Dựa vào quy luật lan truyền của xung điện, tia phóng x ạ hay sóng siêuâm khi
đi qua vật liệu để xác định mật độ, tần số dao động riêng hay vận tốc truyền
sóng. Đem đối chiếu các thông số đo với các đồ thị chuẩn để xác định cường độ của vật liệu .
Dụng cụ đo : máy siêu âm bêtông , máy siêu âm thép...
Các phương pháp không phá hoại rất tiện lợi song mức độ chính xác tuỳ thuộc vào
rất nhiều yếu tố do đó không thể thay thế hoàn toàn phương pháp phá hoại mẫu được. Các
biểu đồ chuẩn của phương pháp không phá hoại phải được xây dựng trên cơ sở của phương pháp phá hoại mẫu .
1.3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu:
1.3.2.3.1.Các yếu tố phụ thuộc vào bản thân cấu tạo vật liệu:
Vật liệu có cấu trúc kết tinh hoàn thiện có cường độ cao hơn vật liệu có cấu
trúc kết tinh không hoàn thiện.
Vật liệu có kiến trúc kết tinh mịn có cường độ cao hơn vật liệu có kiến trúc kết tinh thô.
Vật liệu có cấu tạo rỗng có cường độ thấp hơn vật liệu đặc chắc vì nó có độ
rỗng tương đối lớn, lực liên kết giữa các chất điểm yếu, diện tích chịu lực giảm,
ứng suất tập trung ở gần lỗ rỗng, nên khả năng chịu lực kém .
Vật liệu có cấu tạo dạng lớp hoặc sợi, thành phần cấu tạo phân b ố theo một
chiều nhất định nên cường độ theo mỗi hướng khác nhau (tính dị hướng).
1.3.2.3.2.Các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm:
Hình dáng và kích thước mẫu: mẫu có hình dạng khác nhau thì trị số đo cường
độ cũng khác nhau. VD: trong thí nghiệm nén thì mẫu có kích thước càng bé,
chiều cao càng thấp thì trị số đo R sẽ cao; mẫu hình tr ụ có trị số đo R thấp hơn mẫu hình lăng trụ.
Đặc trưng bề mặt: trong thí nghiệm nén thì mẫu có bề mặt trơn láng, lực ma
sát sẽ nhỏ, cường độ sẽ thấp và ngược lại.
Tốc độ tăng tải: khi tốc độ tăng lực càng nhanh, tốc độ biến hình của vật liệu
chậm (tương đối) so với tốc độ tăng tải nên trị số đo R sẽ cao hơn so với thực tế.
Nhiệt độ và độ ẩm của môi trường: có ảnh hưởng đến cường độ. Đối với các
vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ và độ ẩm thì ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ
đến cường độ rất lớn .
Để khắc phục các yếu tố ảnh hưởng đó, phải quy định một hình dạng, kích thước
chuẩn, điều kiện ch ế tạo và dưỡng h ộ chuẩn , phương pháp thí nghiệm chuẩn cho từng
loại vật liệu (Tiêu chuẩn Xây dựng của Việt Nam, Tiêu chuẩn ngành của các Bộ ch ủ quản,
Tiêu chuẩn của các nước trên thế giới, Tiêu chuẩn của các Hiệp hội được Quốc tế công nhận). lOMoAR cPSD| 58931565
Khi thí nghiệm trên các điều kiện khác chuẩn, phải có s ự hiệu chỉnh kết qu ả về điều kiện chuẩn .
Vì hình dáng và kích thước mẫu có ảnh hưởng nhất định đến kết qu ả thí nghiệm
cường độ nên đối với R n người ta phải dùng hệ số điều chỉnh.
1.3.2.3.3.Phương pháp phá hoại mẫu:
Đặt mẫu được gia công có kích thước tiêu chuẩn (tùy thuộc vào từng loại vật liệu)
lên máy, tăng tải tác dụng cho đến khi mẫu bị phá hoại rồi tính theo công thức: Cường độ chịu kéo, nén: kG/cm2 Trong đó:
Rn: Cường độ chịu nén, kG/cm2.
P: Lực nén đã phá hoại mẫu, Kg.
F: Tiết diện chịu nén, cm2. Cường độ chịu uốn:
Sơ đồ dầm giản đơn chịu một lực tập trung ở giữa. , kG/cm 2
Sơ đồ dầm giản đơn chịu một hai lực tập trung bằng nhau, cách gối tựa và
cách nhau một khoảng 1/3 khoảng cách giữa 2 gối. , kG/cm 2 Trong đó:
Rk: Cường độ chịu kéo, kG/cm2.
P: Lực kéo đã phá hoại mẫu, Kg.
F: Tiết diện chịu kéo, cm2.
1.3.2.4. Các hệ số liên quan đến cường độ:
1.3.2.4.1.Hệ số mềm : lOMoAR cPSD| 58931565
Nhìn chung khi vật liệu bão hòa nước thì cường độ giảm. Để đánh giá độ bền của vật
liệu khi làm việc trong môi trường nước ta dùng hệ số mềm Km Trong đó:
Rbh: cường độ của mẫu vật liệu đã bão hòa nước
Rk : cường độ của mẫu vật liệu khô
Hệ số mềm biến đổi trong giới hạn từ 0 (vật liệu bằng đất sét không nung) đến (vật
liệu hoàn toàn đặc chắc: thép, kính...). Đối với các công trình bị ngập nước hay chịu mực
nước thay đổi liên tục hay bị nước va đập liên tục yêu cầu hệ số mềm lớn hơn 0,75.
Những vật liệu có hệ số mềm lớn hơn 0,75 được gọi là vật liệu bền nước.
1.3.2.4.2.Hệ số an toàn:
Trong tính toán thiết kê công trình, người ta chỉ tính khả năng chịu lực của vật liệu
theo trị số cường độ tối đa cho phép [ R ]. Cường độ này nhỏ hơn cường độ giới hạn thực
sự của vật liệu mới đảm bảo an toàn. T ỷ số giữa cường độ giới hạn và cường độ cho phép
gọi là hệ số an toàn K. Hệ số an toàn K luôn luôn lớn hơn 1. Trong đó:
R: cường độ giới hạn của vật liệu
[R]: cường độ tối đa cho phép trong thiết kê
L ý do để đưa ra hệ số an toàn trong tính toán thiết kế kết cấu công trình :
Cường độ là trị số trung bình của nhiều mẫu thí nghiệm, nhiều vùng hoặc nhiều lần thí nghiệm.
Trong quá trình làm việc, vật liệu thường có hiện tượng mỏi hoặc đã có biến
hình quá lớn tuy chưa đến lực phá hoại (nhất là khi tải trọng trùng lặp).
Mặt khác khi thiết kế, người ta chưa đ ề cập hết đến các yếu tố ảnh hưởng của môi
trường tác dụng lên công trình.
Việc lựa chọn hệ số an toàn lớn hay nhỏ khi tính toán tuỳ thuộc vào :
Quy mô, tầm quan trọng của công trình .
Kinh nghiệm về tính toán thiết kế, phương pháp tính, trình độ tính toán, trình
độ nắm chắc vật liệu, kiểm nghiệm qua các công trình đã xây dựng...
Phương tiện, thiết bị thăm dò, khảo sát, dự báo, kiểm định ...
1.3.2.4.3. Hệ số phẩm chất:
Hệ số phẩm chất Kpc là chỉ tiêu đánh giá phẩm chất của vật liệu, là tỷ số giữa cường
độ và khối lượng thể tích của vật liệu. Trong đó: lOMoAR cPSD| 58931565
R: cường độ giới hạn của vật liệu, daN/cm2
go :khối lượng thể tích của vật liệu, kg/m3 1.3.3. Độ cứng 1.3.3.1. Khái niệm
Độ cứng của vật liệu là khả năng của vật liệu chống lại được sự đâm xuyên của vật
liệu khác cứng hơn nó tác dụng lên nó.
Khả năng này rất quan trọng đối với vật liệu làm đường, vật liệu lát bề mặt, vật liệu
làm trụ cầu... và có ảnh hưởng nhiều đến tính chất chịu mòn. Mặt khác, độ cứng cũng đặc
trưng cho mức độ khó gia công của vật liệu
1.3.3.2. Cách xác định
Đối với vật liệu khoáng: dùng thang độ cứng Mohr. Phương pháp xác định la phương
pháp vạch. Cách xác định theo phương pháp này chỉ có tính chất định tính chư không định lượng
Bảng thang độ cứng Morh: Chỉ số độ cứng Tên khoáng vật mẫu Đặc điểm độ cứng 1 Tan
Rạch dễ dàng bằng móng tay 2 Thạch cao
Rạch được bằng móng tay 3 Canxít
Rạch dễ dàng bằng dao thép 4 Fluorit
Rạch bằng dao thép khi ấn nhẹ 5 Apatit
Rạch bằng dao thép khi ấn mạnh 6 Octoclaz Làm xước kính 7 Thạch anh 8 Tôpaz
Rạch được kính theo mức độ tăng dần 9 Corindon 10 Kim cương
1.3.3.2.1.Đối với kim loại:
Dùng phương pháp của Brinen: Dùng viên bi thép có đường kính D (mm), đemấn
vào vật liệu định thử với một lực P. lOMoAR cPSD| 58931565 Trong đó:
D: Đường kính viên bi thép, mm d:
đường kính miệng vết lõm, mm P: Lực ép viên bi. P=k.D2
K: hệ số phụ thuộc vào loại vật liệu. Kim loại đen: k = 30 Kim loại màu: k = 10 Kim loại mềm: k = 3
F: Diện tích vết lõm hình chỏm cầu
1.3.4. Độ mài mòn: 1.3.4.1. Khái niệm:
Khi vật liệu làm việc bị cọ xát liên tục với vật liệu khác thì thể tích và khối lượng
của nó bị thay đổi, ta gọi vật liệu bị mài mòn. Ký hiệu Mn.
Độ mài mòn là độ hao mòn về khối lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài mòn liên tục .
Độ mài mòn phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo nội bộ vật liệu.
1.3.4.2. Cách xác định:
Độ mài mòn thường được thí nghiệm bằng máy mài mòn. Mẫu thí nghiệm hình trụ
có d = 2,5cm, h = 5cm. Cho máy quay 1000 vòng và rắc vào 2,5l cát thạch anh cỡ 0,3
÷0,6mm và độ mài mòn được tính theo công thức: (g/cm2) Trong đó:
Go - khối lượng mẫu trước khi mài mòn; g
G: khối lượng mẫu sau khi mài mòn; g
F: diện tích mài mòn; cm2
Cũng có khi người ta đánh giá độ mài mòn bằng độ hao hụt chiều dày của mẫu.
1.3.5. Đ ộ chống va chạm:
1.3.5.1. Khái niệm:
Độ chống va chạm là khả năng của vật liệu chịu được tải trọng va chạm mà không
bị phá hoại (thường là bị nứt). Độ va chạm được tính bằng công cần thiết để đập vỡ một
đơn vị thể tích vật liệu .
1.3.5.2. Cách xác định:
Dùng máy búa va chạm: th ả cho qu ả cầu thép khối lượng G rơi liên tục ở một độ
cao xác định h đập vào bề mặt mẫu vật liệu n lần cho đến khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
trên mẫu. Công phá hoại do tải trọng va chạm gây ra : lOMoAR cPSD| 58931565 Avc = g. G. h. n
Độ chống va chạm của vật liệu được tính theo công thức sau : avc = Avc/Vo
1.3.6. Đ ộ hao mòn:
1.3.6.1. Khái niệm:
Độ hao mòn đặc trưng cho tính chất của vật liệu vừa chịu mài mòn vừa chịu va chạm.
1.3.6.2. Cách xác định: * Độ hao mòn Đêvan:
Để xac định độ hao mòn thường dùng máy Đêvan (đối với đá). Đập đá thành những
viên nặng khoảng 100g rồi b ỏ 5kg đá vào thùng. Cho thùng quay 10000 vòng rồi lấy mẫu
ra và đem sàng qua sàng 2mm. Độ hao mòn sẽ được tính theo công thức sau : Trong đó: Qm: độ hao mòn; %
G1: khối lượng vật liệu trước thí nghiệm; g
G2: khối lượng vật liệu sót lại trên sàng 2mm sau thí nghiệm; g Căn
c ứ vào độ hao mòn Đêvan , phân đá thành :
Q < 4% - đá chống hao mòn rất khỏe
Q = 4-6% - đá chống hao mòn khỏe
Q = 6-10% - đá chống hao mòn trung bình Q = 10-15% - đá chống hao mòn yếu.
Q > 15% - đá chống hao mòn rất yếu
* Độ hao mòn LosAngeles (LA): dùng máy hao mòn LA ( TCVN 1772-87)
Cân một khối lượng vật liệu G, Khi Dmax ≤ 20mm thì G = 5kg; Khi Dmax 20mm thì
G = 10kg. Khi đá có nhiều cỡ thì phải sàng để phân cỡ và xác định độ hao mòn cho từng
cỡ hạt. Cho mẫu vào máy, bỏ vào n viên bi thép (d = 48 mm; g = 405-450g), cho máy quay
N vòng với tốc độ 30-33 v/ph. Khi Dmax≤ 20mm thì N = 500v, n = 8,9,11; khi Dmax 20mm
thì N = 1000v , n = 12. Sau đó đem sàng qua sàng 1,25mm . Độ hao mòn được tính theo công thức như trên .