1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA XÂY DỰNG VÀ MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN: XÂY DỰNG
---------***---------
BÀI GIẢNG MÔN
VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Thái Nguyên, năm 20…
2
Chương 1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT
LIỆU XÂY DỰNG
Mục tiêu:
− Giúp sinh viên phát huy được khả năng tự tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu dưới sự
hướng dẫn của giáo viên về các loại vật liệu trong xây dựng.
− Củng cố và nâng cao kiến thức cơ sở chuyên ngành
− Sinh viên nắm được các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng và giải quyết được
những nội dung trong phần thảo luận chương.
− Giải quyết các bài tập cuối chương.
− Tạo điều kiện cho sinh viên nâng cao khả năng tự nghiên cứu và làm việc theo
nhóm trong giờ thảo luận.
Tóm tắt nội dung:
− Các yếu tố hình thành tính chất của vật liệu
− Cách phân loại và quá trình hình thành của Vật liệu Xây dựng
− Các loại tính chất của vật liệu
− Các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng
A. PHẦN LÝ THUYẾT
1.1. CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
Quá trình làm việc trong kết cấu công trình, vật liệu sẽ chịu tác động của tải
trọng bên ngoài, của 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 đủ các tính chất cơ học yêu cầu (tính biến dạng, cường độ, độ cứng…). Ngoài ra vật
liệu phải có đủ độ bền vững để chống lại các tác dụng vật lí và hóa học của môi trường
như tác dụng của không khí, hơi nước, nước và các hợp chất tan trong nước, của sự
thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và sánh sáng mặt trời… trong một số trường hợp, đối với vật
liệu còn có những yêu cầu riêng về nhiệt, âm, chống phóng xạ…
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…
Những tính chất vật lí xác định mối quan hệ của vật liệu với môi trường
Những tính chất cơ học xác định quan hệ của vật liệu với biến dạng
Các tính chất hóa học có liên quan đến những biến đổi hóa học và độ bền vững
của vật liệu.
1.1.1. Thành phần và quan hệ giữa thành phần và tính chất
a) Thành phần hóa học
− Được biểu thị bằng % hàm lượng các oxyt có trong vật liệu. Ví dụ: CaO, SiO2;
Al2O3; Fe2O3;… Riêng đối với kim loại hoặc các hợp kim thì thành phần hóa học được đặc
trưng bằng % các nguyên tố hoá học.
− Công dụng
3
+ Cho phép phán đoán hàng loạt các tính chất của vật liệu xây dựng: tính chịu lửa, bền
sinh vật, các đặc trưng cơ học và các đặc tính kỹ thuật khác.
+ Lựa chọn thành phần nguyên liệu cho sản xuất các loại vật liệu.
− Cách xác định. Được xác định bằng cách phân tích hóa học
Các ôxyt trong vật liệu vô cơ thường liên kết với nhau thành các muối kép, đựơc gọi là
thành phần khoáng vật.
b) Thành phần khoáng vật
− Được biểu thị bằng % hàm lượng các khoáng vật có trong vật liệu. Ví dụ:
3CaO.SiO2; 3CaO.Al2O3; 3Al2O3 .SiO2;…
− Công dụng
+ Quyết định những tính chất cơ lý của vật liệu.
Trong xi măng pooclăng: Khoáng C3S và C3A quyết định tính đóng rắn
Trong vật liệu gốm: Khoáng A3S2 quyết định tính chất của vật liệu gốm.
+ Phán đoán tương đối chính xác các tính chất của vật liệu xây dựng.
− Cách xác định. Khá phức tạp, đặc biệt là về mặt định lượng. Vì vậy phải dùng nhiều
phương pháp để hỗ trợ cho nhau như: phân tích nhiệt vi sai, phân tích quang phổ rơnghen,
kính hiên vi điện tử…
c) Thành phần pha
− Vật liệu xây dựng đa số đều tồn tại ở pha rắn. Ngoài ra, trong vật liệu còn có các
pha khí (khi khô) và pha lỏng (hơi nước) tồn tại trong các lỗ rỗng.
− Tỷ lệ của các pha này trong vật liệu có ảnh hưởng đến chất lượng của nó, đặc biệt là
các tính chất và âm, nhiệt, tính chống ăn mòn, cường độ…
− Thành phần các pha biến đổi trong quá trình công nghệ và dưới tác động của môi
trường. Sự thay đổi pha làm tính chất của vật liệu cũng thay đổi. Ví dụ nước ngâm 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…
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu
− Cấu trúc của vật liệu là các hình thức tổ vật chất trong vật liệu.
− Cấu trúc của vật liệu được đặc trưng bằng quan hệ giữa chất lượng và số lượng của
các thành phần hợp thành, sự phân bố và liên kết giữa các thành phần ấy.
− Cấu trúc của vật liệu rất phức tạp vì thế nó được nghiên cứu bằng nhiều phương
pháp khác nhau.
a) Cấu trúc vĩ mô
Cấu trúc vĩ mô là cấu trúc lớn, bằng mắt thường có thể quan sát được như: cấu trúc đá
nhân tạo đặc, cấu trúc tổ ong, cấu trúc dạng sợi, cấu trúc dạng hạt rời, ...
4
Cấu trúc dạng hạt rời
Cấu trúc sợi composit
Cấu trúc vữa xi măng
Hình 1.1. Cấu trúc vĩ mô của vật liệu xây dựng
Bằng mắt thường có thể quan sát được:
− Màu sắc, hình dạng.
− Vật chất đặc và lỗ rỗng.
− Cấu tạo thô: dạng thô, dạng sợi, dạng hạt, dạng tấm lớp, …
− Các mối liên kết nhân tạo.
b) Cấu trúc vi mô
− Cấu trúc vi mô là cấu trúc xác định mối liên hệ giữa chất lượng và số lượng của các
thành phần hợp thành, bằng sự phân bố và liên kết giữa các thành phần ấy.
− Cấu trúc vi mô được quan sát bằng kính hiển vi và chúng có thể là cấu tạo tinh thể
hay vô định hình. Cấu trúc tinh thể hay vô định hình chỉ là hai trạng thái khác nhau của
cung một chất. Ví dụ SiO2có thể tồn tại ở hai dạng là tinh thể thạch anh hay dạng vô định
hình. 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.
c) Cấu trúc bên trong (cấu trúc siêu vi mô hay cấu trúc Nano)
Cấu trúc 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 và được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét.
Cấu trúc bên trong của các chất quyết định cường độ, độ cứng, độ bên nhiệt và nhiều
tính chất quan trọng khác.
Cấu trúc vữa xi măng
Cấu trúc nano của CSH
Cấu trúc C3S, C2S, C3A
Hình 1.2. Cấu trúc vi mô của vật liệu xây dựng
d) Các loại liên kết của vật liệu xây dựng
Trong vật liệu, các thành phần của nó được liên kết bằng các loại liên kết sau:
5
− Liên kết ion là liên kết được hình thành trong các tinh thể vật liệu do các lực hút
giữa các ion mang điện tích ngược dấu.
− Liên kết công hoá trị được hình thành từ những đôi điện tử dùng chung của hai
nguyên tử.
− Liên kết phân tử được hình thành chủ yếu trong những tinh thể của các chất có
liên kết công hoá trị.
− Liên kết silicat là liên kết phức tap, được tạo thành từ các khối bốn mặt SiO2 liên
kết bằng các đỉnh chung (những nguyên tử oxy chung) tạo thành mạng lưới
không gian ba chiều với tính chất đặc biệt cho vật liệu xây dựng.
1.1.3. Công nghệ chế tạo
Dùng các biện pháp công nghệ để điều khiển các quá trình phức tạp hình thành cấu trúc
của vật liệu, giúp tạo được những loại vật liệu có tính chất tối ưu, bao gồm:
− Biện pháp cơ học
Các biện pháp cơ học làm thay đổi thành phần, trạng thái, cấu trúc của vật liệu
+ Đập, cắt, thái, nghiền,… là biện pháp cơ học nhằm làm thay đổi thành phần hạt, kích
thước hạt – sợi của vật liệu như, đập đá, thái đất sét, nghiền xi măng, …
+ Nhào trộn là biện pháp cơ học dùng phổ biến nhất để làm đồng nhất thành phần các
vật liệu chế tạo từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau.
+ Đầm nén, ép, rung động làm cho vật liệu thay đổi về trạng thái, có tác dụng tăng độ
đặc chắc của vật liệu.
− Biện pháp vật lý
Trong công nghệ vật liệu xây dựng, biện pháp nhiệt là biện pháp vật lý được dùng rất
phổ biến. Biện pháp này dùng để điều chỉnh tốc độ của các quá trình hóa lý xảy ra trong
vật liệu.
+ Với các vật liệu nung (các loại vật liệu gốm sứ, các loại gạch) thì làm thay đổi trạng
thái cấu trúc, tạo ra loại vật liệu mới tốt hơn
+ Với các vật liệu không nung (các loại bê tông, vữa xây dựng) thì quá trình nhiệt làm
tăng tốc độ rắn chắc, làm cho vật liệu có cường độ cao.
− Biện pháp hóa học
Biện pháp hóa học thường làm tốt hơn tính chất về kỹ thuật hay công nghệ của vật liệu.
Biện pháp hóa học được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ vật liệu là dùng chất phụ
gia.
Với một lượng rất nhỏ, các chất phụ gia có thể làm tăng hoặc giảm các tính chất cần
thiết của vật liệu như:
+ Tăng độ dẻo, làm cho hỗn hợp bê tông dễ thi công hơn, tăng cường độ.
+ Làm chậm quá trình đông kết, để có thể vận chuyển hỗn hợp bê tông xa hơn.
+ Tạo ra các loại vật liệu mới có tính năng tốt hơn.
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG
1.2.1. Các tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc
a) Khối lượng riêng
− Định nghĩa