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

Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 1 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 a a G V γ = (g/cm3 , kg/m3, Tf/m3) (1-1) Trong đó: G - Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô, (g). Va- Thể tích đặc tuyệt đối của vật liệu, (cm3). 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. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 2 - Dùng bình tỉ trọng với vật liệu rỗng, rời rạc. Ví dụ: cát, xi măng, không dùng dung dịch có phản ứng hóa học với vật liệu . • Phạm vi ứng dụng: - Để tính độ đặc, độ rỗng của vật liệu . - Phân biệt vật liệu cùng loại. - Tính cấp phối bê-tông . II. 2. Khối lượng thể tích: (Unit weight, [F]/[L]3) • Công thức xác định o o G V γ = (g/cm3 , kg/m3, T/m3). (1-2) Trong đó: G - Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái tự nhiên , (g). Vo - Thể tích tự nhiên của vật liệu, (cm3). γo biến động trong phạm vi rộng (0.02 - 7.85 g/cm3). Đối với những vật liệu hoàn toàn đặc thì γo ≈ γa. • Phương pháp xác định - Cân và đo với vật liệu có kích thước hình học rõ ràng. - Bọc mẫu bằng parafin, cân trong chất lỏng tìm thể tích chất lỏng dời chỗ. Áp dụng cho mẫu có hình dáng bất kỳ. - Dùng dụng cụ có dung tích để xác định đối vớùi vật liệu dạng rời rạc. • Phạm vi ứng dụng - Vật liệu càng ẩm, γo càng cao. γo có ý nghĩa thực tế lớn, - Biết γo có thể xác định độ ẩm, cường độ và hệ số truyền nhiệt của vật liệu. - Dùng γo để tính độ đặc, độ rỗng của vật liệu . - Tính độ ổn định của công trình, chọn phương tiện vận chuyển và tính cấp phối bê-tông Bảng I.1. Một số đặc trưng của các loại vật liệu thông dụng Tính chất STT Vật liệu γo (g/cm3) γa (g/cm3) 1 Đá thiên nhiên, nhân tạo 2.20 - 3.30 2 Kim loại đen 7.25 - 7.85 3 gỗ, bitum, nhựa tổng hợp 0.90 - 1.80 Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 3 4 Gạch đất sét nung 1.6 - 1.9 5 Bê tông nặng 1.8 - 2.4 6 Gạch silicat 1.2 - 1.6 Mipo có nhiều lỗ rỗng 0.02 II.3. Độ rỗng, r(%): • Công thức xác định o ar o o V VVr .100% .100% V V −= = (1-3a) ar o o VVr .100% 1 .100% (1 d).100% V V ⎛ ⎞= = − = −⎜ ⎟⎝ ⎠ (1-3b) a o r 1 .100% ⎛ ⎞γ= −⎜ ⎟γ⎝ ⎠ (1-3c) 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 a o a oo a V G Gd .100% .100% V ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ γ= = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟γ γ γ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (1-4a) o a d .100%γ= γ (1-4b) Độ đặc luôn luôn nhỏ hơn 1 và tùy thuộc vào độ rỗng của vật liệu. Vật liệu xốp d = 0.20 ~ 0.30% Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 4 5. Độ hút nước (%): • Công thức xác định Độ hút nước cùa vật liệu có thể biểu diễn theo khối lượng (Hp) hay theo thể tích (Hv). n,bh1p m,k GG GH .100% .100% G G −= = (1-5a) n,bh1v m,k VG GH .100% .100% G V −= = (1-5b) trong đó: G1 - Khối lượng mẫu đã ngâm nước. G - Khối lượng mẫu đã sấy khô. Vo: Thể tích tự nhiên của mẫu thí nghiệm. Liên hệ giữa Hp và Hv: v 1 1 o o op H G G G G G.100% .100% V G VH ⎛ ⎞− −⎛ ⎞= = = γ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ (1-5c) v o pH = .Hγ (1-5d) Hv luôn luôn 100% đối với vật liệu rất rỗng và rất nhẹ. Độ hút nước phụ thuộc độ rỗng r và tính chất lỗ rỗng của vật liệu, vì vậy có thể dùng Hp và Hv để đánh giá độ truyền nhiệt và những tính chất khác của vật liệu . Ví dụ: Gạch đất sét tốt Hp = 8 - 20% Gạch đất sét xấu Hp = 25 - 30% Bê tông nặng Hp = 3%. • Phạm vi ứng dụng Biết được Hp hoặc Hv có thể biết biết được một số những tính chất khác của vật liệu như độ rỗng r, cường độ R, hệ số truyền nhiệt λ, khối lượng thể tích γo. II.6. Độ bão hòa nước: • Định nghĩa: Độ bão hòa nước là khả năng hút nước tối đa của vật liệu ở dưới áp suất 20mmHg hoặc khi đun trong nước sôi. Nó được đánh giá bằng hệ số bão hòa nước. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 5 Hệ số bão hòa nước Cbh được đánh giá thông qua độ hút nước thể tích bão hòa Hv bh 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: ( ) ( )v bh v n o n BH r o r H V V VC .100% .100% r V V V = = = (1-6a) Với: Hv bh : Độ hút nước bão hòa theo thể tích. R : Độ rỗng của vật liệu. Cbh max = 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. bhm k RK R = (1-7) Với: Rbh : Cường độ mẫu bão hòa nước. Rk : Cường độ mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 6 Km ∈ [ 0,1 ] : từ vật liệu đất sét không nung đến thép, kính.) Km ≥ 0.75 : Vật liệu bền nước. Km < 0.75 : Vật liệu kém bền nước, không nên sử dụng trong điều kiện tác dụng của nước. II.8. Độ ẩm tự nhiên (W): Định nghĩa: Độ ẩm là tỉ lệ phần trăm lượng nước có thật nằm trong vật liệu. Độ ẩm phụ thuộc vào môi trường khô ẩm xung quanh. Công thức: 1. Độ ẩm tương đối : 1 2rh 1 G GW .100% G −= (1-8a) 2. Độ ẩm tuyệt đối : 1 2ah 2 G GW .100% G −= (1-8b) Với: G1: Khối lượng mẫu ở trạng thái ẩm. G2: Khối lượng mẫu đã sấy khô. Độ ẩm thay đổi theo môi trường, khi độ ẩm tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng và giảm theo, gây hiên tượng co nở thể tích, sinh ra nội ứng suất phá hủy cấu trúc của vật liệu. Mỗi vật liệu có hệ số co nở thể tích khác nhau. Cùng một loại vật liệu , hệ số co nở thể tích cũng khác nhau. Ví dụ: Gỗ có độ nở dọc thớ là 1% và độ nở ngang thớ là 3 - 10%. II.9. Tính truyền nhiệt: Là tính chất của vật liệu để cho nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp. 1 2 Q.a F(t t )T λ = − kCal/m. 0C.giờ (1-9) Q: nhiệt lượng truyền qua mẫu VL (Kcal) a: chiều dày mẫu VL đem TN (m) F: tiết diện chịu nhiệt của mẫu (m2) T: thời gian nhit lượng truyền qua (giờ) (t1 – t2): độ chênh lệch nhiệt độ, giữa hai mặt truyền nhiệt Nếu: l = 1m, F = 1m2, t1 - t2 = 1°C, T = 1 giờ. => λ = Q Vậy hệ số truyền nhiệt λ chính là nhiệt lượng Q truyền qua một bức tường dày 1m, có diện tích 1m2 trong thời gian 1 giờ với độ chênh lệch là 1°C. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 7 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] 2o0.0196 0.22. 0.14λ = + γ − 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. t1: Nhiệt độ vật liệu đã được đun nóng, 0C. t2: Nhiệt độ vật liệu lúc chưa đun nóng, 0C. 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. 1 2 QC G(t t ) = − kCal / kg. 0C. (1-10b) 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 : Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 8 n i i i 1 n i i 1 C .G C G = = = ∑ ∑ (1-10c) Với: C : Tỉ nhiệt hỗn hợp. Ci, Gi : Tỉ nhiệt và khối lượng của từng thành phần cấu tạo. Ví dụ: Tỉ nhiệt của một số loại vật liệu thông dụng - Đá thiên nhiên, đá nhân tạo : C = 0.18 - 0.22 kCal / kg.0C. - Gỗ : C = 0.57 - 0.65 kCal / kg.0C. -Thép : C = 0.115 kCal / kg.0C. - Nước : C = 1.00 kCal / kg.0C. II.11. Tính chống cháy - Tính chịu lửa : a. Tính chống cháy: Tính chống cháy là khả năng của liệu chịu tác dụng của nhiệt độ cao mà không bị phá hủy. Dựa vào khả năng chống cháy, vật liệu được chia làm 4 nhóm: + Vật liệu không cháy: Khi gặp tác dụng của lửa hoặc nhiệt độ cao, vật liệu không bị cháy và không bị biến hình đáng kể. Ví dụ: Gạch, ngói, bê-tông , vật liệu amiăng. + Vật liệu không cháy nhưng có thể biến hình nhiều (như thép), hoặc bị phá hủy (như đá thiên nhiên, đá hoa, thạch cao). + Vật liệu khó cháy: Là những vật liệu bản thân dễ cháy, nhưng nhờ có lớp bảo vệ nên dưới tác dụng của lửa hoặc nhiệt độ cao lại khó cháy thành ngọn, chỉ cháy âm ỉ. Ví dụ : Tấm Fibrolit. + Vật liệu dễ cháy: cháy bùng lên thành ngọn khi gặp lửa và nhiệt độ cao. Ví dụ: Gỗ, tấm lợp bằng nhựa hữu cơ, chất dẻo,... b. Tính chịu lửa: Tính chịu lửa là tính đề kháng của vật liệu không bị biến hình khi chịu tác dụng lâu dài của nhiệt độ. Có 3 nhóm vật liệu khác nhau : Vật liệu chịu lửa: chịu tác dụng t° > 1580°C. Gạch samốt, gạch dinat. Vật liệu khó chảy: chịu tác dụng t° ∈ [1350 - 1580°C]. Vật liệu dễ chảy: Độ chịu lửa < 1350°C. Ví dụ : Gạch đất sét thường. Vật liệu chịu lửa được sử dụng để xây các bộ phận tiếp xúc với lửa như buồng đốr, ống khói,... và những bộ phận phải chịu lực ở nhiệt độ cao thường xuyên. Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 9 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. b. Biến dạng dẻo. Là biến dạng không phục hồi của khối vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực. Biến dạng Lực ∆ λ ∆L P ∆p Hình I.1b Quan hệ lực và biến dạng đàn hồi λ p dA Biến dạng Lực P Hình I.1b Quan hệ lực và biến dạng dẻo Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 10 Biến dạng dẻo xuất hiện khi ngoại lực tác dụng lớn hơn lực liên kết giữa các chất điểm. Lúc này ngoại lực sinh ra không biến hết thành nội năng và đồng thời gây lực phá hoại mối liên kết giữa các chất điểm trong cấu trúc vật liệu, làm cho biến dạng không thể triệt tiêu, Căn cứ vào hiện tượng biến dạng dẻo của vật liệu trước khi biến dạng để phân biệt vật liệu thuộc loại dẻo hay dòn. Ví dụ: • Với vật liệu dẻo như thép ít carbon, bitum, trước khi bị phá hoại có hiện tượng biến dạng dẻo rõ rệt, • Vật liệu dòn như đá, bê-tông , gang , trước khi bị phá hoại không xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo. c. Hiện tượng từ biến. Hiện tượng từ biến là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian khi ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu rắn. Ở nhiệt độ cao vật liệu có hiện tượng từ biến rất rõ rệt. Trong cấu trúc của vật liệu rắn có một phần phi tinh thể có tính chảy nhớt gần như thể lỏng, và do cấu tạo của mạng tinh thể chưa hoàn chỉnh. Dưới tác dụng của ngoại lực, những nguyên nhân trên sẽ gây nên hiện tượng từ biến. d. Hiện tượng chùng ứng suất. Dưới tác dụng của ngoại lực, giữ cho biến dạng không đổi và ứng suất đàn hồi giảm dần theo thới gian sẽ sinh ra hiện tượng chùng ứng suất. Nguyên nhân là do một bộ phận của vật liệu có biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo. Năng lượng đàn hồi chứa trong vật liệu sẽ chuyển thành nhiệt mất đi, làm cho hiện tượng đàn hồi giảm dần. III.2. Cường độ. Cường độ là khả năng chịu lực của vật liệu chống lại sự phá hoại khi có tác dụng của ngoại lực (như tải trọng, nhiệt độ, gió, thay đổi thời tiết,...). Cường độ của vật liệu phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, độ đồng nhất của cấu trúc, loại vật liệu,... Cường độ của vật liệu được biểu thị bằng cường độ chịu nén giới hạn, chịu uốn, chịu kéo, sức chịu cắt,... của vật liệu. Những giá trị này tương ứng với ứng suất khi mẫu bị phá hoại. a. Giới hạn cường độ chịu nén, chịu kéo, chịu cắt (Rn, Rk, Rc). Là tỉ số giữa lực phá hoại P tác dụng lên mẫu khi nén, kéo, cắt với tiết diện F ban đầu của mẫu vật liệu . Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 11 R P Fn k, max= , kG/cm2 (1-11) 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: u 2 3 P.LR 2 b.h = σ = và u 23.P.(L a)R b.h −= (1-12a,b) 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. Hình I.2. Thí nghiệm chịu nén P (lực nén) F (d.tích mặt cắt ngang mẫu) Mẫu thí nghiệm P L b h Hình I.3a. Thí nghiệm uốn a) 1 điểm đặt lực, b) 2 điểm đặt lực P/2 a P/2 a a Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 12 III.3. Độ cứng: Là tính chất của vật liệu chống lại sự xuyên đâm của một vật liệu khác cứng hơn nó. Có 2 phương pháp xác định độ cứng: a. Bảng phân loại độ cứng Morh. (Đối với vật liệu khoáng). Muốn thử độ cứng của vật liệu , người ta đem khoáng vật trong bảng Mohr rạch lên mẫu thử. Ví dụ: Một loại vật liệu rạch được thạch anh nhưng lại không rạch được topal, vậy vật liệu sẽ có độ cứng nằm trong khoảng từ 7 - 8. Bảng thang độ cứng sẽ cho biết độ cứng hơn hay kém của vật liệu chứ không thể định lượng chính xác cứng gấp hơn bao nhiêu lần. b. Độ cứng Brinell. Độ cứng Brinell được dùng để xác định độ cứng của vật liệu kim loại, gỗ, bê tông. Dùng viên bi thép có đường kính D mm, ấn vào vật liệu cần thử một lực P. Dựa vào vết lõm trên vật liệu nông hay sâu để xác định độ cứng. Độ cứng Brinell : ( )BR 2 2P 2.PH F .D. D D d= = π − − kG/mm2 (1-13) Với: F: Diện tích chỏm cầu, mm2. D: Đường kính bi thép, mm. d: Đường kính vết lõm, mm. P: Lực ép viên bi vào mẫu thí nghiệm, kG. Tùy thuộc vào đường kính viên bi và loại vật liệu, 2P = K.D K: Hệ số phẩm chất phụ thuộc vào tính chất của vật liệu . * Kim loại đen: K = 30. * Kim loại màu: K = 10. * Kim loại mềm: K = 3. HBR Có giá trị càng lớn thì vật liệu càng cứng. P D d Hình I. 4. Thí nghiệm độ cứng Brinell Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 13 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 Fluorine Rạch được bằng dao thép với áp lực không lớn lắm 5 Apatit Aán dao mạnh mới rạch được, không rạch được kính 6 Octoclaz Không rạch được bằng dao thép, làm kính xước nhẹ 7 Thạch anh Có thể rạch được kính dễ dàng, không rạch được 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 0,3-0,6mm (rắc 2.5 lít cát/1000 vòng). Độ mài mòn: 1 2m G GM F −= (g/cm2 ) (1-14) Với: F: Tiết diện mẫu, cm2. G1,G2: Khối lượng mẫu trước và sau khi mài mòn. cát thạch anh Hình I.5 Thí nghiệm mài mòn Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 14 III.5. Độ chống va chạm. Độ chống va chạm của vật liệu (tính bằng kG.m/cm3) là công cần thiết (kG.m) để đập vỡ 1 đơn vị thể tích vật liệu (cm3) của mẫu thí nghiệm. Để xác định độ chống va chạm dùng máy búa đặc biệt. Đặt mẫu nằm trên bệ ở giữa 2 trụ. Qủa cân treo ở độ cao nhất định sẽ rơi tự do đập vào mẫu cho đến khi xuất hiện vết nứt. III.6. Độ hao mòn. Độ hao mòn là khả năng của vật liệu chịu tác dụng đồng thời của 2 lực mài mòn và va chạm. Độ hao mòn xác định bằng máy quay hình trống Devan. - Đá được đập thành viên khoảng 100gr. - Cân 5 kg đá ( 50 ± 2 viên), cho vào máy. - Quay 10,000 vòng, xác định độ hao mòn theo công thức. 1 2m 1 G GH G −= (1-15) - G1 : Khối lượng mẫu ban đầu (g). - G2 : Khối lượng mẫu sau khi quay 10,000 vòng và rây sót sàng 2mm (g). - Hm: Độ hao mòn (%). Đối với mỗi loại vật liệu yêu cầu có độ hao mòn nhất định. Với đá qui định như sau: • Hm = 4% : Đá chống hao mòn rất khỏe. • Hm = 4-6% : Đá chống hao mòn khỏe. • Hm = 6-10% : Đá chống hao mòn trung bình. • Hm = 10-15%: Đá chống hao mòn yếu. • Hm > 15% : Đá chống hao mòn rất yếu. III.7. Hệ số an toàn. Trong thiết kế, người ta chỉ tính theo cường độ tối đa cho phép của vật liệu. Cường độ này phải nhỏ hơn cường độ giới hạn thực của vật liệu thì mới an toàn. Hệ số an toàn k là tỉ số giữa cường độ giới hạn thực và cường độ tối đa cho phép của vật liệu. k luôn luôn lớn hơn 1. Đế Trụ đỡ Búa Mẫu Hình I.6 Thí nghiệm x/đ khả năng chống va đập của vật liệu Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 15 [ ] Rk R = (1-16) 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 . pc o RK = γ (1-17) Với: R : Cường độ giới hạn của vật liệu (kG/cm2) γo : Khối lượng thể tích của vật liệu (kg/cm3) 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: V0k = V0w - V0k.∇V ⇒ V0k + V0k.∇V = V0w V0k (1 + ∇V) = V0w ⇒ V0k = V0w / (1 + ∇V) 3. Tính khối lượng thể tích ở trạng thái ẩm và khô : γ0w = Mw / V0w γ0k = Mk / V0k 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 Để giải bài toán này có thể vận dụng độ rỗng theo công thức : r = 1 - γ0k / γa Bài giảng Vật liệu xây dựng Chương 1: Các tính chất cơ bản của vật liệu I- 16