Chuong 2

CHƯƠNG 2 NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU 2.1. Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu 2.1.1. Khối lượng riêng Khối lượng riêng ρ là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc. Khối lượng riêng được tính bằng công thức ρ=

G Va

(g/cm3, kg/dm3, kg/l, kg/m3 hay tấn/m3)

trong đó: G-khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. Va-thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3. 2.1.2. Khối lượng thể tích Khối lượng thể tích γ là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lổ rỗng). Khối lượng thể tích được tính bằng công thức γ =

G V0

(g/cm3, kg/dm3, kg/m3 hay tấn/m3)

trong đó: G- khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. V0-thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, cm3.

Thông thường ở một loại vật liệu, khối lượng thể tích có thể biến động trong phạm vi rộng hơn nhiều so với khối lượng riêng vì nó phụ thuộc vào cấu trúc chính của vật liệu. Đối với một vật liệu, khối lượng thể tích luôn có trị số nhỏ hơn khối lượng riêng. Chỉ với vật liệu được xem là tuyệt đối đặc thì hai trị số này mới bằng nhau. Khối lượng thể tích của vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật. Thông qua khối lượng thể tích của vật có thể đánh giá sơ bộ một số tính chất khác của nó như: độ xốp, độ hút nước, tính truyền nhiệt, cường độ… 2.1.3.Độ xốp Độ xốp r là tỉ số giữa thể tích xốp trong vật liệu với thể tích tự nhiên của nó, xác định bằng công thức r=

Vr V0

trong đó Vr-thể tích xốp có trong vật liệu,

V0-thể tích tự nhiên của vật liệu. Tuy nhiên độ xốp còn hay được tính ra % theo công thức r=

do đó

Vr x100 (%) V0

Biết rằng Vr=V0-Va, trong đó Va-thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, r=

V0 − Va ⎛ Va = ⎜⎜1 − V0 ⎝ V0

⎞ ⎛ γ⎞ ⎛ γ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜1 − ⎟⎟ hoặc là r = ⎜⎜1 − ⎟⎟ x100 (%) ⎝ ρ⎠ ⎠ ⎝ ρ⎠

trong đó: γ-khối lượng thể tích của vật liệu, g/cm3, ρ-khối lượng riêng của vật liệu, g/cm3. Độ xốp là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất khác của chính vật liệu đó như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt, khả năng chống ăn mòn… Ngoài ra, đặc trưng cấu trúc của các lổ xốp trong vật liệu cũng đóng vai trò rất quan trọng. 2.1.4. Độ mịn Độ mịn là chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt của vật liệu dạng hạt rời rạc. Đối với vật liệu rời rạc, bên cạnh việc xác định độ mịn còn cần phải quan tâm đến hàm lượng của các nhóm cỡ hạt, hình dạng hạt và tính chất bề mặt của hạt (góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả năng hấp phụ và liên kết với các vật liệu khác). 2.2. Tính chất vật lý có liên quan đến nước 2.2.1. Độ ẩm Độ ẩm W là tỉ lệ phần trăm của nước có thực trong vật liệu tại thời điểm thí nghiệm. 2.2.2. Độ hút nước Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường. Độ hút nước theo khối lượng Hp là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô. Hp được tính toán theo công thức sau Hp =

G −G Gn .100 = u .100 (%) G G

trong đó: Gn-khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g, Gu-khối lượng mẫu vật liệu ướt sau khi đã hút nước, g,

G-khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. 2.2.3. Tính thấm nước Tính thấm nước là tính chất để cho nước thấm qua chiều dày của nó khi giữa hai bề mặt vật liệu có chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh. 2.2.4. Độ co dãn ẩm Một số vật liệu rỗng có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ như gỗ, bê tông khi độ ẩm thay đổi thì thể tích và kích thước của chúngcũng thay đổi: co khi độ ẩm giảm, nở khi độ ẩm tăng lên. 2.3. Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt 2.3.1.Tính truyền nhiệt Tính truyền nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều dày của khối vật liệu, từ phía mặt giới hạn có nhiệt độ cao sang phía mặt giới hạn có nhiệt độ thấp. Tính truyền nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng đối với những vật liệu dùng trong các bộ phận công trình xây dựng dân dụng (như tường bao che, mái, trần…) và đặc biệt là đối với những vật liệu cách nhiệt chuyên dùng để giữ nhiệt cho các buồng và thiết bị nhiệt. 2.3.2.Tính chống cháy và tính chịu lửa Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một thời gian nhất định. Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao cũng không bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và cũng không bị cacbon hoá. Nó có thể có biến dạng nhỏ không đáng kể như gạch ngói, bê tông, amiăng hay những vật liệu có biến dạng lớn như thép. Vật liệu khó cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao có thể bị bắt lửa, cháy âm ỉ hay bị cacbon hoá một cách khó khăn. Vật liệu dễ cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao sẽ bắt lửa và tiếp tục cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy. Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà không bị chảy và biến hình. Vật liệu chịu lửa có khả năng tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao hơn 15800C như gạch chịu lửa samôt, đinas… Các vật liệu này dùng để lót bên trong các lò công nghiệp. Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 13500C đến 15800C gồm những loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói.

Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 13500C như gạch đất sét nung thông thường. 2.4. Tính chất cơ học 2.4.1. Tính biến dạng của vật liệu Tính biến dạng là tính chất thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực. Thực chất của biến dạng là ngoại lực tác dụng lên vật đã làm thay đổi hay phá vỡ vị trí cân bằng của chất điểm trong vật liệu và làm cho các chất điểm này có chuyển vị tương đối. Biến dạng của vật liệu được xác định bằng biến đạng tuyệt đối và biến dạng tương đối. Biến dạng tuyệt đối ∆l (mm) tính theo công thức ∆l = l1 – l0, trong đó l0 và l1 là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi biến dạng của mẫu thử. Biến dạng tương đối ε tính bằng công thức ε=

∆l x100 (%) l0

Biến dạng đàn hồi: sau khi bỏ ngoại lực thì biến dạng mất đi hoàn toàn. Tính chất hồi phục hình dạng và kích thước ban đầu của vật liệu sau khi dỡ bỏ ngoại lực gọi là tính đàn hồi. Điều kiện biến dạng đàn hồi là: xuất hiện khi ngoại lực tác dụng chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm của vật liệu. Công cả ngoại lực sẽ chuyển hoá thành nội năng – năng lượng đàn hồi. Nếu bỏ ngoại lực đi, tức là năng lượng đàn hồi sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất điểm. Khi đó biến dạng của vật liệu sẽ triệt tiêu. Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng nhỏ và tác dụng ngắn hạn. Tính đnà hồi của vật liệu được đặc trưng bằng môđun đàn hồi Eđh. E dh =

σ ε

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó σ-ứng suất ở giai đoạn đàn hồi, daN/cm2 hay MPa. ε-biến dạng đàn hồi tương đối, %. Khi ngoại lực tác dụng lên vật liệu lớn hơn lực tương hỗ giữa các chất điểm của vật liệu sẽ gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ đối với cấu trúc của vật liệu. Lúc này công do ngoại lực gây ra không chuyển hoá thành nội năng và gây phá hoại cấu trúc nội bộ vật liệu và do đó biến dạng không thể bị triệt tiêu. Vật liệu dòn: cho tới trước khi phá hoại vẫn không có hiện tượng biến dạng dẻo rõ rệt (gang, đá thiên nhiên, bê tông…).

Biến dạng dẻo: sau khi dỡ bỏ ngoại lực vật liệu không trở lại hình dạng và kích thước ban đầu. Tính chất này gọi là tính dẻo. Vật liệu dẻo: vật liệu trước khi phá hoại có biến dạng dẻo và rất rõ rệt thép ít cacbon, bitum… Như trên đã nói, điều kiện của biến dạng đàn hồi là ngoại lực tác dụng lên vật liệu chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm (phần tử) của vật liệu. Khi lực đủ lớn và dài hạn thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo. Vật liệu đàn hồi lý tưởng có biến dạng đàn hồi của tuân theo định luật Hooke. Vật liệu dẻo lý tưởng (như chất lỏng lý tưởng) có biến dạng tương đối tuân theo định luật Newton: ε=

τ.t (%) η

trong đó τ-ứng suất trượt, daN/cm2 hay MPa, t-thời gian, s, η-độ nhớt, daN.s/cm2 hay MPa.s. Khi vật liệu có cả tính đàn hồi và tính dẻo (bê tông atphan hay chất dẻo), biến dạng tổng hợp ε bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi εđh và biến dạng dẻo εd. ε = εđh + εd ε=

σ σ.t + E η

⎛1 + ⎝E

hay ε = σ⎜⎜

t⎞ ⎟ η ⎟⎠

Khi một ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu có thể làm cho biến dạng của vật liệu tăng theo thời gian và hiện tượng này được gọi là từ biến. Nguyên nhân gây ra từ biến là do bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất gần giống với chất lỏng và mặt khác, bản thân mạng lưới tinh thể cũng có những khuyết tật (hiện tượng sai lệch cấu trúc). Hiện tượng biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoịa lực không thay đổi theo thời gian, mà ứng suất trong vật liệu giảm dần theo thời gian, được gọi là hiện tượng chùng ứng suất. Nguyên nhân của hiện tượng chùng ứng suất là do một bộ phận vật liệu có biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo, năng lượng đàn hồi chuyển dần thành nhiệt năng và mất đi. 2.4.2. Cường độ Cường độ là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng hoặc tác động môi trường gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hoại.

Vật liệu phải chịu các tải trọng khác nhau như: kéo, nén, uốn, cắt… tương ứng với mỗi dạng chịu tải này sẽ có các loại cường độ: cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu cắt… Cường độ là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng tối thiểu để đánh giá chất lượng của những vật liệu dùng cho các bộ phận chịu lực của công trình. Bởi vậy cường độ được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác của các vật liệu. Đối với các vật liệu có khả năng chịu nén cao (đá thiên nhiên, bê tông xi măng, cường độ chịu nén thường cao hơn cường độ chịu kéo từ 8 đến 15 lần) thường được dùng làm các bộ phận chịu nén của công trình: cường độ chịu nén dùng để định ra mác. Đối với vật liệu có khả năng chịu kéo cao (thép xây dựng): căn cứ vào cường độ chịu kéo để định ra mác. Cường độ của vật liệu thường được xác định bằng phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu: đặt các mẫu vật liệu đã được gia công thích hợplên máy gia tải tăng tải cho đến khi mẫu bị phá hoại. Cường độ của vật liệu được tính toán từ các kết quả xác định trong thí nghiệm theo các công thức tương ứng với dạng chịu lực đã được nghiên cứu trong môn sức bền vật liệu. Chẳng hạn như cường độ chịu nén Rn và cường độ chịu kéo Rk của vật liệu được tính bằng công thức

hay

Rn =

Pmax (daN/cm2 hay MPa) F

Rk =

Pmax F

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: Pmax-tải trọng nén hoặc kéo phá hoại mẫu, daN hay N, F-tiết diện chịu lực của mẫu, m2 hay mm2. Cường độ chịu uốn Ru của vật liệu được tính bằng công thức Ru =

M W

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: M-mômen uốn phá hoại, daN.cm hay N.mm, W-mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, cm3 hay mm3. 2.4.3. Độ cứng Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệu khác cứng hơn nó. Với vật liệu khoáng, độ cứng được đánh giá bằng thang Mohr. Thang Mohr gồm có 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần từ 1đến 10 (xem bảng).

2.4.4. Độ mài mòn Độ mài mòn là độ mòn khối lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài mòn trên máy thí nghiệm. Độ mài mòn của vật liệu phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo bên trong của vật liệu. 2.4.5. Tính chống va đập Tính chống va đập là khả năng của vật liệu chống lại sự phá huỷ do tác dụng của tải trọng va đập gây ra và được biểu thị bằng công cần thiết để đập vỡ một đơn vị thể tích mẫu vật liệu.