GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐẶNG VĂN THANH (CHỦ BIÊN) - THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐH LÂM NGHIỆP by Nguyễn Thanh Tú

TS. Đặng Văn Thanh (Chủ biên) TS. Phạm Văn Tỉnh

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU XÂY DỰNG

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Vật liệu Xây dựng” được xuất bản nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo đại học ngành Kỹ thuật Xây dựng của Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam. Ngoài ra, giáo trình này có thể làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu cho giáo viên và sinh viên ở các trường đại học khác có đào tạo về các ngành xây dựng. Giáo trình được biên soạn theo chương trình giảng dạy dành cho ngành Kỹ thuật Xây dựng. Với phương châm “Cơ bản, hiện đại và thực tế” các tác giả đã thu thập, đúc kết và biên tập mang tính kế thừa có chỉnh sửa bổ sung từ các giáo trình và tài liệu khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến lĩnh vực khoa học này. Giáo trình gồm 9 chương: Chương 1: Tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng; Chương 2: Vật liệu đá tự nhiên và gốm xây dựng; Chương 3: Chất kết dính; Chương 4: Bê tông xi măng; Chương 5: Vữa xây dựng; Chương 6: Vật liệu kim loại và vật liệu gỗ; Chương 7: Bê tông nhựa; Chương 8: Vật liệu sơn xây dựng; Chương 9: Vật liệu kính xây dựng. Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự giúp đỡ quý báu của các nhà khoa học; xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Khoa Cơ điện & Công trình, Phòng Đào tạo, Thư viện - Trường Đại học Lâm nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để cuốn giáo trình này được xuất bản. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng với thời gian và điều kiện hạn chế, giáo trình này chắc chắn không thể tránh khỏi những sự thiếu sót nhất định. Nhóm tác giả xin trân trọng đón nhận những ý kiến đóng góp xây dựng của các nhà khoa học và bạn đọc để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm tác giả

MỤC LỤC Lời nói đầu .............................................................................................................................3 Mục lục ...................................................................................................................................5 Chương 1 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1. Khái niệm chung ...........................................................................................................13 1.1.1. Khái niệm và yêu cầu của vật liệu xây dựng .........................................................13 1.1.2. Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng ..............................................................13 1.1.3. Ý nghĩa của việc nghiên cứu tính chất của vật liệu xây dựng ...............................14 1.2. Các thông số đặc trưng cấu trúc của vật liệu xây dựng .................................................14 1.2.1. Khối lượng riêng ....................................................................................................14 1.2.2. Khối lượng thể tích ................................................................................................15 1.2.3. Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu ............................................................18 1.2.4. Độ mịn ...................................................................................................................21 1.3. Những tính chất có liên quan đến môi trường nước ......................................................21 1.3.1. Độ ẩm.....................................................................................................................21 1.3.2. Độ hút ẩm ..............................................................................................................22 1.3.3. Độ bão hòa và hệ số bão hòa .................................................................................24 1.3.4. Tính thấm nước ......................................................................................................26 1.3.5. Tính ổn định nước..................................................................................................28 1.3.6. Tính co nở do nước ................................................................................................28 1.4. Những tính chất có liên quan đến nhiệt ....................................................................29 1.4.1. Tính dẫn nhiệt ........................................................................................................29 1.4.2. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng .............................................................................31 1.4.3. Tính chống cháy và tính chịu lửa ..........................................................................33 1.5. Tính chất cơ học ............................................................................................................34 1.5.1. Tính biến dạng của vật liệu ....................................................................................34 1.5.2. Cường độ ...............................................................................................................36 1.5.3. Độ cứng .................................................................................................................41 1.5.4. Độ mài mòn ...........................................................................................................42

1.5.5. Tính chống va chạm ..............................................................................................43 1.5.6. Độ hao mòn............................................................................................................45 Chương 2 VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN VÀ GỐM XÂY DỰNG 2.1. Khái niệm chung về đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên ......................................46 2.1.1. Khái niệm đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên..............................................46 2.1.2. Ưu và nhược điểm .................................................................................................48 2.2. Phân loại và đặc tính cơ bản của đá thiên nhiên............................................................48 2.2.1. Đá macma ..............................................................................................................48 2.2.2. Đá trầm tích ...........................................................................................................52 2.2.3. Đá biến chất ...........................................................................................................55 2.3. Phân loại và các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên ..........................58 2.3.1. Phân loại vật liệu đá thiên nhiên ............................................................................58 2.3.2. Các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên.......................................60 2.4. Bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên .......................................................................................61 2.4.1. Các biện pháp kết cấu ............................................................................................62 2.4.2. Các biện pháp hóa học ...........................................................................................62 2.5. Khái niệm chung về vật liệu gốm xây dựng ..................................................................62 2.5.1. Khái niệm vật liệu gốm xây dựng..........................................................................62 2.5.2. Ưu và nhược điểm của vật liệu gốm xây dựng ......................................................63 2.5.3. Phân loại vật liệu gốm xây dựng ...........................................................................63 2.5.4. Nguyên liệu sản xuất vật liệu gốm xây dựng ........................................................64 2.5.5. Công nghệ sản xuất gạch, ngói ..............................................................................68 2.6. Các vật liệu gốm xây dựng thông dụng .........................................................................73 2.6.1. Vật liệu xây tường .................................................................................................73 2.6.2. Gạch gốm ốp lát .....................................................................................................75 2.6.3. Vật liệu lợp ............................................................................................................80 2.6.4. Một số vật liệu gốm xây dựng khác.......................................................................80

Chương 3 CHẤT KẾT DÍNH 3.1. Khái niệm chung về chất kết dính .................................................................................83 3.1.1. Khái niệm...............................................................................................................83 3.1.2. Phân loại chất kết dính...........................................................................................83 3.2. Xi măng .........................................................................................................................85 3.2.1. Khái niệm chung về xi măng .................................................................................85 3.2.2. Tính chất cơ bản của xi măng ................................................................................94 3.2.3. Kỹ thuật bảo quản - sử dụng xi măng ..................................................................101 3.2.4. Một số loại xi măng đặc biệt ...............................................................................102 3.3. Vôi ...............................................................................................................................103 3.3.1. Khái niệm chung về vôi .......................................................................................104 3.3.2. Phân loại vôi trong xây dựng ...............................................................................105 3.3.3. Tính chất cơ bản của vôi ......................................................................................106 3.3.4. Công dụng và bảo quản vôi .................................................................................109 3.4. Thạch cao ....................................................................................................................109 3.4.1. Khái niệm chung về thạch cao .............................................................................109 3.4.2. Tính chất cơ bản của thạch cao ............................................................................111 3.4.3. Công dụng và bảo quản thạch cao xây dựng .......................................................113 3.5. Bitum dầu mỏ ..............................................................................................................114 3.5.1. Khái niệm bitum dầu mỏ .....................................................................................114 3.5.2. Thành phần của bitum dầu mỏ.............................................................................114 3.5.3. Tính chất của bitum dầu mỏ ................................................................................115 Chương 4 BÊ TÔNG XI MĂNG 4.1. Khái niệm chung .........................................................................................................122 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản......................................................................................122 4.1.2. Vai trò của các thành phần vật liệu trong bê tông ...............................................122 4.1.3. Phân loại bê tông .................................................................................................123 4.1.4. Ưu và nhược điểm của bê tông ............................................................................124 4.2. Vật liệu chế tạo bê tông ...............................................................................................125

4.2.1. Xi măng ...............................................................................................................125 4.2.2. Cốt liệu nhỏ .........................................................................................................129 4.2.3. Cốt liệu lớn ..........................................................................................................131 4.2.4. Nước ....................................................................................................................135 4.2.5. Phụ gia .................................................................................................................135 4.3. Tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông...................................................................136 4.3.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông ......................................................................136 4.3.2. Cường độ của bê tông ..........................................................................................144 4.3.3. Biến dạng của bê tông..........................................................................................154 4.3.4. Tính thấm nước của bê tông ................................................................................158 4.4. Thiết kế thành phần bê tông xi măng ..........................................................................159 4.4.1. Khái niệm về thiết kế thành phần bê tông ...........................................................159 4.4.2. Số liệu cần thiết khi thiết kế ................................................................................160 4.4.3. Trình tự và phương pháp thiết kế thành phần bê tông .........................................160 4.4.4. Xác định lượng vật liệu cho một mẻ trộn máy ....................................................168 4.5. Thi công bê tông ..........................................................................................................169 4.6. Một số loại bê tông đặc biệt ........................................................................................171 4.6.1. Bê tông chất lượng cao ........................................................................................171 4.6.2. Bê tông tự đầm.....................................................................................................171 4.6.3. Bê tông nhẹ ..........................................................................................................173 4.6.4. Bê tông cốt thép ...................................................................................................174 Chương 5 VỮA XÂY DỰNG 5.1. Khái niệm chung về vữa xây dựng ..............................................................................178 5.1.1. Khái niệm vữa......................................................................................................178 5.1.2. Phân loại vữa .......................................................................................................178 5.2. Nguyên liệu chế tạo vữa ..............................................................................................179 5.2.1. Chất kết dính ........................................................................................................179 5.2.2. Cốt liệu - cát.........................................................................................................179 5.2.3. Phụ gia .................................................................................................................180 5.2.4. Nước ....................................................................................................................180 5.3. Tính chất cơ bản của vữa.............................................................................................181

5.3.1. Độ dẻo của hỗn hợp vữa ......................................................................................181 5.3.2. Tính giữ nước của hỗn hợp vữa ...........................................................................182 5.3.3. Tính chống thấm của vữa ....................................................................................183 5.3.4. Cường độ vữa ......................................................................................................183 5.4. Lựa chọn thành phần vữa ............................................................................................184 5.4.1. Cấp phối vữa vôi ..................................................................................................185 5.4.2. Cấp phối vữa hỗn hợp xi măng - vôi ...................................................................185 5.4.3. Cấp phối vữa xi măng ..........................................................................................187 Chương 6 VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ VẬT LIỆU GỖ 6.1. Vật liệu kim loại ..........................................................................................................188 6.1.1. Khái niệm và ưu, nhược điểm .............................................................................188 6.1.2. Tính chất của vật liệu kim loại ............................................................................188 6.1.3. Vật liệu kim loại đen và màu ...............................................................................192 6.1.4. Thép cacbon và thép hợp kim ..............................................................................193 6.1.5. Hợp kim nhôm .....................................................................................................194 6.1.6. Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép ..................................................................194 6.1.7. Hư hỏng và biện pháp bảo vệ vật liệu kim loại ...................................................195 6.2. Vật liệu gỗ ...................................................................................................................197 6.2.1. Khái niệm và ưu - nhược điểm của vật liệu gỗ ....................................................197 6.2.2. Phân loại và tên gọi của gỗ ..................................................................................197 6.2.3. Cấu tạo của của gỗ ...............................................................................................200 6.2.4. Tính chất của gỗ...................................................................................................202 6.2.5. Khuyết tật của gỗ .................................................................................................211 6.2.6. Các biện pháp phòng chống phá hoại và nâng cao tuổi thọ của vật liệu gỗ ........214 Chương 7 BÊ TÔNG NHỰA 7.1. Khái niệm, phân loại và cấu trúc bê tông nhựa ...........................................................219 7.1.1. Khái niệm bê tông nhựa .......................................................................................219 7.1.2. Phân loại hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa ................................................219 7.1.3. Cấu trúc của bê tông nhựa ...................................................................................221

7.2. Tính chất cơ bản của bê tông nhựa ..............................................................................222 7.2.1. Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của bê tông nhựa...........................223 7.2.2. Độ ổn định và độ dẻo Marshall............................................................................229 7.2.3. Cường độ chịu nén, tính ổn định nước và ổn định nhiệt .....................................230 7.2.4. Cường độ chịu kéo gián tiếp ................................................................................233 7.2.5. Biến dạng vĩnh cửu - vệt hằn lún bánh xe ...........................................................234 7.3. Thiết kế thành phần bê tông nhựa ...............................................................................236 7.3.1. Vật liệu chế tạo bê tông nhựa ..............................................................................236 7.3.2. Thiết kế thành phần bê tông nhựa........................................................................242 7.4. Công nghệ chế tạo bê tông nhựa .................................................................................245 7.4.1. Chuẩn bị ...............................................................................................................245 7.4.2. Trộn hỗn hợp .......................................................................................................245 7.4.3. Vận chuyển, rải và đầm lèn .................................................................................246 7.4.4. Kiểm tra chất lượng .............................................................................................246 Chương 8 VẬT LIỆU SƠN XÂY DỰNG 8.1. Khái niệm chung về sơn xây dựng ..............................................................................249 8.1.1. Khái niệm.............................................................................................................249 8.1.2. Phân loại sơn........................................................................................................249 8.2. Thành phần của sơn xây dựng .....................................................................................250 8.2.1. Chất kết dính ........................................................................................................250 8.2.2. Chất tạo màu và chất độn.....................................................................................250 8.2.3. Dung môi .............................................................................................................251 8.2.4. Các chất phụ gia...................................................................................................252 8.3. Đặc tính của một số loại sơn dùng trong xây dựng .....................................................253 8.3.1. Sơn lót ..................................................................................................................253 8.3.2. Sơn phủ ................................................................................................................254 8.3.3. Sơn chống thấm ...................................................................................................254 8.3.4. Sơn ngoại thất ......................................................................................................255 8.3.5. Sơn nội thất ..........................................................................................................255 8.3.6. Sơn bảo vệ kết cấu thép .......................................................................................256

8.3.7. Sơn Vecni và sơn PU ...........................................................................................258 8.4. Thi công và đánh giá chất lượng sơn xây dựng...........................................................258 8.4.1. Công tác chuẩn bị ................................................................................................258 8.4.2. Sơn các lớp sơn theo trình tự thiết kế ..................................................................259 8.4.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sơn xây dựng ....................................................260 Chương 9 VẬT LIỆU KÍNH XÂY DỰNG 9.1. Tổng quan về vật liệu kính ..........................................................................................262 9.1.1. Khái niệm chung ..................................................................................................262 9.1.2. Lịch sử về vật liệu kính .......................................................................................262 9.2. Tính chất cơ bản của vật liệu kính...............................................................................264 9.2.1. Độ nhớt ................................................................................................................264 9.2.2. Khả năng kết tinh .................................................................................................264 9.2.3. Sức căng bề mặt ...................................................................................................264 9.2.4. Độ bền hóa ...........................................................................................................264 9.2.5. Khối lượng riêng ..................................................................................................265 9.2.6. Tính chất cơ học ..................................................................................................265 9.2.7. Tính chất liên quan đến nhiệt...............................................................................266 9.2.8. Tính chất liên quan tới điện .................................................................................266 9.2.9. Tính chất quang học.............................................................................................267 9.3. Ưu và nhược điểm của vật liệu kính xây dựng............................................................269 9.4. Đặc tính và quá trình sản xuất một số vật liệu kính thông dụng .................................270 9.4.1. Kính thường .........................................................................................................270 9.4.2. Kính dán an toàn ..................................................................................................270 9.4.3. Kính cách âm cách nhiệt ......................................................................................272 9.4.4. Kính cường lực ....................................................................................................274 9.4.5. Kính phản quang ..................................................................................................276 Tài liệu tham khảo ..............................................................................................................279

Chương 1

TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1. Khái niệm chung 1.1.1. Khái niệm và yêu cầu của vật liệu xây dựng Vật liệu xây dựng (VLXD) là các loại vật liệu được sử dụng cho việc xây dựng công trình nói chung. Sự tồn tại của VLXD được xác định bằng các thông số vật lý đặc trưng cho thành phần và cấu trúc của chúng (khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng, độ xốp…). Đồng thời, khi đã được sử dụng vào công trình xây dựng, vật liệu phải chịu các tác động mang tính chất cơ - lý - hóa... của tải trọng và của môi trường. Những tác động từ tải trọng và của môi trường gây nên những ảnh hưởng có hại đến vật liệu; chúng có thể làm hư hỏng vật liệu và dẫn đến phá hoại kết cấu, phá hoại công trình. Để không xảy ra hay hạn chế các hiện tượng hư hỏng và phá hoại, VLXD phải có khả năng chịu được tải trọng yêu cầu theo thiết kế, phải đảm bảo được tính ổn định cần thiết trước những ảnh hưởng có hại của các nhân tố môi trường trong suốt quá trình sử dụng.

1.1.2. Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng Đối với mỗi công trình xây dựng, tùy theo công năng của nó khi làm việc, VLXD có thể chịu các yếu tố tác động bên ngoài bao gồm: Tác động cơ học (các tác động do trọng lượng bản thân, gió, hoạt tải sử dụng, sóng, động đất, tuyết...); tác động hóa học (các tác động do xâm thực của môi trường axit, nước biển, sinh vật biển, nước mưa...) và các tác động khác (các tác động do áp suất hơi, nhiệt, phóng xạ...). Xét về nội bộ bên trong vật liệu, khả năng làm việc của vật liệu xây dựng lại phụ thuộc vào các yếu tố như: sự sắp xếp các cấu trúc, hàm lượng các thành phần khoáng, các liên kết (ion, phân tử, cộng hóa trị...), thành phần các 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... Với mỗi loại VLXD, đều được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật hay các tính chất cơ bản và có thể phân chúng thành hai nhóm thông số cơ bản dựa trên một số căn cứ như sau: Nhóm 1: Các thông số liên quan tới đặc trưng cấu trúc của vật liệu: khối lượng riêng (KLR), khối lượng thể tích (KLTT)... Các thông số này thuộc về bản chất của mỗi loại vật liệu, nó là cơ sở để nhận biết, phân biệt các loại vật liệu.

Nhóm 2: Các thông số liên quan đến môi trường sử dụng vật liệu, bao gồm: Các tính chất có liên quan đến môi trường nước (độ ẩm, độ hút ẩm…), các tính chất có liên quan đến nhiệt (tính dẫn nhiệt, tính chống cháy...) và các tính chất cơ học (cường độ, tính biến dạng...).

1.1.3. Ý nghĩa của việc nghiên cứu tính chất của vật liệu xây dựng Việc nghiên cứu các tính chất của vật liệu xây dựng nhằm mục đích cơ bản là so sánh, đánh giá chất lượng để từ đó lựa chọn và sử dụng vật liệu trong xây dựng công trình hợp lý hơn và có hiệu quả hơn; đồng thời, cải thiện tính chất vật liệu truyền thống và phát triển vật liệu mới sao cho phù hợp với yêu cầu và điều kiện sử dụng hiện tại.

1.2. Các thông số đặc trƣng cấu trúc của vật liệu xây dựng 1.2.1. Khối lượng riêng 1.2.1.1. Khái niệm Khối lượng riêng (ký hiệu: , a) là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc; được xác định theo công thức (1-1).

a 

Gk (g/cm3) Va

(1-1)

Trong đó: + Gk: Khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô, g; + Va: Thể tích của vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3.

1.2.1.2. Phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng riêng Tùy theo từng loại vật liệu mà có những phương pháp xác định khối lượng riêng khác nhau. a. Vật liệu được coi như hoàn toàn đặc Với vật liệu coi như hoàn toàn đặc (như thép, kính...), việc xác định khối lượng khô (Gk) được thực hiện bằng cách sấy mẫu thí nghiệm ở nhiệt độ 105 ÷ 1100C cho tới khi khối lượng không đổi, rồi cân với độ chính xác ± 0,1 g. Thể tích đặc của vật liệu thì tùy theo hình dạng của từng loại vật liệu mà có các cách xác định khác nhau: - Với vật liệu đặc có hình dạng hình học rõ ràng: Đo kích thước với độ chính xác đến ± 0,1 mm và dùng công thức để tính ra thể tích đặc của vật liệu (Va); - Với vật liệu đặc nhưng không có hình dạng hình học rõ ràng: Dùng phương pháp “vật liệu chiếm chỗ chất lỏng”. Cụ thể: Thả vật liệu vào bình chất lỏng, khi đó thể tích chất lỏng dâng lên chính là thể tích đặc của vật liệu.

b. Vật liệu không hoàn toàn đặc Với vật liệu không hoàn toàn đặc (như gạch, đá, bê tông...), mẫu được sấy khô rồi nghiền nhỏ, sàng qua sàng có kích thước lỗ nhỏ hơn 0,2 mm; khối lượng khô (Gk) của vật liệu được xác định bằng việc cân khối lượng bột vật liệu; thể tích đặc (Va) được xác định bằng cách dùng bình tỷ trọng với phương pháp “vật liệu chiếm chỗ chất lỏng”: Thả bột vật liệu vào bình tỉ trọng, khi đó thể tích chất lỏng dâng lên chính là thể tích đặc của vật liệu.

1.2.1.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Khối lượng riêng của vật liệu chỉ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và cấu trúc vi mô, nên biến động trong phạm vi rất nhỏ. Khối lượng riêng được dùng để phân biệt các vật liệu cùng loại, tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa) và tính toán một số chỉ tiêu vật lý khác như độ đặc, độ rỗng… của vật liệu. Đối với vật liệu hỗn hợp, khối lượng riêng được lấy bằng khối lượng riêng trung bình xác định theo công thức (1-2).

 ahh 

G1  G2  ...  Gn G G1 G2   ...  n

1

2

(1-2)

n

Trong đó: + γkhh: Khối lượng riêng trung bình của vật liệu, g/cm3; + G1, G2,... Gn: Khối lượng các vật liệu thành phần ở trạng thái khô, g; + γ1, γ2, ... γn,: Khối lượng riêng của các vật liệu thành phần, g/cm3.

1.2.2. Khối lượng thể tích 1.2.2.1. Khái niệm Khối lượng thể tích (KLTT) của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở các trạng thái và thời điểm khác nhau; tùy thuộc vào loại vật liệu và trạng thái của vật liệu mà ta thường dùng khái niệm khối lượng thể tích với các tên gọi như: khối lượng thể tích tiêu chuẩn, khối lượng thể tích tự nhiên, khối lượng thể tích xốp và khối lượng thể tích đẩy nổi. Khối lượng thể tích tiêu chuẩn (ký hiệu: γ, γtc, γk, γ0, γ0tc): Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên; được sấy khô ở nhiệt độ 105 ÷ 1100C, do vậy còn được gọi là khối lượng thể tích khô. Khối lượng thể tích tiêu chuẩn được xác định theo công thức (1-3).

 0tc 

Gk (g/cm3) Vk

(1-3)

Trong đó: + Gk: Khối lượng vật liệu ở trạng thái khô, g; + Vk: Thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô (có lỗ rỗng), cm3. Khối lượng thể tích tự nhiên (ký hiệu: γtn, γw, γ0tn, γ0W): Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên, tại thời điểm thí nghiệm (có kể đến cả nước chứa trong các lỗ rỗng, khe nứt của mẫu vật liệu). Khối lượng thể tích tự nhiên được xác định theo công thức (1-4).

w 

G (g/cm3) Vo

(1-4)

Trong đó: + G: Khối lượng vật liệu ở trạng thái tự nhiên, g; + V0: Thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (có lỗ rỗng), cm3. Trong thực tế để tránh nhầm lẫn với khối lượng thể tích tiêu chuẩn (khối lượng thể tích khô), khối lượng thể tích tự nhiên còn được gọi là khối lượng thể tích ẩm. Khối lượng thể tích xốp (ký hiệu: γx, γdd, γ0x, γ0dd): Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu có dạng hạt rời rạc; được đổ đống tự nhiên, do vậy còn được gọi là khối lượng thể tích đổ đống. Khối lượng thể tích xốp được xác định theo công thức (1-5).

x 

Gx (g/cm3) Vx

(1-5)

Trong đó: + Gx: Khối lượng vật liệu dạng hạt ở trạng thái xốp (đổ đống), g; + Vx: Thể tích vật liệu dạng hạt ở trạng thái xốp (đổ đống), cm3. Khối lượng thể tích đẩy nổi (ký hiệu: γdn): Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu khi cân trong nước (là khối lượng thể tích của vật liệu được cân trong môi trường nước); được xác định theo công thức (1-6).

 dn  16

Gdn Gbh  Gn    bh   n V0 V0

(1-6)

Trong đó: + Gdn: Khối lượng đẩy nổi của vật liệu, g; + V0: Thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (có lỗ rỗng), cm3; + Gbh: Khối lượng vật liệu ở trạng thái bão hòa nước, g; + Gn: Khối lượng nước có trong vật liệu, g; + γbh: Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hòa nước của vật liệu, g/cm3; + γn: Khối lượng thể tích của nước, g/cm3.

1.2.2.2. Phương pháp thí nghiệm xác định khối lượng thể tích Việc xác định khối lượng của mẫu vật liệu được thực hiện bằng cách sấy khô mẫu vật liệu ở nhiệt độ 105 ÷ 1100C, rồi cân với độ chính xác ± 0,1 g. Còn thể tích tự nhiên của vật liệu, thì tùy theo hình dáng của mẫu thí nghiệm mà có các phương pháp xác định nhau: Với mẫu có hình dạng hình học rõ ràng: Đo kích thước chính xác đến ± 0,1 mm và dùng công thức toán học để tính thể tích tự nhiên (V0). Với mẫu không có hình dạng hình học rõ ràng: Dùng phương pháp vật liệu chiếm chỗ trong chất lỏng. Cụ thể: Sau khi sấy khô, lấy parafin đun chảy rồi nhúng mẫu vào parafin để parafin bao bọc quanh mẫu; sau đó thả mẫu vật liệu vào bình chất lỏng; căn cứ mức chất lỏng ban đầu, mức chất lỏng dâng lên khi cho mẫu vật liệu đã bao bọc parafin vào và thể tích parafin bọc quanh mẫu vật liệu sẽ xác định được thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu thí nghiệm. Ngoài phương pháp bọc parafin, trong thực tế có thể dùng phương pháp: ngâm mẫu bão hòa nước. Với vật liệu dạng hạt rời rạc: Đổ vật liệu đã sấy khô từ một chiều cao nhất định xuống một dụng cụ có thể tích biết trước (ca, thùng…); từ khối lượng vật liệu chứa trong dụng cụ và dung tích dụng cụ sẽ xác định được khối lượng thể tích của mẫu vật liệu.

1.2.2.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Giá trị khối lượng thể tích của vật liệu xây dựng biến đổi trong phạm vi rộng và phụ thuộc vào loại vật liệu, cũng như kết cấu nội bộ bản thân vật liệu. Với vật liệu cùng loại nhưng cấu tạo (đặc, rỗng) khác nhau thì giá trị khối lượng thể tích cũng khác nhau. Với vật liệu dạng hạt, khối lượng thể tích xốp phụ thuộc vào kích thước hạt và sự sắp xếp giữa các hạt. Dựa vào khối lượng thể tích của vật liệu có thể phán đoán được một số tính chất cơ bản như: cường độ, độ rỗng, độ đặc, khả năng hút nước... Ngoài ra, khối lượng thể tích còn

được sử dụng để tính toán trọng lượng bản thân của kết cấu, tính cấp phối cho vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa…), lựa chọn phương tiện vận chuyển, kho bãi... Khối lượng riêng và khối lượng thể tích của một số loại vật liệu thường gặp được ghi ở Bảng 1.1. Bảng 1.1. Khối lượng riêng và KLTT của một số loại VLXD thông dụng ρ (g/cm3)

γ (g/cm3)

1,0

2,7 - 2,8

2,6 - 2,8

Gỗ

1,52 - 1,58

0,4 - 1,28

Gạch đất sét nung

2,65 - 2,70

1,5 - 1,8

2,65

1,4 - 1,65

Kính

2,45 - 2,65

Thép xây dựng

7,8 - 7,85

Loại vật liệu Nước ở 2770K (40C) Đá granit

Cát thạch anh

1.2.3. Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu 1.2.3.1. Khái niệm Về nguyên lý, trong vật liệu luôn tồn tại những lỗ rỗng; tùy loại vật liệu mà các lỗ rỗng có mức độ kích thước to nhỏ khác nhau. Khi kích thước lỗ quá nhỏ, ta có thể coi vật liệu là hoàn toàn đặc (thép, kính). Để đánh giá mức độ rỗng tạo ra từ các lỗ rỗng của vật liệu, ta dùng các chỉ tiêu: độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu. Độ đặc (ký hiệu: d) của vật liệu là tỷ số hoặc tỉ lệ phần trăm giữa thể tích đặc với thể tích tự nhiên của vật liệu; được xác định theo công thức (1-7).

d 

Va V0

(1-7)

Độ rỗng (ký hiệu: r) là tỷ số hay tỉ lệ phần trăm giữa phần thể tích rỗng với thể tích tự nhiên của vật liệu; được xác định theo công thức (1-8).

r

Vr V0

(1-8)

Hệ số rỗng (ký hiệu: e) là tỷ số giữa phần thể tích rỗng với thể tích đặc của vật liệu; được xác định theo công thức (1-9).

e

Vr Va

(1-9)

Trong đó: + Va: Thể tích hoàn toàn đặc của vật liệu; + V0: Thể tích tự nhiên của vật liệu; + Vr: Thể tích lỗ rỗng của vật liệu. Lưu ý: Đa số các loại vật liệu đều có độ đặc nhỏ hơn 1 (nhỏ hơn 100%), riêng một số loại vật liệu như thép, kính... thì độ bặc coi như bằng 1 (100%); và như vậy, độ rỗng của các loại vật liệu có thể nằm trong khoảng từ 0 đến nhỏ hơn 1 (không thể bằng 1), trong khi hệ số rỗng của vật liệu có thể lớn hơn 1. Lỗ rỗng trong vật liệu xây dựng có thể được phân thành 2 loại: kín và hở. Lỗ rỗng kín là loại lỗ rỗng riêng biệt, không thông với nhau và không thông với môi trường không khí bên ngoài vật liệu; lỗ rỗng hở là loại lỗ rỗng thông với nhau và thông với môi trường không khí bên ngoài vật liệu.

1.2.3.2. Phương pháp xác định Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu thường được xác định từ tính toán thông qua kết quả thí nghiệm xác định khối lượng riêng và khối lượng thể tích. Việc tính toán được thực hiện bằng các công thức quan hệ giữa các chỉ tiêu này. Từ các công thức định nghĩa về độ đặc và độ rỗng, có thể biến đổi để đạt được công thức quan hệ giữa độ đặc và độ rỗng như (1-10):

r

V  Va V Vr  0  1 a  1 d V0 V0 V0

(1-10)

Từ các công thức định nghĩa về độ đặc, có thể biến đổi để đạt được công thức quan hệ giữa độ đặc với khối lượng riêng và khối lượng thể tích như (1-11): Từ định nghĩa, có: d 

Va Va / Gk  Vo V0 / Gk 19

mà:

Va Gk 1   0 và V0 Gk  a

Vậy: d 

0 a

(1-11)

Từ các công thức định nghĩa về độ rỗng, có thể biến đổi để đạt được công thức quan hệ giữa độ rỗng với khối lượng riêng và khối lượng thể tích như (1-12):

V  Va V Vr  0  1 a V0 V0 V0

Từ định nghĩa, có: r 

mà: Va 

a

và V0 

0

Rút gọn lại ta có:

r  1

0 a

(1-12)

Từ các công thức định nghĩa về hệ số rỗng, có thể biến đổi để đạt được công thức quan hệ giữa hệ số rỗng với khối lượng riêng và khối lượng thể tích như (1-13): Từ định nghĩa, có: e 

mà: V0 

0

Vr V0  Va V0   1 Va Va Va

và Va 

a

Rút gọn lại ta có:

e

a 1 0

(1-13)

1.2.3.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu và thường biến đổi trong phạm vi rộng. Đây là các thông số ảnh hưởng tới các tính năng quan trọng của vật liệu như cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính cách âm, tính cách nhiệt. Thông qua độ đặc, độ rỗng và hệ số rỗng có thể dự đoán được một số tính năng cơ bản của vật liệu: cường độ, độ hút nước, tính thấm…

1.2.4. Độ mịn 1.2.4.1. Khái niệm độ mịn Độ mịn (độ lớn hạt, độ nhỏ hạt) là chỉ tiêu kỹ thuật dùng đánh giá kích thước hạt của các loại vật liệu xây dựng có dạng hạt rời rạc như đá dăm, cát, xi măng…

1.2.4.2. Chỉ tiêu đánh giá độ mịn Độ mịn của vật liệu dạng hạt thường được đánh giá bằng hai chỉ tiêu: kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng. Kích thước hạt (độ lớn hạt) được xác định bằng tỉ lệ phần trăm khối lượng hạt lọt qua sàng (hoặc nằm trên sàng) có kích thước quy định. Diện tích bề mặt riêng (tỉ diện) là tổng diện tích bề mặt các hạt có trong một đơn vị khối lượng vật liệu; đơn vị tính thường là cm2/g.

1.2.4.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa của độ mịn Độ mịn của vật liệu xây dựng phụ thuộc đặc điểm điều kiện của quá trình hình thành và công nghệ chế tạo. Dựa vào độ mịn, ta có thể sơ bộ đánh giá một số tính chất của vật liệu xây dựng như: độ rỗng, khả năng hút nước, mức độ phân tán trong môi trường...

1.3. Những tính chất có liên quan đến môi trƣờng nƣớc 1.3.1. Độ ẩm 1.3.1.1. Khái niệm Độ ẩm là tỉ lệ phần trăm giữa khối lượng nước có trong mẫu vật liệu và khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô (không có nước tự do trong lỗ rỗng).

W

Gn .100 (%) Gk

(1-14)

Trong đó: + Gn: Khối lượng nước chứa trong mẫu vật liệu ở thời điểm thí nghiệm; + Gk: Khối lượng của mẫu vật liệu ở trạng thái khô.

1.3.1.2. Cách xác định Độ ẩm thường được xác định bằng phương pháp sấy: Trước khi sấy, cân mẫu vật liệu thí nghiệm để xác định được khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (Gvl); sau đó,

sấy khô ở nhiệt độ 100 ÷ 1100C đến khối lượng không đổi, rồi cân để xác định được khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô (Gk). Khi đó độ ẩm của mẫu thí nghiệm được xác định theo công thức (1-15):

W

Gvl  Gk .100 (%) Gk

(1-15)

1.3.1.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Độ ẩm là đại lượng thay đổi liên tục theo điều kiện môi trường (nhiệt độ và độ ẩm). Vật liệu có thể hút ẩm hoặc nhả ẩm tùy theo sự chênh lệch của áp suất hơi nước trong không khí và trong vật liệu. Ngoài ra, độ ẩm cũng phụ thuộc vào cấu tạo nội bộ và bản chất ưa nước hay kỵ nước của vật liệu. Khi độ ẩm của vật liệu thay đổi thì một số tính chất của nó cũng bị thay đổi theo, ví dụ như: cường độ, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, khối lượng thể tích… Đồng thời, độ ẩm thay đổi tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng và giảm theo, gây hiện tượng co nở thể tích, sinh ra nội ứng suất phá hủy cấu trúc của vật liệu. Ngoài ra, trong chế tạo các vật liệu hỗn hợp (bê tông, vữa…) khi biết độ ẩm của vật liệu, ta có thể điều chỉnh lượng dùng vật liệu thực tế cho hợp lý.

1.3.2. Độ hút ẩm 1.3.2.1. Khái niệm Độ hút ẩm (độ hút nước) là khả năng của vật liệu hút và giữ nước trong các lỗ rỗng của nó ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường (p = 1 atm và t0 = 20 ± 5oC). Độ hút nước có thể được đánh giá theo khối lượng hoặc theo thể tích của vật liệu: - Độ hút nước theo khối lượng: Độ hút nước theo khối lượng (Hp) là tỉ lệ phần trăm giữa khối lượng nước có trong vật liệu khi nó được bão hòa ở điều kiện nhiệt độ - áp suất thường và khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-16):

Gnbh Hp  .100, % Gk Trong đó: + Gnbh: Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được trong vật liệu; + Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối.

(1-16)

- Độ hút nước theo thể tích: Độ hút nước theo thể tích (Hv) là tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước có trong vật liệu khi được bão hòa ở điều kiện nhiệt độ - áp suất thường và thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-17):

Vnbh Hv  .100, % V0

(1-17)

Trong đó: + Vnbh: Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được trong vật liệu; + V0 : Thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối.

1.3.2.2. Quan hệ giữa độ hút nước theo thể tích và độ hút nước theo khối lượng Để tìm ra quan hệ giữa Hv và Hp ta thực hiện biến đổi như sau:

Vnbh Gnbh /  n Gnbh / Gk Hv  .100  .100  .100, % V0 V0  n .V0 / Gk Gnbh Gk .100  H p và  0 mà: Gk V0 (γ0: Khối lượng thể tích khô của vật liệu; γn: Khối lượng riêng của nước). Rút gọn, ta có công thức (1-18):

Hv  H p .

0 ,% n

(1-18)

1.3.2.2. Cách xác định Độ hút nước của vật liệu được xác định bằng phương pháp thí nghiệm ngâm mẫu cho đến khi bão hòa nước ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không khí. Tùy thuộc vào kích thước mẫu, thời gian ngâm mẫu có thể dài (với mẫu có kích thước lớn) hoặc ngắn (với mẫu có kích thước nhỏ): Trước khi ngâm mẫu, cân mẫu vật liệu thí nghiệm ở trạng thái khô để xác định khối khô của mẫu (Gk); sau khi ngâm bão hòa mẫu, xác định được khối lượng ở trạng thái bão hòa (Gbh). Khi đó độ hút nước theo khối lượng của mẫu thí nghiệm được xác định theo công thức (1-19):

Gnbh G  Gk Hp  .100  bh .100, % Gk Gk

(1-19)

1.3.2.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của vật liệu: độ đặc, độ rỗng, đặc biệt là cấu trúc của lỗ rỗng (lỗ rỗng kín, hở, thông nhau...); bản chất kỵ nước hay ưa nước của vật liệu. Độ hút nước theo khối lượng Hp có thể lớn hơn 1 (100%), nhưng độ hút nước theo thể tích Hv luôn nhỏ hơn 1 (100%); Khi vật liệu bão hòa nước thì một số tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo: cường độ giảm, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tăng, thể tích tăng... Dựa vào độ hút ẩm có thể đánh giá một số tính năng cơ bản của vật liệu.

1.3.3. Độ bão hòa và hệ số bão hòa 1.3.3.1. Khái niệm về độ bão hòa Độ bão hòa là khả năng của vật liệu hút và giữ nước cao nhất trong các lỗ rỗng ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất (có thể gọi: Độ hút nước cưỡng bức). Tương tự như độ hút nước, độ bão hòa cũng được được đánh giá theo cả khối lượng và thể tích: - Độ bão hòa nước theo khối lượng: Độ bão hòa nước theo khối lượng (Hpmax) là tỉ lệ phần trăm giữa khối lượng nước có trong vật liệu khi nó được bão hòa ở điều kiện cưỡng bức (về nhiệt độ - áp suất) và khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-20):

max p

Gnbhcb  .100, % Gk

(1-20)

Trong đó: + Gnbhcb: Khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất; + Gk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối. - Độ bão hòa nước theo thể tích: Độ bão hòa nước theo thể tích (Hvmax) là tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước có trong vật liệu khi được bão hòa ở điều kiện cưỡng bức và thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô; xác định theo công thức (1-21):

H 24

max v

Vnbhcb  .100 , % V0

(1-21)

Trong đó: + Vnbhcb: Thể tích nước mà mẫu vật liệu hút và giữ được ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất; + V0: Thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô tuyệt đối. - Quan hệ độ bão hòa nước theo thể tích và độ bão hòa nước theo khối lượng: Cũng tương tự như độ hút nước, để tìm ra quan hệ giữa Hvbhcb và Hpbhcb ta thực hiện biến đổi như sau:

max v

Vnbhcb Gnbhcb /  n Gnbhcb / Gk  .100  .100  .100, % V0 V0  n .V0 / Gk

Gnbhcb .100  H p và mà: Gk

Gk  0 V0

Rút gọn, ta có công thức (1-22):

Hvmax  H pmax .

0 ,% n

(1-22)

1.3.3.3. Cách xác định độ bão hòa Có thể xác định độ bão hòa bằng hai phương pháp: dùng nhiệt độ và áp suất. Phương pháp nhiệt độ: Đun sôi liên tục 4 giờ; chờ nguội đến nhiệt độ phòng, vớt mẫu, cân và tính toán. - Phương pháp áp suất: Hạ suất trong bình xuống 20 mmHg; đợi đến không còn bọt khí; khôi phục lại áp suất khí quyển (760 mmHg) và để trong 2h; vớt mẫu, cân và tính toán. Với cả hai phương pháp, độ bão hòa nước theo khối lượng của mẫu thí nghiệm được xác định theo công thức (1-23):

max p

Gnbhcb G  Gk  .100  bhcb .100, % Gk Gk

(1-23)

Trong đó: Gbhcb: Khối lượng mẫu vật liệu sau khi đã hút và giữ được ở điều kiện cưỡng bức về nhiệt độ hoặc áp suất.

1.3.3.4. Hệ số bão hòa nước Hệ số bão hòa (Cbh) là chỉ tiêu đánh giá mức độ bão hòa của nước trong các lỗ rỗng của vật liệu; nó là tỉ số hay tỉ lệ phần trăm giữa thể tích nước chứa trong vật liệu khi được bão hòa ở điều kiện cưỡng bức so với tổng thể tích lỗ rỗng của vật liệu. Theo định nghĩa, hệ số bão hòa được xác định theo công thức (1-24):

Cbh 

Vn Vr

(1-24)

Trong thực tế, làm thí nghiệm không trực tiếp để xác định hệ số bão hòa nước, mà thường được xác định từ độ hút nước theo thể tích (1-25):

Cbh

Vn V V H  n  0  v Vr Vr r V0

(1-25)

1.3.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng - ý nghĩa Cũng như độ hút nước, độ bão hòa của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của vật liệu: độ đặc, độ rỗng, đặc biệt là cấu trúc của lỗ rỗng (lỗ rỗng kín, hở, thông nhau...); bản chất kỵ nước hay ưa nước của vật liệu. Độ bão hòa theo khối lượng Hp có thể lớn hơn 1 (100%), nhưng độ bão hòa theo thể tích Hv luôn không vượt quá 1 (100%); và như vậy, Hệ số bão hòa Cbh cũng luôn không vượt quá 1 (100%). Khi vật liệu bão hòa nước thì một số tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo: cường độ giảm, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tăng, thể tích tăng... Dựa vào độ hút ẩm có thể đánh giá một số tính năng cơ bản của vật liệu.

1.3.4. Tính thấm nước 1.3.4.1. Một số khái niệm Tính thấm nước của vật liệu là tính chất của vật liệu cho nước thấm qua chiều dày của nó khi có sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa hai bề mặt. Tính chống thấm nước của vật liệu là khả năng của vật liệu ngăn không cho nước thấm qua chiều dày của nó khi có sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa hai bề mặt. Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu được biểu thị bằng hệ số thấm (Kth), xác định theo công thức (1-26):

Ktn 

Vn .a F ( p1  p2 )t

(1-26)

Trong đó: + Ktn: Hệ số thấm nước của vật liệu, m3/h; + Vn: Thể tích nước thấm qua mẫu vật liệu, m3; + a: Chiều dày của mẫu vật liệu nước thấm qua, m; + F: Diện tích chịu thấm, m2; + p1, p2: Áp suất thủy tĩnh ở mặt trước và mặt sau, mH2O ; + t: Thời gian thấm, h. Từ công thức (1-16) ta thấy: Khi diện tích chịu thấm là một mét vuông, chiều dày của mẫu vật liệu nước thấm qua là một mét, thời gian thấm là một giờ, chênh lệch áp suất thủy tĩnh ở mặt trước và mặt sau của tấm vật liệu là một mét cột nước thì trị số hệ sô thấm bằng với trị số thể tích nước thấm. Như vậy, hệ số thấm nước là thể tích nước thấm qua mẫu vật liệu có chiều dày một mét, tiết diện một mét vuông, trong thời gian một giờ, khi chênh lệch áp suất thủy tĩnh ở hai bề mặt đối xứng là một mét cột nước. Mác chống thấm là khả năng chịu được áp lực thủy tĩnh lớn nhất của vật liệu; nó được đặc trưng bởi độ chênh lệch áp suất thủy tĩnh tối đa (p1 - p2)max mà vật liệu chưa cho nước thấm qua.

1.3.4.2. Phương pháp thí nghiệm Với các vật liệu làm việc ở dạng hình khối, sơ đồ thí nghiệm thấm được thể hiện ở Hình (1.1a): Dùng mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ; các diện tích mặt bên của mẫu được bọc vật liệu cách nước, mặt trên và dưới để trống. Sau mỗi khoảng thời gian nhất định (thường là 2 tiếng), áp lực nước được tăng dần từng cấp nhờ máy bơm và van điều tiết. Thí nghiệm dừng lại khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước.

a. vật liệu dạng khối

b. vật liệu dạng bản

Hình 1.1. Sơ đồ thí nghiệm thấm

Với các vật liệu làm việc ở dạng bản mỏng, sơ đồ thí nghiệm thấm được thể hiện ở Hình (1.1b): Dùng mẫu thí nghiệm có dạng bản mỏng hình tròn. Áp lực nước dùng thí nghiệm chỉ cần nhỏ, nên thường không cần dùng máy bơm và khoảng thời gian giữ cho mỗi cấp áp lực chỉ là 5 phút. Thí nghiệm dừng lại khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước. Mác chống thấm chính là trị số tương ứng với cấp áp lực liền sát trước khi trên mặt mẫu xuất hiện giọt nước.

1.3.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân của từng loại vật liệu, cụ thể là: Độ rỗng và cấu trúc của các lỗ rỗng trong vật liệu. Mức độ thấm nước lớn hay yếu còn phụ thuộc vào áp lực và thời gian nước tác dụng lên bề mặt vật liệu. Tính thấm hay tính chống thấm nước của vật liệu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi vật liệu làm việc trong môi trường nước hoặc chịu ảnh hưởng trực tiếp của mưa gió.

1.3.5. Tính ổn định nước Tính ổn định nước (tính ổn định cường độ với nước) là chỉ tiêu đánh giá sự thay đổi (giảm) cường độ khi vật liệu tiếp xúc với nước hoặc ở trong môi trường nước. Tính ổn định nước được đánh giá bằng chỉ tiêu “hệ số mềm - Km”, xác định theo công thức (1-27).

Km 

Rbh R

(1-27)

Trong đó: + Rbh: Cường độ vật liệu ở trạng thái bão hòa nước; + R: Cường độ vật liệu ở trạng thái khô. Dựa vào hệ số mềm có thể đánh giá và lựa chọn vật liệu sử dụng phù hợp với yêu cầu và điều kiện môi trường làm việc.

1.3.6. Tính co nở do nước 1.3.6.1. Khái niệm Tính co nở (co giãn) do nước là khả năng đổi thể tích của một số loại vật liệu khi độ ẩm môi trường thay đổi. Khi độ ẩm giảm: Chiều dày lớp nước hấp phụ quanh các phần tử của vật liệu giảm, làm lực mao dẫn bên trong kéo các phần tử vật liệu xích lại gần nhau hơn, gây nên hiện tượng co. Khi độ ẩm tăng: Các phân tử H2O thâm nhập vào các lỗ rỗng, đẩy các phần tử vật liệu ra xa nhau, gây nên hiện tượng nở.

1.3.6.2. Cách đánh giá Bảng 1.2. Độ co nở của một số loại VLXD thông dụng Tên vật liệu

Độ co nở (mm/m)

Gỗ (ngang thớ)

30 - 100

Bê tông xốp

1-3

Vữa

0,5 - 1

Gạch đất sét

0,03 - 0,1

Bê tông nặng

0,3 - 0,7

Đá granit

0,02 - 0,06

Độ co nở do thay đổi đô ẩm được đặc trưng bằng độ thay đổi chiều dài của vật liệu, được đánh giá bằng độ co nở tương đối (trị số co nở trên một đơn vị chiều dài). Độ co nở tương đối của một số loại vật liệu được ghi ở Bảng 1.2.

1.3.6.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Trị số co nở của vật liệu lớn hay nhỏ phụ thuộc vào từng loại vật liệu và điều kiện môi trường: Vật liệu có độ rỗng lớn sẽ có khả năng hút ẩm cao, độ co nở sẽ lớn và ngược lại; trong môi trường ẩm, vật liệu thường sẽ nở ra; khi trong môi trường khô, vật liệu sẽ bị co lại. Khi độ ẩm thay đổi thường xuyên thì hiện tượng co nở sẽ lặp đi lặp lại nhiều lần, làm xuất hiện vết nứt, làm ảnh hưởng xấu tới công trình.

1.4. Những tính chất có liên quan đến nhiệt 1.4.1. Tính dẫn nhiệt 1.4.1.1. Khái niệm Tính dẫn nhiệt (tính truyền nhiệt) là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều dày của khối vật liệu từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp.

1.4.1.2. Cách xác định Lượng nhiệt lượng truyền qua vật liệu (Q) có thể được xác định theo công thức (1-28):

Q

F (t1  t2 ) z , Kcal a

(1-28)

Tính truyền nhiệt của vật liệu được đánh giá bằng hệ số truyền nhiệt; được xác định theo công thức (1-29):



Q.a F (t2  t1 ) z

(1-29)

Trong đó: + λ: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu, Kcal/mh0C ; + F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2; + t1, t2: Nhiệt độ ở mặt trước và mặt sau của tấm vật liệu, 0C; + z: Thời gian truyền nhiệt, h; + a: Chiều dày của tấm vật liệu dẫn nhiệt, m. Từ công thức (1-29) ta thấy: Khi chiều dày của tấm vật liệu dẫn nhiệt a = 1 m, diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 1 m2, thời gian truyền nhiệt z = 1 giờ, chênh lệch nhiệt độ ở mặt trước và mặt sau của tấm vật liệu ∆t = (t2 –t1) = 10C thì λ = Q. Như vậy, hệ số truyền nhiệt là lượng nhiệt truyền qua mẫu vật liệu có chiều dày 1 m, tiết diện 1 m2, trong thời gian 1 giờ, khi chênh lệch ở hai bề mặt đối xứng là 10C.

1.4.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng - ý nghĩa Hệ số truyền nhiệt (λ) phụ thuộc vào khối lượng thể tích (), độ rỗng (r), cấu trúc lỗ rỗng, độ ẩm (W) và nhiệt độ trung bình của bản thân vật liệu. Do không khí có hệ số truyền nhiệt λ nhỏ (λ = 0,02 Kcal/m.0C.h) nên khi độ rỗng của vật liệu càng lớn (khối lượng thể tích càng nhỏ) sẽ làm cho hệ số truyền nhiệt của vật liệu càng nhỏ. - Ảnh hưởng của cấu tạo bản thân vật liệu: Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt λ vào khối lượng thể tích  của vật liệu được xác định bằng công thức thực nghiệm của V.P. Nhekraxov (1-30):

  0,0196  0, 22 02  0,14 , Kcal/mh0C

(1-30)

Công thức (1-30) được sử dụng ứng với điều kiện vật liệu khô trong không khí (độ ẩm nằm trong khoảng 1% đến 7%). - Ảnh hưởng của nhiệt độ trung bình của vật liệu: Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt (λ) vào nhiệt độ trung bình (còn gọi: Nhiệt độ bình quân - t) của vật liệu được thể hiện theo công thức (1-31):

t  0 (1  0,002t )

(13)

Trong đó: + λt: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở t0C; + λ0: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 00C; + t: Nhiệt độ trung bình của vật liệu; công thức (1-31) được sử dụng ứng với điều kiện nhiệt độ trung bình của vật liệu nằm trong khoảng từ 400C đến 700C). - Ảnh hưởng của độ ẩm của vật liệu: Sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt (λ) vào độ ẩm W của vật liệu là do hệ số truyền nhiệt của nước (λ = 0,51 Kcal/m.0C.h) lớn gấp 25 lần hệ số truyền nhiệt λ của không khí nên khi độ ẩm W tăng, tức là lượng nước có trong vật liệu cũng tăng, làm cho hệ số truyền nhiệt λ của vật liệu cũng tăng. Sự ảnh hưởng này được thể hiện theo công thức (1-32):

w    .w , Kcal/m.0C.h

(1-32)

Trong đó: + λw: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở trạng thái ẩm; + λ: Hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở trạng thái khô; + W: Độ ẩm của vật liệu; + ∆λ: Gia số truyền nhiệt ứng với mỗi % tăng của độ ẩm W theo thể tích: Đối với vật liệu hữu cơ: ∆λ = 0,003 (kcal/m.0C.h). Đối với vật liệu vô cơ: ∆λ = 0,002 (kcal/m.0C.h).

1.4.2. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng 1.4.2.1. Khái niệm Nhiệt dung là lượng nhiệt hấp thụ hay giải phóng khi vật liệu được nung nóng hay làm nguội. Nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt) là lượng nhiệt hấp thụ (hay giải phóng) khi nung nóng (hay làm nguội) 1 kg vật liệu 10C.

1.4.2.2. Công thức xác định - Nhiệt dung của vật liệu (Q) được xác định theo công thức (1-33) như sau:

Q  CG(t2  t1 ) , Kcal

(1-33)

Trong đó: + C: Nhiệt dung riêng của vật liệu, kcal/kg0C; + G: Khối lượng vật liệu được làm nóng, kg; + t2, t1: Nhiệt độ của vật liệu sau và trước khi nung nóng hoặc làm nguội, 0C. - Nhiệt dung riêng của vật liệu được xác định bằng công thức (1-34):

C 

Q , Kcal/kg.0C G t 2  t1 

(1-34)

Từ công thức (1-34) ta thấy: khi G = 1 kg, (t2 – t1) = 10C thì C = Q. Như vậy, nhiệt dung riêng C là lượng nhiệt hấp thụ hay giải phóng khi nung nóng hay làm nguội 1 kg vật liệu lên 10C.

1.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa - Ảnh hưởng của độ ẩm: Nhiệt dung riêng của nước rất lớn (Cn = 1 Kcal/kg.0C) nên độ ẩm có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt dung riêng của vật liệu. Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào độ ẩm của vật liệu được thể hiện qua công thức (1-35):

CW 

C  0,01.W .C n , Kcal/kg.0C 1  0,01.W

(1-35)

Trong đó: + Cw và C: Nhiệt dung riêng của vật liệu ở trạng thái ẩm và khô; + W: Độ ẩm của vật liệu, %; + Cn: Nhiệt dung riêng của nước. - Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo: Mỗi loại vật liệu có nhiệt dung riêng biệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu hỗn hợp Chh được tính theo công thức (1-36).

C hh 

C1G1  C 2 G2  .....C n Gn ; (Kcal/kg.0C) G1  G2  .....Gn

(1-36)

Trong đó: + C1, C2…Cn: Nhiệt dung riêng của các vật liệu thành phần; + G1, G2 …Gn: Khối lượng của các vật liệu thành phần. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng được sử dụng trong tính toán nhiệt lượng cho gia công nhiệt của vật liệu, hoặc dùng để lựa chọn vật liệu xây dựng các trạm nhiệt.

1.4.3. Tính chống cháy và tính chịu lửa 1.4.3.1. Tính chống cháy Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một khoảng thời gian nhất định. Dựa vào tính chống cháy có thể chia vật liệu xây dựng thành 3 nhóm sau: - Nhóm vật liệu không cháy: Là nhóm vật liệu không bắt lửa, không cháy âm ỷ và không bị cacbon hóa dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt độ cao. Đa số những vật liệu không cháy thường ít bị biến dạng khi nhiệt độ cao; - Nhóm vật liệu khó cháy: Là nhóm vật liệu mà dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt độ cao có thể bị bắt lửa, cháy âm ỷ và bị cacbon hóa một cách khó khăn. Khi bỏ nguồn gây cháy (ngọn lửa) thì các hiện tượng trên cũng kết thúc; - Nhóm vật liệu dễ cháy: Là nhóm vật liệu mà dưới tác dụng của ngọn lửa hoặc nhiệt độ cao sẽ bắt lửa, tiếp tục cháy và cacbon hóa ngay cả khi đã bỏ nguồn lửa. Hầu hết các vật liệu hữu cơ đều thuộc nhóm vật liệu dễ cháy.

1.4.3.2. Tính chịu lửa Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà không bị cháy và không bị biến dạng. Theo khả năng chịu lửa vật liệu được chia thành 3 nhóm: - Vật liệu chịu lửa: Là loại vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ lớn hơn 1.5800C (gạch chịu lửa sa mốt, gạch chịu lửa cao nhôm,… dùng để lót lò cao) mà không bị cháy và không bị biến dạng; - Vật liệu khó cháy: Là loại vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao trong khoảng từ 1.350 ÷ 1.5800C (các loại gạch đặc xây vỏ lò cao, ống khói…) mà không bị cháy và không bị biến dạng; - Vật liệu dễ cháy: Là loại vật liệu chỉ chịu được nhiệt độ nhỏ hơn 1.3500C đã có thể bị cháy hoặc bị biến dạng.

1.5. Tính chất cơ học 1.5.1. Tính biến dạng của vật liệu 1.5.1.1. Khái niệm Tính biến dạng là tính chất của vật liệu có thể thay đổi hình dạng và kích thước dưới tác dụng của ngoại lực. Bản chất của hiện tượng biến dạng là dưới tác dụng của ngoại lực, vị trí cân bằng của các chất điểm trong vật liệu bị thay đổi hoặc bị phá vỡ, gây nên sự chuyển vị tương đối của các chất điểm trong vật liệu.

1.5.1.2. Phân loại biến dạng 1. Căn cứ vào phương thức xác định biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là biến dạng tuyệt đối và biến dạng tương đối: Biến dạng tuyệt đối: Δl = l1 – l0

(1-37)

Biến dạng tương đối:

  100.

l ,% l0

(1-38)

Trong đó: + l: Độ biến dạng tuyệt đối của vật liệu; + ε: Biến dạng tương đối; + l0: Chiều dài ban đầu của vật liệu; + l1: Chiều dài lớn nhất sau khi bị biến dạng của vật liệu; 2. Căn cứ vào khả năng phục hồi biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo: Biến dạng đàn hồi là loại biến dạng mà sẽ mất đi khi ngoại lực ngừng tác dụng, khi đó vật liệu sẽ khôi phục lại hình dạng và kích thước ban đầu. Tính chất này của vật liệu gọi là tính đàn hồi. Biến dạng đàn hồi xuất hiện khi ngoại lực tác dụng chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm trong vật liệu. Công của ngoại lực sẽ chuyển hóa thành nội năng dưới dạng năng lượng đàn hồi. Khi ngoại lực ngừng tác dụng thì nội năng (năng lượng đàn hồi) sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất điểm, vật liệu sẽ khôi phục lại hình dạng ban đầu và làm cho biến dạng bị triệt tiêu. Biến dạng đàn

hồi chỉ xảy ra khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng nhỏ trong một thời gian ngắn. Tính đàn hồi của vật liệu được đặc trưng bởi Mô đun đàn hồi E đh; được xác định theo công thức (1-39).

Edh 

 

, MPa

(1-39)

Trong đó: + σ: Ứng suất trong vật liệu ở giai đoạn đàn hồi, Mpa; + ε: Biến dạng đàn hồi tương đối,



l ; l0

+ l: Độ biến dạng tuyệt đối của vật liệu ở giai đoạn đàn hồi, mm; + l0: Chiều dài ban đầu của vật liệu, mm. Biến dạng dẻo là loại biến dạng mà không bị mất đi khi ngoại lực ngừng tác dụng, vật liệu không khôi phục lại được hình dạng và kích thước ban đầu. Tính chất này của vật liệu được gọi là tính dẻo. Biến dạng dẻo xuất hiện khi ngoại lực tác dụng vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm trong vật liệu, gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ cấu trúc vật liệu. Lúc này công của ngoại lực không chuyển hóa thành nội năng mà được dùng để phá hoại cấu trúc của vật liệu, do đó khi ngoại lực ngừng tác dụng thì biến dạng sẽ không bị triệt tiêu. 3. Căn cứ vào thời điểm xuất hiện biến dạng, có thể chia biến dạng thành 2 loại là biến dạng tạm thời (biến dạng ngắn hạn) và biến dạng theo thời gian (biến dạng dài hạn) từ biến. Biến dạng tạm thời xảy ra khi tải trọng tác dụng trong thời gian ngắn (tức thời); khi tải trọng tác dụng dài hạn thì sẽ là biến dạng theo thời gian; và đi kèm với biến dạng dài hạn sẽ là hiện tượng từ biến (hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian trong khi tải trọng tác dụng không tăng). Nguyên nhân gây nên hiện tượng từ biến là do có sự tồn tại của một số bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất gần giống với chất lỏng; hoặc bản thân mạng lưới tinh thể có khuyết tật về mặt cấu trúc hoặc do vật liệu bị thay đổi cấu trúc theo thời gian, nên dưới tác dụng lâu dài của ngoại lực nó bị chảy nhớt ra.

1.5.1.3. Yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của vật liệu, trong đó có các yếu tố cơ bản là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gia tải: Tính dẻo và tính giòn của vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ tăng lực... do vậy, khi các yếu tố này thay đổi thì khả năng biến dạng của vật liệu cũng thay đổi.

Căn cứ vào đặc điểm của hiện tượng biến dạng trước khi bị phá hoại, vật liệu được chia thành các loại: vật liệu dẻo, vật liệu giòn, vật liệu đàn hồi… Vật liệu dẻo là loại vật liệu mà trước khi bị phá hoại có biến dạng dẻo rõ rệt trước khi bị phá hoại. Ví dụ: các loại thép ít cacbon, bitum… Vật liệu giòn là loại vật liệu mà trước khi bị phá hoại không có biến dạng dẻo rõ rệt trước khi bị phá hoại. Ví dụ: gang, đá, bê tông… Vật liệu có tính đàn hồi là loại vật liệu mà khả năng biến dạng đàn hồi lớn hơn biến dạng dẻo.

1.5.2. Cường độ 1.5.2.1. Khái niệm Cường độ là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng gây ra và được biểu thị bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật bị phá hoại. Tương ứng với các dạng tải trọng là các loại cường độ: nén, kéo, uốn... Cường độ là một chỉ tiêu rất quan trọng dùng để đánh giá vật liệu về mặt cơ học, lựa chọn vật liệu cho công trình, tính toán kết cấu công trình, kiểm tra đánh giá công trình cũ hoặc đánh giá nghiệm thu công trình xây dựng mới. Nó là là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của vật liệu dùng trong các kết cấu chịu lực và được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác vật liệu. Cường độ tiêu chuẩn (Rtc) của vật liệu được xác định theo quy trình thí nghiệm chuẩn quy định trong các tiêu chuẩn ngành, tiêu chuẩn Quốc gia hoặc tiêu chuẩn Quốc tế. Trong quá trình thí nghiệm xác định cường độ của vật liệu, kết quả thí nghiệm có thể chịu ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạng, kích thước, đặc điểm bề mặt mẫu thí nghiệm và tốc độ tăng tải.

1.5.2.2. Phương pháp xác định cường độ a) Phương pháp trực tiếp Cường độ của vật liệu được xác định bằng phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu và tính toán dựa trên các công thức theo lý thuyết sức bền vật liệu; đồng thời từng loại vật liệu và điều kiện thí nghiệm, cũng có thể sẽ có kể đến hệ số điều kiện. Khi thí nghiệm xác định các chỉ tiêu: Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo dọc trục, cường độ chịu kéo khi uốn (cường độ chịu uốn) thường được tiến hành và tính toán theo các sơ đồ Hình 1.2 và các công thức từ (1-40) đến (1-42).

a) Sơ đồ nén mẫu

b) Sơ đồ kéo mẫu

c) Sơ đồ uốn với 1 tải

d) Sơ đồ uốn với 2 tải

Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm phá hoại mẫu - Cường độ chịu nén:

Rn 

Pmax F

, Mpa

(1-40)

Rk 

Pmax F

, Mpa

(1-41)

- Cường độ chịu kéo:

- Cường độ chịu uốn:

Ru 

M W

, Mpa

(1-42)

Trong đó: + Pmax: Tải trọng nén (kéo) phá hoại mẫu, N; + F: Tiết diện chịu lực của mẫu, mm2; + M: Mômen uốn phá hoại mẫu, N.mm; + W: Mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, mm3.

b) Phương pháp gián tiếp Ngày nay đã có các phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu theo hai nhóm nguyên tắc là nhóm theo nguyên tắc cơ học và nhóm theo nguyên tắc vật lý. - Nhóm thí nghiệm theo nguyên tắc cơ học: Gồm các phương pháp thí nghiệm mang tên dụng cụ đo như phương pháp búa bi, phương pháp búa có thanh chuẩn, phương pháp súng bật nẩy Schimidt, phương pháp súng bắn đạn thử… - Nhóm thí nghiệm theo nguyên tắc vật lý: Gồm các phương pháp cộng hưởng, phương pháp phóng xạ và xung siêu âm. Trong đó phương pháp xung siêu âm được sử dụng rộng rãi nhất. Các phương pháp không phá hoại mẫu rất tiện lợi, song mức độ chính xác còn hạn chế và tùy thuộc vào rất nhiều yếu tố; do đó không thể thay thế hoàn toàn phương pháp phá hoại mẫu.

1.5.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ a) Các yếu tố thuộc về bản thân cấu tạo vật liệu Các loại vật liệu khác nhau có cường độ khác nhau: Vật liệu có cấu trúc kết tinh hoàn toàn có cường độ cao hơn vật liệu có cấu trúc kết tinh không hoàn toàn; vật liệu có cấu trúc kết tinh mịn có cường độ cao hơn vật liệu có cấu trúc kết tinh thô; vật liệu có cấu trúc rỗng có cường độ thấp hơn vật liệu đặc chắc (vì độ rỗng lớn, lực liên kết giữa các chất điểm sẽ yếu hơn, diện tích chịu lực nhỏ hơn, ứng suất tập trung ở gần lỗ rỗng nên khả năng chịu lực giảm); vật liệu có cấu trúc dạng lớp hoặc sợi (thành phần cấu tạo phân bố theo một chiều nhất định) có cường độ theo mỗi phương sẽ khác nhau. b) Các yếu tố thuộc điều kiện thí nghiệm Với cùng một loại vật liệu, nếu mẫu có hình dáng và kích thước khác nhau sẽ cho kết quả thí nghiệm cường độ khác nhau. Thông thường, mẫu có kích thước nhỏ, chiều cao thấp thì sẽ cho kết quả cường độ cao hơn; mẫu hình trụ cho kết quả cường độ nhỏ hơn mẫu lăng trụ. Trong thí nghiệm nén, nếu bề mặt mẫu trơn, lực ma sát sẽ nhỏ, sẽ cho kết quả cường độ thấp hơn mẫu thông thường. Khi tốc độ tăng tải lớn, tốc độ biến hình của vật liệu chậm so với tốc độ tăng tải, nên sẽ cho kết quả kết quả cường độ cao hơn khi thí nghiệm với tốc độ tăng tải thông thường (chậm hơn). Ngoài ra, với một số loại vật liệu nhạy cảm với độ ẩm và nhiệt độ thì ảnh hưởng của hai yếu tố này đến kết quả thí nghiệm cường độ rất lớn.

Để khắc phục các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ, các tiêu chuẩn thí nghiệm thường phải quy định về kích thước mẫu tiêu chuẩn, điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn (điều kiện chế tạo và bảo dưỡng mẫu, phương pháp thử mẫu…). Khi thực hiện thí nghiệm khác với điều kiện tiêu chuẩn thì phải có sự hiệu chỉnh kết quả. Ví dụ: Với thí nghiệm nén của bê tông, do hình dáng và kích thước mẫu có ảnh hưởng nhất định đến kết quả thí nghiệm cường độ, nên đối với cường độ chịu nén tiêu chuẩn quy định phải dùng hệ số điều chỉnh cường độ giữa các loại khuôn mẫu được ghi ở Bảng 1.3. Bảng 1.3. Hệ số điều chỉnh cường độ giữa các loại khuôn mẫu

Hình dáng, kích thƣớc mẫu (cm)

30 x 30 x 30

1,10

20 x 20 x20

1,05

15 x15 x15

1,00

10 x 10 x 10

0,91

d = 20; h = 40

1,24

d = 15; h = 30

1,20

1.5.2.4. Một số hệ số liên quan đến cường độ vật liệu - Hệ số mềm: Hầu hết các loại vật liệu khi bão hòa nước đều có cường độ nhỏ hơn khi khô. Để đánh giá sự ổn định về cường độ của vật liệu khi bão hòa với nước, dùng hệ số mềm (Km), xác định theo công thức (1-43).

Rbh Km  k R

(1-43)

Trong đó: + Rbh: Cường độ của vật liệu ở trạng thái bão hòa nước; + Rk: Cường độ của vật liệu ở trạng thái khô. Hệ số mềm của vật liệu biến động rất lớn (0 ÷ 1) với các loại vật liệu khác nhau: Với vật liệu bằng đất sét không nung, có thể bằng 0; với các vật liệu hoàn toàn đặc như thép, kính, coi như bằng 1.

Với các công trình thường xuyên bị ngập nước hay phải chịu mực nước thay đổi liên tục (công trình thủy), yêu cầu hệ số mềm của vật liệu xây dựng phải lớn hơn 0,75; những vật liệu này được gọi là vật liệu bền nước. - Hệ số an toàn: Trong tính toán thiết kế các kết cấu công trình xây dựng, thường không thể tính hết được các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của công trình. Vì vậy, để đảm bảo an toàn cho các công trình, trong tính toán kết cấu 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 tế. Hệ số an toàn (K) là tỉ số giữa cường độ giới hạn thực tế và cường độ cho phép, được xác định theo công thức (1-44):

K

R [R]

(1-44)

Trong đó: + R: Cường độ giới hạn thực tế của vật liệu; + [R]: Cường độ cho phép sử dụng trong tính toán thiết kế công trình. Việc lựa chọn hệ số an toàn lớn hay nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức độ chính xác của tính toán, mức độ nắm chắc tính chất của vật liệu, mức độ chuẩn xác trong thi công, tuổi thọ công trình, cấp công trình… - Hệ số phẩm chất: Để đánh giá chất lượng vật liệu sử dụng cho các công trình xây dựng có độ cao và khẩu độ lớn, các công trình cần tháo lắp cơ động… người ta thường sử dụng hệ số phẩm chất (Kpc), xác định theo công thức (1-45):

K pc 

0

(1-45)

Trong đó: + R: Cường độ của vật liệu; + γ0: Khối lượng thể tích tiêu chuẩn của vật liệu. Hệ số phẩm chất là một hư số không có thứ nguyên và chỉ mang ý nghĩa tương đối. Nó vô nghĩa khi so sánh các loại vật liệu có bản chất khác nhau.

1.5.3. Độ cứng Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệu khác cứng hơn nó. Nó là một tính chất rất quan trọng đối với vật liệu làm đường, lát nền… đồng thời thể hiện độ khó khi gia công vật liệu. Thang độ cứng Mohr được thể hiện ở Bảng 1.4. Theo thang độ cứng Mohr, độ cứng của một số loại vật liệu được đánh giá thể hiện ở Bảng 1.5. Bảng 1.4. Thang độ cứng Mohr Chỉ số độ cứng

Tên khoáng vật mẫu

Đặc điểm

Tan

Thạch cao

Canxit

Rạch dễ dàng bằng dao thép

Fluotit

Rạch được bằng dao thép khi ấn nhẹ

Apatit

Rạch được bằng dao thép khi ấn mạnh

Octoclaz

Thạch anh

Tôpaz

Corindon

Kim cương

Rạch dễ dàng bằng móng tay Rạch được bằng móng tay

Làm xước kính

Rạch được kính theo mức độ tăng dần

Bảng 1.5. Thang độ cứng Mohr của một số loại vật liệu

Tên các chất Pb

Độ cứng 1,5

Tên các chất Cu

Độ cứng 2 -3

Zn Al Sn Than đá Móng tay

1,5 – 2 2 2 2 – 2,5 2,5

Đá hoa Thủy tinh Đá lửa Lưỡi dao Thép ít C

3-4 4,5 - 6,5 6 6,5 4-5

Độ cứng HB của kim loại có thể được xác định theo phương pháp Brinell bằng cách dùng lực P ấn viên bi thép đường kính D lên vật liệu cần xác định độ cứng. Cụ thể được thể hiện ở Hình 1.5 và công thức (1-46).

Hình 1.5. Sơ đồ thí nghiệm xác định độ cứng theo phương pháp Brinen

HB 

P 2P  , N/mm2 2 F D D  D  d





(1-46)

Trong đó: + F: Diện tích vết lõm hình chỏm cầu, mm2; + D: Đường kính viên bi, mm; + d: Đường kính miệng vết lõm, mm; + P: Lực nén viên bi, N.

1.5.4. Độ mài mòn 1.5.4.1. Khái niệm - Độ mài mòn là mức độ hao hụt khối lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài mòn (thể hiện khả năng của vật liệu chịu tác dụng của lực ma sát). - Trong thực tế các kết cấu công trình mà vật liệu thường phải chịu mài mòn như: mặt đường, mặt cầu, đường ray…

1.5.4.2. Yếu tố ảnh hưởng Độ mài mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có cả các yếu tố về đặc điểm cấu tạo bản thân vật liệu (độ cứng, cường độ…) và yếu tố điều kiện sử dụng, điều kiện môi trường (tính chất và cường độ tải trọng tác dụng, điều kiện thời tiết…).

1.5.4.3. Cách xác định Độ mài mòn được xác định bằng máy thí nghiệm Hình 1.6. Mẫu thí nghiệm hình trụ có đường kính 2,5 cm và cao 5 cm. Mâm quay quay 1.000 vòng, cát thạch anh có khối lượng 2,5 lít, đường kính hạt d = 0,3  0,6 mm.

Hình 1.6. Sơ đồ máy xác định độ mài mòn 1. Phễu rắc cát thạch anh; 2. Khuôn kẹp mẫu thử; 3. Mâm quay Độ mài mòn của vật liệu được tính theo công thức (1-47):

Mm 

G  G1 , g/cm2 F

(1-47)

Trong đó: + G, G1: Khối lượng mẫu trước và sau khi thí nghiệm, g; + F: Diện tích chịu mài mòn, cm2. Độ mài mòn của một số loại vật liệu được ghi ở Bảng 1.6. Bảng 1.6. Độ mài mòn của một số loại vật liệu

Vật liệu Đá hoa cương (granit)

Độ mài mòn, g/cm2 0,1 - 0,5

Đá thạch anh Tấm lát sàn bằng gốm Đá vôi

0,06 - 0,12 0,25 - 0,3 0,3 - 0,8

Độ mài mòn cũng có thể được xác định bằng độ hao hụt chiều dày của mẫu vật liệu chịu mài mòn.

1.5.5. Tính chống va chạm 1.5.5.1. Khái niệm Tính chống va chạm là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hủy do tác dụng của tải trọng va chạm gây ra và được biểu thị bằng công cần thiết để đập vỡ một đơn vị thể tích mẫu vật liệu.

1.5.5.2. Cách xác định Khả năng chống va chạm được xác định bằng búa máy khi đập mẫu vật đến khi xuất hiện vết nứt đầu tiên; sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 1.7:

Hình 1.7. Sơ đồ thí nghiệm độ chống va chạm Để xác định độ chống va chạm, người ta dùng máy búa đặc biệt. Đặt mẫu nằm trên bệ ở giữa 2 trụ. Quả cân treo ở độ cao nhất định, sẽ rơi tự do đập vào mẫu cho đến khi xuất hiện vết nứt. Độ chống va chạm của vật liệu là công cần thiết để đập vỡ 1 đơn vị thể tích vật liệu mẫu thí nghiệm, được thể hiện ở công thức (1-48):

ak 

Ak , N.m/cm3 V0

(1-48)

Trong đó: + ak: Độ chống và chạm, N.m/cm3; + V0: Thể tích mẫu vật liệu, cm3; + Ak: Công va chạm làm vỡ mẫu, xác định theo công thức (1-49):

Ak  g.G.h.n , N.m + g: Gia tốc trọng trường, m/s2; + G: Khối lượng quả búa, kg; + h: Chiều cao rơi tự do của búa, m; + n: Số lần búa rơi tự do.

(1-49)

1.5.6. Độ hao mòn Độ hao mòn là một đại lượng đặc trưng cho tính chất của vật liệu vừa chịu mài mòn vừa chịu va chạm. Độ hao mòn của vật liệu được xác định bằng máy thí nghiệm có sơ đồ được thể hiện ở Hình 1.8.

Hình 1.8. Sơ đồ máy thiết bị thí nghiệm độ hao mòn Devan Bộ phận quan trọng nhất của máy thí nghiệm là thùng máy có kích thước đường kính trong khoảng 700 mm và chiều dài khoảng 500 mm. Thùng quay với vận tốc khoảng 30 ÷ 33 vòng/phút. Tùy thuộc vào loại và kích thước vật liệu mà có thể quay với số vòng quay khác nhau. Ví dụ: Quay 500 vòng đối với đá có kích thước nhỏ hơn 37,5 mm và 1.000 vòng đối với đá có kích thước lớn hơn 37,5 mm. Thường thí nghiệm với 5 kg mẫu vật liệu. Sau khi thí nghiệm, sẽ sàng bỏ các hạt có kích thước nhỏ hơn 2 mm rồi xác định độ hao mòn theo công thức (1-50): Q

G  G1 .100 , (%) G

(1-50)

Trong đó: + G: Khối lượng mẫu trước khi thí nghiệm; + G1: Khối lượng mẫu sau khi thí nghiệm (là khối lượng mẫu sau khi đã loại bỏ các hạt có kích thước nhỏ hơn 2 mm). Theo độ hao mòn, có thể vật liệu đá được phân theo các cấp độ hao mòn như sau: - Đá chống hao mòn rất tốt:

Q < 4%;

- Đá chống hao mòn tốt:

Q = 4 - 6%;

- Đá chống hao mòn trung bình: Q = 6 - 10%; - Đá chống hao mòn yếu:

Q = 10 - 15%;

- Đá chống hao mòn rất yếu:

Q > 15%.

Chương 2 VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN VÀ GỐM XÂY DỰNG 2.1. Khái niệm chung về đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên 2.1.1. Khái niệm đá thiên nhiên và vật liệu đá thiên nhiên Đá thiên nhiên (đá tự nhiên, đá gốc) là những khối tổ hợp vô cơ có hầu hết ở khắp mọi nơi trên bề mặt và trong vỏ trái đất. Đá tự nhiên có thể chứa một hay nhiều khoáng vật khác nhau. Khi đá chỉ có một khoáng vật tạo thành được gọi là đá đơn khoáng; khi đá gồm nhiều khoáng vật tạo thành được gọi là đá đa khoáng. Khoáng vật là cơ sở kiến tạo nên đá thiên nhiên. Nó là những chất hóa học được tạo thành do kết quả của các quá trình lý hóa tự nhiên khác nhau xảy ra trong vỏ trái đất. Khoáng vật là một khối vật thể đồng nhất về thành phần hóa học, tính chất vật lý và kiến trúc tinh thể. Khoáng vật là các hợp chất tự nhiên được hình thành trong các quá trình địa chất. Thuật ngữ "khoáng vật" bao hàm cả thành phần hóa học của vật liệu lẫn cấu trúc khoáng vật. Các khoáng vật có thành phần hóa học thay đổi từ dạng các nguyên tố hóa học tinh khiết và các muối đơn giản tới các dạng phức tạp như các silicat với hàng nghìn dạng đã biết. Có hơn 5.300 loại khoáng vật được biết đến; hơn 5.070 trong số này đã được sự chấp thuận của Hiệp hội Khoáng vật học quốc tế (IMA). Nhóm khoáng vật silicat chiếm hơn 90% vỏ Trái đất. Sự đa dạng và phong phú của các loại khoáng vật được điều khiển bởi thành phần hóa học của Trái đất. Silic và ôxy chiếm khoảng 75% vỏ Trái đất, mà chúng chủ yếu nằm trong các cấu trúc của các khoáng vật silicat. Các loại khoáng vật được phân biệt bởi nhiều tính chất vật lý và hóa học. Sự khác biệt về thành phần và cấu trúc tinh thể sẽ tạo ra các loại khoáng vật khác nhau, và các tính chất này nó lại bị ảnh hưởng bởi môi trường địa chất mà khoáng vật đó được tạo thành. Những thay đổi về nhiệt độ, áp suất, và thành phần của khối đá có thể là nguyên nhân làm thay đổi đặc điểm khoáng vật của nó; tuy nhiên, một loại đá có thể duy trì thành phần của nó, nhưng sự thay đổi về lâu dài về nhiệt độ và áp suất thì tính chất khoáng vật học của nó cũng có thể thay đổi theo. Một khoáng vật là chất rắn kết tinh nguồn gốc tự nhiên với thành phần hóa học xác định, trong khi đá là tổ hợp của một hay nhiều khoáng vật. Trong đá có thể có cả các phần còn lại của các chất hữu cơ cũng như các dạng đá khoáng vật. Một số loại đá chủ yếu bao gồm chỉ một loại khoáng vật. Ví dụ: Đá vôi là một dạng đá trầm tích bao gồm gần như

toàn bộ là khoáng vật canxit. Các loại đá khác có thể bao gồm nhiều khoáng vật và các loại khoáng vật cụ thể trong một loại đá nào đó có thể khác nhau rất nhiều. Một số khoáng vật, như thạch anh, mica hay fenspat là phổ biến, trong khi các khoáng vật khác có khi chỉ tìm thấy ở một vài khu vực nhất định. Phần lớn các loại đá của lớp vỏ Trái đất được tạo ra từ thạch anh, fenspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, epidot, olivin, ogit, hocblen, manhetit, hematit, limonit và một vài khoáng vật khác. Trên một nửa các loại khoáng vật đã biết là hiếm đến mức chúng chỉ có thể tìm thấy ở dạng một nhúm mẫu vật, và nhiều trong số đó chỉ được biết tới từ 1 hay 2 hạt nhỏ. Các loại khoáng vật và đá có giá trị thương mại được gọi chung là các khoáng sản; các loại đá mà từ đó các khoáng vật được khai thác cho mục đích kinh tế được coi là các loại quặng; các loại đá và khoáng vật còn lại sau khi đã tách rời khoáng vật mong muốn riêng ra từ quặng, được gọi là đá thải và quặng đuôi. Thông tin cơ bản về một số loại khoáng vật có trong lớp vỏ trái đất được thể hiện ở các Bảng 2.1. Bảng 2.1. Công thức hóa học và độ cứng của một số khoáng vật Độ cứng thang Mohs

Khoáng vật

Độ cứng tuyệt đối

Tan (Mg3Si4O10(OH)2)

Thạch cao (CaSO4.2H2O)

Đá canxit (CaCO3)

Đá fluorite (CaF2)

Apatit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))

Octoclas felspat (KAlSi3O8)

Thạch anh (SiO2)

100

Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2)

200

Corundum (Al2O3)

400

Kim cương (C)

1500

Vật liệu đá thiên nhiên là loại vật liệu xây dựng được sản xuất, chế tạo trực tiếp từ đá thiên nhiên, có thể chỉ dùng hoặc không dùng các biện pháp gia công cơ học như nổ mìn, đục, cưa, đập... Do đó, các tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên giống tính chất của đá gốc. Vì vậy, để biết được tính chất của vật liệu đá thiên nhiên ta phải nghiên cứu tính chất của đá gốc.

2.1.2. Ưu và nhược điểm Vật liệu đá thiên nhiên từ xa xưa đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng với rất nhiều ứng dụng như: Cốt liệu cho bê tông và vữa; cấp phối rải đường ô tô và đường sắt; đá xây cầu, đê đập, nhà...; vật liệu đá trang trí; đá dùng sản xuất chất kết dính... Vật liệu đá thiên nhiên được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực vì nó có cường độ chịu nén cao, khả năng trang trí tốt, bền vững trong môi trường, hơn nữa nó là vật liệu địa phương, hầu như ở đâu cũng có do đó giá thành tương đối thấp. Bên cạnh những ưu điểm cơ bản trên, vật liệu đá thiên nhiên cũng có một số nhược điểm như: Khối lượng thể tích lớn, việc vận chuyển và thi công khó khăn, ít nguyên khối và độ cứng cao nên quá trình gia công phức tạp.

2.2. Phân loại và đặc tính cơ bản của đá thiên nhiên Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại đá thiên nhiên, song phương pháp hay dùng nhất là dựa vào điều kiện hình thành và nguồn gốc của chúng, vì các yếu tố đó quyết định thành phần khoáng vật, cấu trúc tinh thể, kết cấu cũng như cường độ, tính bền vững và khả năng trang trí của đá. Tính chất cơ lý chủ yếu cũng như phạm vi ứng dụng của vật liệu đá thiên nhiên được quyết định bởi điều kiện hình thành và thành phần khoáng vật của đá thiên nhiên. Căn cứ vào điều kiện hình thành và tình trạng địa chất có thể chia đá tự nhiên làm ba nhóm: đá macma, đá trầm tích và đá biến chất.

2.2.1. Đá macma 2.2.1.1. Đặc điểm hình thành và phân loại

Hình 2.1. Sự hình thành các loại Đá magma

Đá magma (macma) được tạo thành do khối silicat nóng chảy (khối macma) từ trong lòng trái đất xâm nhập lên lớp vỏ trái đất hoặc phun trào lên mặt đất rồi nguội lạnh đi tạo thành; được thể hiện ở Hình 2.1. Dựa vào đặc điểm hình thành đá macma, có thể chia đá macma thành 2 loại: đá magma thâm nhập (còn được gọi là đá magma dưới sâu) và đá magma phún xuất (còn được gọi là đá magma phun trào). Đá magma thâm nhập là loại đá nằm sâu trong lớp vỏ trái đất, do các khối magma nóng chảy từ trong lòng đất thâm nhập lên lớp vỏ trái đất rồi nguội lạnh lại tạo thành. Do nằm sâu trong đất nên đá magma thâm nhập chịu áp suất lớn, tốc độ nguội lạnh chậm, điều kiện kết tinh thuận lợi nên có cấu trúc tinh thể lớn, độ đặc chắc và khả năng chịu lực lớn, ít hút nước. Đá magma phún xuất là khối magma nóng chảy phun trào lên mặt đất (thường do hiện tượng núi lửa) rồi nguội lạnh lại tạo thành. Do nằm trên mặt đất nên có tốc độ nguội lạnh nhanh, chịu áp suất thấp, điều kiện kết tinh không thuận lợi nên chỉ một bộ phận khoáng vật kết tinh với kích thước tinh thể nhỏ và không hoàn chỉnh, phần lớn còn lại ở dạng vô định hình, nước và không khí không kịp thoát ra ngoài, để lại nhiều lỗ rỗng nên đá magma phún xuất có cường độ thấp và độ rỗng lớn. Ngoài ra, căn cứ vào hàm lượng oxit silic (SiO2) có trong đá nhiều hay ít, có thể chia đá macma thành 4 loại: - Đá macma axit: Là loại có hàm lượng SiO2 > 65%; - Đá macma trung tính: Là loại có hàm lượng SiO2 = 55 ÷ 65%; - Đá macma bazơ: Là loại có hàm lượng SiO2 = 45 ÷ 55%; - Đá macma siêu bazơ: Là loại có hàm lượng SiO2 < 45%.

2.2.1.2. Một số loai đá macma thường dùng 1. Đá granit Đá granit (đá hoa cương) là một loại đá macma xâm nhập phổ biến có thành phần axít. Đây là loại đá axit, thành phần khoáng vật gồm có cá loại khoáng vật chính: Thạch anh (20 ÷ 40%); Fenspat (40 ÷ 70%); Mica (5 ÷ 20%) và các khoáng vật màu sẫm. Đá hoa cương có kiến trúc hạt trung tới thô, khi có các tinh thể lớn hơn nằm nổi bật trong đá thì gọi là kiến trúc porphia hay nổi ban. Đá hoa cương có màu hồng đến xám tối hoặc thậm chí màu đen, tùy thuộc vào thành phần hóa học và khoáng vật cấu tạo nên đá.

Hình 2.2. Granit tự nhiên và sản phẩm Đá hoa cương có khối lượng thể tích  = 2,6 ÷ 2,7 g/cm3; cường độ chịu nén lớn: Rn = 120 ÷ 150 MPa; có khả năng chống chịu gia công cơ học rất tốt. Các khối đá hoa cương lộ ra trên mặt đất ở dạng khối và có xu hướng tròn cạnh khi bị phong hóa. Đá hoa cương đôi khi xuất hiện ở dạng trũng tròn được bao bọc bởi các dãy đồi được hình thành từ quá trình biến chất tiếp xúc nhiệt hay sừng hóa. Đá hoa cương hầu hết có cấu tạo khối, cứng và xù xì, và được sử dụng rộng rãi làm đá xây dựng; khối lượng riêng khoảng 2,75 g/cm3, cường độ chịu nén thường biến động trong khoảng 1.000 ÷ 2.500 daN/cm3 (nhưng cũng có loại cường độ cao hơn), độ hút nước nhỏ (dưới 1%), khả năng chống phong hóa cao, chịu lửa kém, một số loại có màu sắc đẹp. Granit được biết như là loại đá cấu tạo nên phần lớn vỏ lục địa của Trái đất; đây là loại đá xâm nhập được hình thành từ macma. Macma granit có thể có nhiều nguồn gốc khác nhau và nó thường là các đá xuyên cắt qua các đá khác. Hầu hết các dạng xâm nhập của granit diễn ra trong lớp vỏ Trái Đất ở độ sâu thường lớn hơn 1,5 kilomet cho đến 50 km trong vỏ lục địa mỏng. Đá granit được sử dụng chủ yếu để ốp trang trí mặt ngoài công trình; đồng thời cũng dùng vào các mục đích: sản xuất đá hộc xây, đá dăm - cấp phối đá dăm làm đường, làm cốt liệu bê tông... 2. Đá Gabro Đá Gabro là loại đá bazơ, thành phần gồm có plagiocla bazơ (khoảng 50%) và các khoáng vật màu sẫm như piroxen, amfibon và olivin. Cấu trúc của đá gabro tương tự như đá granit, nhưng chủ yếu là loại hạt lớn.

Hình 2.3. Các dạng đá Grabo Đá Gabro thường có màu sẫm đen, khối lượng thể tích khoảng 2,8 ÷ 3,3 g/cm3, cường độ chịu nén giới hạn khoảng 2.000 ÷ 3.500 daN/cm3. Đá Gabro thường được dùng để sản xuất đá dăm, đá tấm để làm mặt đường và ốp lát. 3. Đá bazan Đá bazan là loại đá bazơ, có cấu trúc ẩn tinh hoặc poocfia. Đá bazan có khối lượng thể tích  = 2,9 ÷ 3,5 g/cm3; đá rất cứng và giòn, chống phong hóa tốt và khó gia công, cường độ chịu nén Rn = 100 ÷ 500 MPa, biến động tùy theo vết nứt và lỗ rỗng. Đá bazan là loại đá được sử dụng rất phổ biến và thường dùng để sản xuất vật liệu làm đường, làm cốt liệu bê tông.

Hình 2.4. Các dạng đá Bazan 4. Các sản phẩm núi lửa ở dạng rời rạc hoặc dạng keo kết Ngoài những đá magma phún xuất đặc chắc trên, trong thực tế còn có các loại đá magma phún xuất rời rạc (tro núi lửa, cát núi lửa, sỏi đá bột...) và đá ở dạng keo kết (túp núi lửa, túp dung nham...).

Tùy theo kích thước hạt, có thể gọi: Tro núi lửa, cát núi lửa hay sỏi đá bột; là loại do dung nham núi lửa phun lên rồi nguội lạnh nhanh tạo thành; tồn tại chủ yếu ở dạng bột hạt. Khi thành phần gồm chủ yếu các hạt lớn (tới 5 mm) gọi là cát núi lửa; các hạt kích thước 5 ÷ 30 mm gọi là sỏi đá bọt. Đây là loại đá rất rỗng (độ rỗng r tới 80%); khối lượng thể tích trung bình  = 0,5 g/cm3; cường độ chịu nén Rn = 2 ÷ 3 MPa; độ hút nước và hệ số truyền nhiệt nhỏ. Cát và sỏi dùng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ; tro núi lửa dùng làm vật liệu cách nhiệt và bột mài.

Hình 2.5. Cát núi lửa Túp núi lửa là loại đá rỗng do tro núi lửa tự lèn chặt lại tạo thành. Tup núi lửa cùng với sỏi đá bọt được nghiền nhỏ với tro núi lửa làm chất phụ gia hoạt tính đóng rắn trong nước cho các chất kết dính vô cơ như vôi, xi măng. Túp dung nham là loại đá rất rỗng do tro và tup núi lửa lẫn trong dung nham nóng chảy rồi nguội lạnh lại tạo thành; khối lượng thể tích  = 0,75 ÷ 1,40 g/cm3; cường độ chịu nén Rn = 6 ÷ 10 Mpa. Túp dung nham được xẻ làm vật liệu xây tường hoặc nghiền làm cốt liệu cho bê tông nhẹ.

2.2.2. Đá trầm tích 2.2.2.1. Đặc điểm hình thành và phân loại Đá trầm tích là một trong ba nhóm đá chính (cùng với đá macma và đá biến chất) cấu tạo nên vỏ Trái đất và chiếm 75% bề mặt Trái đất. Khi điều kiện nhiệt động của vỏ trái đất thay đổi như các yếu tố nhiệt độ nước và các tác dụng hóa học làm cho các loại đất đá khác nhau bị phong hóa, vỡ vụn. Sau đó, chúng được gió và nước cuốn đi rồi lắng đọng lại thành từng lớp. Dưới áp lực và trải qua các thời kỳ địa chất, chúng được gắn kết lại bằng các chất keo thiên nhiên tạo thành đá trầm tích. Căn cứ vào điều kiện tạo thành, đá trầm tích được chia làm ba loại: đá trầm tích cơ học, đá trầm tích hóa học và đá trầm tích hữu cơ.

Đá trầm tích cơ học được hình thành từ sản phẩm phong hóa của nhiều loại đá, thành phần khoáng vật rất phức tạp. Đó là các sản phẩm vụn nát sinh ra trong quá trình phong hóa đá có trước, tích tụ hoặc lắng đọng trong nước tạo nên. Có loại hạt rời phân tán như cát sỏi, đất sét; có loại các hạt rời bị gắn với nhau bằng chất gắn kết thiên nhiên như sa thạch, cuội kết. Các loại đá hạt thô dựa trên độ mài tròn được chia thành loại tròn cạnh (cuội, sỏi kết) và loại sắc cạnh (dăm kết); các loại đá có độ hạt vừa là cát (nếu rời rạc) hay cát kết (nếu gắn kết); loại đá hạt mịn được gọi là bột hay bột kết; loại nhỏ nhất là các loại đá sét. Đá trầm tích hóa học là loại đá được tạo thành do các chất hòa tan trong nước lắng đọng xuống rồi kết lại. Đặc điểm là hạt rất nhỏ, thành phần khoáng vật tương đối đơn giản và đều hơn đá trầm tích cơ học. Các loại đá trầm tích hóa học phổ biến nhất là đôlômit, manhezit, túp đá vôi, thạch cao, andydrit và muối mỏ. Đá trầm tích hữu cơ là loại đá được tạo thành do sự tích tụ xác vô cơ của các loại động vật và thực vật sống trong nước biển, nước ngọt. Đó là những loại đá cacbonat và silic khác nhau như đá vôi, đá vôi vỏ sò, đá phấn, đá điatômit và trepen.

2.2.2.2. Một số loại đá trầm tích thường dùng 1. Cát Cát là hỗn hợp rời rạc được hình thành từ qua trình phong hóa các loại đá khác nhau. Hạt cát có độ lớn từ 0,14 ÷ 5 mm. Tùy theo điều kiện tạo thành mà có các loại cơ bản: cát núi, cát sông và cát biển. Cát là thành phần vật liệu quan trọng để sản xuất bê tông, vữa và một số loại gạch silicat. 2. Sỏi Sỏi cũng là hỗn hợp rời rạc được hình thành từ các loại đá khác nhau, nhưng có kích thước lớn hơn cát và ở dạng hạt tròn, nhẵn. Kích thước cơ bản của sỏi được quy định là 5 ÷ 70 mm. 3. Đá vôi Đá vôi là loại một loại đá trầm tích, về thành phần hóa học chủ yếu là khoáng vật canxit (cacbonat canxi - CaCO3) và một số tạp chất như sét, thạch anh, oxit sắt... Đá vôi ít khi ở dạng tinh khiết, mà thường bị lẫn các tạp chất như đá phiến silic, silica và đá macma cũng như đất sét, bùn, cát, bitum... nên nó có màu sắc từ trắng đến màu tro, xanh nhạt, vàng và cả màu hồng sẫm, màu đen. Đá vôi có độ cứng 3, khối lượng riêng khoảng 2,6 ÷ 2,8 g/cm3, cường độ chịu nén khoảng 1.700 ÷ 2.600 daN/cm2, độ hút nước theo khối lượng khoảng 0,2 ÷ 0,5%. Căn cứ vào hàm lượng sét, có thể chia đá vôi thành các loại thể hiện ở Bảng 2.2.

Đá vôi không rắn bằng đá granit, nhưng phổ biến hơn, khai thác và gia công dễ dàng hơn, nên được dùng rộng rãi hơn. Đá vôi thường được dùng làm cốt liệu cho bê tông, dùng rải mặt đường ô tô, đường xe lửa, và dùng trong các công trình thuỷ lợi nói chung, cũng như để chế tạo tấm ốp, tấm lát và các cấu kiện kiến trúc khác. Đá vôi là nguyên liệu để sản xuất vôi và xi măng Bảng 2.2. Phân loại đá vôi theo hàm lượng sét

Loại đá vôi

Tỷ lệ CaCO3 (%)

Tỷ lệ sét (%)

Đá vôi tinh khiết

98  100

20

Đá vôi ít sét

90  98

10  2

Đá vôi nhiều sét

75  90

25  10

Đất sét vôi

40  75

60  25

Đất sét nhiều vôi

10  40

90  60

Đất sét ít vôi

2  10

98  90

Đất sét

02

100  98

4. Thạch cao Thạch cao là khoáng vật trầm tích hay phong hóa rất mềm, với thành phần là muối canxi sulfat ngậm 2 phân tử nước (CaSO4.2H2O). Tinh thể hạt, bột... khối lượng riêng 2,31 ÷ 2,33 g/cm³. Khoáng thạch cao (gypsum, CaSO4.2H2O) đem nung ở khoảng 150°C sẽ nhận được "thạch cao khan" theo phương trình sau: CaSO4·2H2O → CaSO4·0,5H2O (thạch cao khan) + 1,5H2O (dạng hơi) Thạch cao khan đem nghiền thành bột, và nếu trộn bột này với nước thì sẽ tạo thành vữa thạch cao. Đem vữa thạch cao ở trạng thái tươi đi đổ khuôn sau đó đợi ninh kết (sản phẩm thủy hóa lại là CaSO4.2H2O và một phần chưa thủy hóa vẫn là CaSO4.0,5H2O) thì nhận được vật liệu màu trắng có cường độ và độ ổn định nhất định (tên của dạng vật liệu cuối cùng nhận được này thường được gọi một cách đơn giản là "thạch cao" hay khuôn thạch cao). Bột thạch cao khan được dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng, gạch men, giấy, kỹ thuật đúc tượng, bó bột. Nếu nung ở nhiệt độ cao hơn, phản ứng xảy ra sẽ là: CaSO4·2H2O → CaSO4 + 2H2O Tuy nhiên, CaSO4 không có giá trị sử dụng như CaSO4·0,5H2O.

5. Sa thạch Sa thạch (cát kết hay đá cát) là loại đá trầm tích vụn cơ học với thành phần gồm các hạt cát chủ yếu là fenspat và thạch anh được gắn kết bởi các chất kết dính hay còn gọi là xi măng gắn kết được tạo ra từ tự nhiên. Kích thước các hạt cấu tạo nên sa thạch nằm trong khoảng 0,1 mm tới 2 mm. Cát kết được hình thành qua hai giai đoạn. Đầu tiên là quá trình lắng đọng các hạt cát thành các lớp trầm tích. Các trầm tích cát này có thể được lắng đọng trong các môi trường như sông, hồ, biển hay không khí. Sau khi lắng đọng, các hạt cát bị nén ép bởi các lớp đất nằm bên trên và được liên kết với nhau bởi các vật liệu khác (xi măng) lắng đọng cùng lúc với chúng. Các loại xi măng phổ biến nhất là silica và cacbonat canxi vì chúng được tạo ra từ sự hòa tan hoặc thay thế của cát khi chúng bị chôn vùi. Cát kết thường nằm ở trong vỏ trái đất khoảng giữa lớp đá bùn và đá vôi. Tùy theo từng loại xi măng mà cát kết có màu sáng, xám, lục đỏ. Cát kết là loại đá nằm giữa đá vôi và đá bùn. Do cát kết thông thường tạo ra các vách đá dễ nhận thấy và các hình khối tự nhiên bằng đá khác nên màu sắc của đá cát có thể coi giống hệt như là màu sắc của khu vực đó. Vì các phân tử của cát kết có sắc tố phụ bị biến dạng theo màu sắc của khu vực. Ví dụ: Phần lớn khu vực miền tây Bắc Mỹ được biết đến là có màu đỏ do đá cát màu đỏ ở đây. Cát kết thông thường tương đối mềm và dễ gia công, vì thế chúng là loại vật liệu xây dựng và vật liệu lát đường phổ biến. Do độ cứng của các hạt riêng rẽ và tính đồng nhất của kích thước hạt, cũng như bản chất dễ vụn của đá cát nên nó là khoáng chất được ưa chuộng để sản xuất đá mài (làm sắc lưỡi dao và các dụng cụ khác). Các hình khối tự nhiên bằng đá mà chủ yếu chứa cát kết thông thường cho nước thấm qua và là đủ xốp để lưu trữ một lượng lớn nước, điều này làm cho chúng trở thành lớp ngậm nước quan trọng. Các lớp ngậm nước hạt mịn, chẳng hạn như đá cát, là thích hợp để lọc bỏ các chất gây ô nhiễm từ bề mặt hơn nhiều so với các loại đá có các vết nứt và các kẽ hở như đá vôi hay các loại đá khác bị nứt nẻ do các hoạt động địa chấn.

2.2.3. Đá biến chất 2.2.3.1. Đặc điểm hình thành và phân loại Đá biến chất được hình thành từ sự biến tính của đá macma, đá trầm tích, thậm chí cả từ đá biến chất có trước, do sự tác động của nhiệt độ, áp suất cao (nhiệt độ lớn hơn 150 đến 200°C và áp suất khoảng trên 1.500 bar) và các chất có hoạt tính hóa học (thường là nước và axit cacbonic), gọi là quá trình biến chất. Dưới sự tác động của các tác nhân biến chất, các thành phần của đá có thể tái kết tinh ở trạng thái rắn và sắp xếp lại. Tác dụng biến chất không những có thể cải biến cấu trúc của đá mà còn làm thay đổi thành phần khoáng vật của nó.

Trong quá trình biến chất do tác động của áp lực và sự tập hợp nhiều loại kết tinh nên đá biến chất thường rắn chắc hơn đá trầm tích; nhưng đá biến chất từ đá macma thì do cấu tạo dạng phiến mà tính chất cơ học của nó kém đá macma. Các đá biến chất chiếm phần lớn trong lớp vỏ của Trái đất và được phân loại dựa trên cấu tạo, thành phần hóa học và khoáng vật (còn gọi là tướng biến chất). Chúng có thể được tạo ra dưới sâu trong lòng đất bởi nhiệt độ và áp suất cao hoặc được tạo ra từ các quá trình kiến tạo mảng như va chạm giữa các lục địa, và cũng được tạo ra khi khối macma có nhiệt độ cao xâm nhập lên lớp vỏ của Trái đất làm các đá có trước bị biến đổi để hình thành loại đá mới. Căn cứ vào điều kiện hình thành, có thể chia đá biến chất thành hai loại: đá biến chất khu vực và đá biến chất tiếp xúc: - Đá biến chất khu vực được tạo thành từ các loại đá bị biến đổi tính chất dưới tác dụng của áp suất lớn; - Đá biến chất tiếp xúc được tạo thành từ các loại đá bị biến đổi tính chất dưới tác dụng của nhiệt độ cao.

2.2.3.2. Một số loại đá biến chất thường dùng 1. Đá hoa Đá hoa (Hình 2.6) là loại đá biến chất tiếp xúc hoặc biến chất khu vực, do tái kết tinh từ đá vôi và đá đôlômit dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao. Đá hoa bao gồm những tinh thể lớn hay nhỏ của canxit, thỉnh thoảng có xen các hạt đôlômit liên kết với nhau rất chặt. Đá hoa có nhiều màu sắc như trắng, vàng, hồng, đỏ, đen... xen lẫn những mảnh nhỏ và vân hoa. Cường độ chịu nén thường khoảng 120 MPa, nhưng cũng có loại lên đến 300 MPa. Đá hoa là loại đá dễ gia công cơ học, dễ mài nhẵn và đánh bóng; vì vậy thường được dùng làm đá tấm ốp trang trí mặt chính, làm bậc cầu thang, lát sàn nhà, làm cốt liệu cho bê tông, granito.

Hình 2.6. Đá hoa trong tự nhiên

2. Đá gơnai Đá gơnai (Hình 2.7) hay đá phiến ma là loại đá được hình thành do đá granit (đá hoa cương) tái kết tinh và biến chất dưới tác dụng của áp lực cao. Đây là loại đá biến chất khu vực, tinh thể hạt thô, cấu tạo dạng lớp hay phân phiến - trong đó những khoáng vật như thạch anh màu nhạt, fenspat và các khoáng vật màu sẫm, mica xếp lớp xen kẽ nhau trông rất đẹp. Do cấu tạo dạng lớp nên cường độ theo các phương khác cũng khác nhau, dễ bị phong hóa và tách lớp. Trong xây dựng, đá gơnai dùng chủ yếu để làm tấm ốp lòng bờ kênh, lát vỉa hè.

Hình 2.7. Đá Gnai trong tự nhiên 3. Đá quăczit Đá quăczit (Hình 2.8) là là loại đá được hình thành từ sa thạch hoặc cát kết thạch anh tái kết tinh tạo thành. Đá màu trắng đỏ hay tím, chịu phong hóa tốt, cường độ chịu nén khá cao (4.000 daN/cm²), độ cứng lớn, chịu phong hóa tốt, khó gia công cơ học. Quartzit được sử dụng để xây trụ cầu, chế tạo tấm ốp, làm cốt liệu bê tông, đá hộc và đá dăm các loại cho cầu đường, làm nguyên liệu sản xuất vật liệu chịu lửa.

Hình 2.8. Đá Quăczit

4. Diệt thạch sét Diệp thạch sét (còn gọi: Đá bản) là loại đá có cấu tạo dạng phiến, tạo thành từ sự biến chất của đá trầm tích kiểu đá phiến sét dưới áp lực cao. Đá màu xám sẫm, cấu trúc dạng phiến, ổn định đối với trong không khí, không bị nước phá hoại và dễ tách thành lớp mỏng dày 4 ÷ 10 mm. Diệp thạch sét có thể được sử dụng làm vật liệu lợp rất đẹp.

2.3. Phân loại và các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên 2.3.1. Phân loại vật liệu đá thiên nhiên 2.3.1.1. Phân loại theo hình dạng kích thước Căn cứ vào hình dạng kích thước của vật liệu đá thiên nhiên có thể chia thành ba loại cơ bản: vật liệu đá dạng khối, vật liệu đá dạng tấm và vật liệu đá dạng tấm. - Vật liệu đá dạng khối: Bao gồm các loại đá hộc và đá dạng khối. Đá hộc là loại đá được sử dụng nhiều trong xây dựng dân dụng, cầu đường, thủy lợi… Có thể tổng hợp một số đặc điểm của đá hộc như sau: chưa qua gia công đẽo gọt; không có dạng hình học xác định; kích thước: 150 - 450 mm; khối lượng: G = 10 - 40 kg. Đá khối là loại đá đã qua đẽo gọt để trở thành các khối vuông vắn nhất định, vì vậy đá khối có giá trị sử dụng cao hơn. Có thể tổng hợp một số đặc điểm cơ bản của đá khối như sau: Đã qua gia công đẽo gọt; thường có dạng khối hộp chữ nhật; nhiều loại kích thước (thường: 150 - 300 mm); chia làm 2 loại là đá đẽo thô và đá đẽo kỹ (tùy theo mức độ gia công và hình dáng bên ngoài). - Vật liệu đá dạng tấm: Bao gồm các loại tấm ốp lát, tấm lợp và các loại có công dụng đặc biệt. Tấm ốp lát, trang trí và bảo vệ: Được xẻ từ đá có màu sắc đẹp; được đánh bóng bề mặt; được cắt theo nhiều kích thước. Tấm lợp mái: Là loại vật liệu bền đẹp, được tạo ra từ diệp thạch sét; kích thước thường dùng khoảng 150 - 600 mm. Tấm ốp công dụng đặc biệt: Bao gồm các loại có khả năng chịu các tác dụng hóa học như chịu axit, chịu kiềm… - Vật liệu đá dạng hạt rời rạc: Bao gồm các loại cát, sỏi thiên nhiên; cát, sỏi nhân tạo (đá dăm, đá mạt) và bột đá. Cát và sỏi thiên nhiên: Bao gồm các loại vật liệu tự nhiên dạng hạt có kích thước từ 0,14 ÷ 70 mm; thường được dùng chế tạo vữa, bê tông và nhiều công dụng khác. Dựa theo kích thước, được chia thành hai loại cơ bản là cát và sỏi: Cát là loại có kích thước đường kính d = 0,14 ÷ 5 mm; Sỏi là loại có đường kính d = 5 ÷70 mm.

Cát nhân tạo và đá dăm: Là loại vật liệu được xay, nghiền đá tự nhiên; được phân loại bằng phương pháp sàng. Dựa theo kích thước, được chia thành hai loại cơ bản: Cát nhân tạo là loại có d = 0,14 ÷ 5 mm và Đá dăm là loại có d = 5 ÷ 70 mm. Bột đá: Là loại có kích thước nhỏ hơn cát (d < 0,14 mm), thường được nghiền ra từ đá vôi. Bột đá là thành phần vật liệu quan trọng của bê tông nhựa.

2.3.1.2. Phân loại theo khối lượng thể tích Theo khối lượng thể tích (γ) có thể chia vật liệu đá thiên nhiên thành hai loại cơ bản: vật liệu đá nặng và vật liệu đá nhẹ. - Đá nặng: Là loại vật liệu đá tự nhiên có khối lượng thể tích không nhỏ hơn 1,8 g/cm3 (γ≥ 1,8 T/m3). - Đá nhẹ: Là loại vật liệu đá tự nhiên có khối lượng thể tích nhỏ hơn 1,8 g/cm3.

2.3.1.3. Phân loại theo cường độ Theo cường độ (cường độ chịu nén), vật liệu đá thiên nhiên được chia thành các loại đá có mác khác nhau. - Đá nặng thường được phân thành các loại mác từ 100 ÷ 1.000 (daN/cm2). - Đá nhẹ thường được phân thành các loại mác từ 5 ÷ 150 (daN/cm2).

2.3.1.4. Phân loại theo hệ số mềm Theo hệ số mềm (Km - xem mục 2.3.2.3), vật liệu đá thiên nhiên được chia thành 4 loại: - Đá chỉ dùng nơi khô ráo: Là loại đá yếu, kém ổn định nước với Km < 0,6; - Đá chỉ dùng nơi ít ẩm: Là loại đá có hệ số ổn định nước Km = 0,6 ÷ 0,75; - Đá dùng được nơi ẩm ướt: Là loại đá tương đối ổn định nước, với hệ số ổn định nước Km = 0,75 ÷ 0,9; - Đá dùng được dưới nước: Là loại đá đặc chắc, rất ổn định nước, với hệ số ổn định nước Km > 0,9.

2.3.1.5. Phân loại theo mục đích xây dựng Theo mục đích xây dựng, mục đích sử dụng có thể phân vật liệu đá thiên nhiên thành các loại cơ bản: Vật liệu đá xây; vật liệu đá ốp lát, trang trí; vật liệu đá làm cốt liệu bê tông; vật liệu đá làm nguyên liệu sản xuất chất kết dính…

2.3.1.6. Phân loại theo quá trình sản xuất tạo ra vật liệu đá Theo quá trình công nghệ sản xuất tạo ra vật liệu đá, có thể phân vật liệu đá thiên nhiên thành hai loại cơ bản: Vật liệu đá có qua gia công cơ học và Vật liệu đá không qua gia công cơ học.

2.3.2. Các chỉ tiêu tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên Tùy thuộc vào loại vật liệu đá thiên nhiên, khi sử dụng trong trong xây dựng thường quan tâm các thông số cơ bản như sau:

2.3.2.1. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích Khối lượng riêng của đá gốc: Đá gốc là loại đá thiên nhiên dùng để chế tạo ra các loại vật liệu đá thiên nhiên. Khối lượng riêng (γa) của mỗi loại đá là cố định và nó phụ thuộc vào cấu tạo khoáng vật của chúng; thường biến động trong khoảng 2 đến 3 g/cm3. Khối lượng thể tích: Các loại đá khác nhau có khối lượng thể tích (γ) khác nhau tùy thuộc vào cấu tạo kiến trúc; với mỗi loại đá, lại tùy thuộc vào điều kiện môi trường (độ ẩm) mà khối lượng thể tích cũng khác nhau. Nếu đá hoàn toàn đặc thì khối lượng thể tích bằng khối lượng riêng. Khối lượng thể tích xốp (khối lượng thể tích đổ đống): Là chỉ tiêu được dùng với các loại vật liệu đá tự nhiên ở dạng hạt rời rạc, như đá dăm, cát…

2.3.2.2. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén (Rn) của mỗi loại đá là khác nhau và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của chúng. Đây là chỉ tiêu rất quan trọng đối với vật liệu đá tự nhiên; dựa vào cường độ chịu nén có thể chia đá thành 3 loại: - Đá có độ bền nén kém: Là loại đá có Rn < 150 daN/cm2; - Đá có độ bền nén trung bình: Là loại đá có Rn = 150 ÷ 400 daN/cm2; - Đá có độ bền nén tốt: Là loại đá có Rn ≥ 500 kG/cm2.

2.3.2.3. Hệ số mềm Hệ số mềm (Km) đánh giá độ ổn định cường độ khi đá tiếp xúc với nước; hệ số mềm càng lớn (càng gần tới 1) thì đá càng ổn định nước:

Km  60

Rbh R

Trong đó: + Rbh: Cường độ của đá ở trạng thái bão hòa nước; + R: Cường độ của đá ở trạng thái khô. Dựa vào hệ số mềm để lựa chọn loại vật liệu đá tự nhiên phù hợp với điều kiện môi trường làm việc của công trình.

2.3.2.4. Hình dạng hạt, kích thước hạt và thành phần hạt Đây là các chỉ tiêu dùng với các loại vật liệu đá tự nhiên ở dạng hạt rời rạc; như cuội, sỏi, đá dăm, cát… Hình dạng hạt là chỉ tiêu đánh giá hình dạng bề mặt của hạt vật liệu: khi hạt có dạng hình khối, góc cạnh, bề mặt nhám ráp thì khả năng liên kết với các hạt vật liệu khác trong hỗn hợp tốt hơn; ngược lại, khi bề mặt tròn nhẵn thì mối liên kết sẽ yếu hơn. Kích thước hạt là chỉ tiêu đánh giá độ lớn của các hạt vật liệu đá thiên nhiên có trong hỗn hợp; còn thành phần hạt (hay cấp phối hạt) là chỉ tiêu thể hiện hàm lượng các loại hạt có kích thước khác nhau ở trong hỗn hợp. Kích thước và thành phần hạt có ảnh hưởng rất lớn đến tính năng của hỗn hợp vật liệu: Khi kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng phân tán trong môi trường các lớn, các hạt càng dễ chịu ảnh hưởng của các yếu tố điều kiện môi trường; khi thành phần hạt hợp lý thì hỗn hợp sẽ dễ ràng tạo nên kết cấu chặt khít khi có sự rung động hay va chạm tác dụng. Kích thước và thành phần hạt được các tiêu chuẩn quy định rất cụ thể khi dùng vật liệu đá thiên nhiên dạng hạt trong xây dựng công trình.

2.3.2.5. Một số chỉ tiêu khác Tùy thuộc vào loại vật liệu đá tự nhiên mà khi sử dụng còn quan tâm đến một số chỉ tiêu tính năng quan trọng như: độ ẩm, độ hút ẩm (độ hút nước), độ hao mòn va đập (độ hao mòn LA - Los Angeles), hàm lượng tạp chất, hàm lượng hạt yếu… Để đánh giá, xác định các chỉ tiêu tính năng của mỗi loại vật liệu đá thiên nhiên đều có các tiêu chuẩn thí nghiệm hiện hành.

2.4. Bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên Trong quá trình sử dụng, các vật liệu đá thiên nhiên thường bị phong hóa dưới tác động của các yếu tố thiên nhiên và bị phá hủy dần, dẫn tới làm hư hại và phá hủy công trình xây dựng. Các hình thức và tác nhân gây phong hóa phá hủy vật liệu đá thiên nhiên chủ yếu là: - Sự xâm nhập của nước vào các vết nứt và lỗ rỗng trong đá, đặc biệt là nước chứa CO2 hay chứa các hóa chất hòa tan, gây ăn mòn các thành phần của đá; - Sự thay đổi nhiệt độ mạnh gây ra các vết nứt trên bề mặt của các cấu kiện làm bằng đá thiên nhiên, khởi đầu cho sự phá hoại;

- Các thực vật sống bám trên đá làm cho bề mặt đá bị ẩm ướt, hoặc chúng tiết ra các hóa chất gây nên sự phá hoại đá. Trong các yếu tố trên thì nước, đặc biệt là nước chứa CO2, là yếu tố nguy hại nhất. Vì vậy, để bảo vệ đá thiên nhiên thì việc quan trọng trước hết là cần chống lại sự xâm nhập của nước vào các vết nứt và lỗ rỗng trong đá bằng các biện pháp khác nhau như các biện pháp kết cấu và các biện pháp hóa học.

2.4.1. Các biện pháp kết cấu Mục tiêu của các biện pháp kết cấu là nhằm làm cho nước thoát nhanh và triệt để, tránh sự tích tụ nước hay hơi ẩm trên bề mặt đá. Biện pháp thực hiện: Các cấu kiện từ đá thiên nhiên cần được bố trí với độ nghiêng thích hợp để nước thoát nhanh, đồng thời tạo sự bằng phẳng và đánh bóng bề mặt để tránh tích tụ nước và hơi ẩm.

2.4.2. Các biện pháp hóa học Mục tiêu của các biện pháp hóa học là nhằm ngăn cản không cho nước thâm nhập vào các vết nứt và lỗ rỗng trong đá. Biện pháp thực hiện: Tẩm lên bề mặt các cấu kiện bằng đá dung dịch hóa chất có thể tác dụng với khoáng vật của đá, tạo thành các chất không tan bịt kín các vết nứt và lỗ rỗng trong đá. Ví dụ: Đối với các loại đá giàu khoáng vật canxit có thể dùng muối của axit flosilicic để florua hóa bề mặt, tạo ra các chất không tan trong nước: 2CaCO3 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 + 2CO2 Các hợp chất 2CaF2 , MgF2 và SiO2 không tan trong nước sẽ bịt kín các vết nứt và lỗ rỗng, nâng cao độ đặc của lớp vật liệu bề mặt đá.

2.5. Khái niệm chung về vật liệu gốm xây dựng 2.5.1. Khái niệm vật liệu gốm xây dựng Gốm xây dựng là loại vật liệu đá nhân tạo được sản xuất từ nguyên liệu chính là đất sét qua gia công tạo hình và nung. Đất sét, qua quá trình gia công cơ học, gia công nhiệt làm biến đổi cấu trúc và thành phần khoáng, làm xuất hiện những đặc tính phù hợp với yêu cầu sử dụng trong xây dựng. Do quá trình thay đổi lý, hóa trong khi nung nên vật liệu gốm xây dựng có tính chất khác hẳn so với nguyên liệu ban đầu. Tiêu biểu về vật liệu gốm xây dựng là gạch ngói. Hình ảnh về quá trình sản xuất gạch đất sét nung được thể hiện ở Hình 2.9.

Hình 2.9. Quá trình sản xuất gạch đất sét nung Trong xây dựng vật liệu gốm được dùng trong nhiều chi tiết kết cấu của công trình từ khối xây, lát nền, ốp tường đến cốt liệu rỗng (Kerazit) cho loại bê tông nhẹ. Ngoài ra, các sản phẩm sứ vệ sinh là những vật liệu không thể thiếu trong xây dựng. Các sản phẩm gốm bền axit, bền nhiệt được dùng nhiều trong công nghiệp hóa học, luyện kim và các ngành công nghiệp khác.

2.5.2. Ưu và nhược điểm của vật liệu gốm xây dựng Trong thực tế, việc sản xuất và sử dụng vật liệu gốm xây dựng có một số ưu điểm và nhược điểm như sau: - Ưu điểm: Bền vững, ổn định với môi trường tự nhiên; sản phẩm phong phú, đáp ứng được nhiều nhu cầu sử dụng; nguyên vật liệu sẵn có, sử dụng được vật liệu địa phương; công nghệ sản xuất đơn giản; giá thành hạ…; - Nhược điểm: Quá trình sản xuất vật liệu gốm thường gây tác động xấu đến môi trường; vật liệu gốm thường nặng, gây khó khăn trong thao tác; dễ vỡ (một số loại sản phẩm); khó cơ giới hóa thi công…

2.5.3. Phân loại vật liệu gốm xây dựng 2.5.3.1. Phân loại theo công dụng Dựa vào công dụng (tính năng), vật liệu gốm xây dựng được phân thành các loại cơ bản: vật liệu xây (các loại gạch xây); vật liệu lợp (các loại ngói); vật liệu lát nền (các loại

gạch lát); vật liệu ốp (các loại gạch ốp trang trí, bảo vệ); cốt liệu rỗng nhân tạo (dùng làm cốt liệu bê tông rỗng - nhẹ); thiết bị vệ sinh (vật liệu gốm cao cấp); vật liệu có công dụng đặc biệt (cách âm, cách nhiệt, chịu lửa, chịu axit)…

2.5.3.2. Phân loại theo mức độ rỗng của sản phẩm Dựa vào đặc điểm cấu tạo cũng như mức độ rỗng (được đánh giá qua độ hút nước theo khối lượng - Hp), vật liệu gốm xây dựng được phân thành hai loại cơ bản: - Loại đặc: Là loại có độ hút nước theo khối lượng nhỏ (Hp < 5%); bao gồm các loại gạch ốp lát, ống thoát nước…; - Loại rỗng: Là loại có độ hút nước theo khối lượng lớn (Hp ≥ 5%); bao gồm một số loại gạch xây, gạch lát sân, gạch lát đường…

2.5.3.3. Phân loại theo đặc trưng cấu trúc và hình thức của sản phẩm Dựa vào đặc trưng cấu trúc, vật liệu gốm xây dựng được phân thành các loại: - Gốm tinh: Là loại vật liệu gốm có cấu trúc hạt mịn; sản xuất phức tạp như gạch trang trí, sứ vệ sinh; - Gốm thô: Là loại vật liệu gốm có cấu trúc hạt thô; sản xuất đơn giản như gạch ngói, tấm lát, ống nước; - Gốm có tráng men: Là loại được tạo trên bề mặt một lớp men với nhiều tác dụng như tạo độ bóng, bảo vệ, chống thấm... Tiêu biểu là các loại gạch men; - Gốm không tráng men: Các loại gạch xây và ngói lợp thông thường.

2.5.4. Nguyên liệu sản xuất vật liệu gốm xây dựng Nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu gốm là đất sét. Ngoài ra, tùy theo yêu cầu về tính chất của sản phẩm và đặc điểm, tính chất của đất sét mà có thể sử dụng thêm các loại phụ gia phù hợp.

2.5.4.1. Đất sét * Nguồn gốc và thành phần của đất sét Đất sét là loại trầm tích cơ học; trong thành phần hạt cấu tạo của đất sét có thể chia thành 3 nhóm hạt chủ yếu: - Hạt sét (S): Là loại có đường kính hạt d < 0,005 mm; - Hạt bụi (B): Là loại có đường kính hạt d = 0,005 ÷ 0,14 mm; - Hạt cát (C): Là loại có đường kính hạt d = 0,14 ÷ 0,5 mm.

Có thể dựa vào hàm lượng hạt sét để phân loại đất như sau: - Đất sét nặng: S > 60%; - Đất sét: S = 30 ÷ 60%; - Đất sét pha: S = 10 ÷ 30%; - Đất cát: S = 5 ÷ 10%; - Cát: S < 5%. Để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu gốm thường chỉ dùng các loại đất sét nặng, đất sét và đất sét pha; với đất làm đồ gốm sứ cao cấp, gạch ốp lát lại cần có thêm một số yêu cầu riêng. * Tính chất cơ bản của đất sét - Tính dẻo: Là đặc trưng công nghệ quan trọng của đất sét; phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần hạt, lượng tạp chất và độ ẩm; độ dẻo phải được điều chỉnh để phù hợp. - Độ co khi sấy và nung: Là mức độ giảm kích thước sau khi sấy và nung, do nguyên nhân cơ bản như sau: Khi sấy: Nước trong mao quản mất đi, các hạt xích lại gần nhau, gây nên hiện tượng co; độ co khoảng 3 ÷ 12%; Khi nung: Một số thành phần bị chảy lỏng làm các hạt xích lại gần nhau, cũng gây nên hiện tượng co; độ co khoảng 1 ÷ 4%; Do hiện tượng co làm gây nên các tác hại: thay đổi hình dáng, kích thước; cong vênh, nứt tách... - Sự biến đổi lý hóa khi nung: Từ khi nung đến hơn 1000C: Nước tự do bay hơi và đất sét bị co; Từ 200 ÷ 4500C: Nước liên kết vật lý bay hơi; tạp chất hữu cơ cháy hết, để lại lỗ rỗng; Từ 450 ÷ 6500C: Nước liên kết hóa học bay hơi; thành phần khoáng chất thay đổi; Từ 650 ÷ 1.2000C: Nhiều phản ứng hóa học xảy ra; đất sét bị biến đổi cơ bản về thành phần khoáng; Từ 1.2000C: Một bộ phận của đất sét bắt đầu chảy lỏng, quá trình kết khối xảy ra và kết thúc vào khoảng 1.380 ÷ 1.4200C. Khoảng nhiệt độ kết khối (△T): Là nhiệt độ bắt đầu đến kết thúc kết khối:

△T = Tk - Tb Trong đó: + Tb: Nhiệt độ bắt đầu kết khối; + Tk: Nhiệt độ kết thúc kết khối. Khoảng nhiệt độ kết khối của vật liệu nung càng lớn thì việc sản xuất vật liệu gốm càng thuận lợi.

2.5.4.2. Các loại phụ gia 1) Phụ gia gầy Phụ gia gầy (vật liệu gầy) là loại phụ gia giảm độ dẻo, sử dụng nhằm thuận lợi cho việc tạo hình sản phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm. Vật liệu gầy thường dùng trong sản xuất gốm là samôt, đất sét mất nước (nung non), cát, tro nhiệt điện, xỉ hạt hóa. Chúng được pha trộn vào nguyên liệu đất sét nhằm làm giảm độ dẻo, giảm độ co ngót của phôi khi sấy và nung. Samôt là loại vật liệu gốm dạng hạt có kích thước d = 0,14 ÷ 2 mm, được chế tạo bằng cách nghiền đất sét khó cháy hoặc đất sét chịu lửa rồi nung trước ở nhiệt độ nung sản phẩm. Ngoài ra, samôt cũng có thể được chế tạo bằng cách nghiền các thải phẩm của gạch nung non lửa. Khi được pha trộn vào nguyên liệu đất sét, samôt có tác dụng cải thiện tính chất của đất sét trong quá trình sấy và nung. Vì vậy, nó thường được sử dụng để sản xuất các vật liệu gốm chất lượng cao như gạch ốp lát, vật liệu bền nhiệt... Đất sét nung non được chế tạo bằng cách nung đất sét ở nhiệt độ 700 ÷ 7500C để khử thành phần nước hóa học. Chúng được sử dụng với hàm lượng 30 ÷ 50% nhằm cải thiện tính chất của phối liệu đất sét khi sấy và tăng chất lượng hình dạng bên ngoài của gạch thành phẩm. Cát với đường kính hạt 0,5 ÷ 2 mm được sử dụng để pha trộn vào đất sét nguyên liệu với hàm lượng trong khoảng 10 ÷ 25%. Nếu pha trộn với tỷ lệ lớn hơn sẽ làm giảm cường độ và độ bền nước của sản phẩm gốm. Tro nhiệt điện vừa là phụ gia gầy, vừa là phụ gia cháy trong công nghệ sản xuất gốm xốp. Xỉ hạt hóa là một trong những phụ gia gầy có hiệu quả cao. 2) Phụ gia béo Ngược lại với phụ gia gầy, phụ gia béo là loại phụ gia tăng độ dẻo, sử dụng nhằm thuận lợi cho việc tạo hình sản phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các loại phụ gia béo thường dùng: đất sét tinh khiết, đất bentonit và các loại phụ gia hoạt động bề mặt.

3) Phụ gia cháy Phụ gia cháy có tác dụng làm tăng độ rỗng bằng cách tạo nên các lỗ rỗng trong sản phẩm gốm (gạch), đồng thời chúng làm cho quá trình gia công nhiệt được đồng đều hơn. Các loại phụ gia cháy thường dùng là mùn cưa, phoi bào, tro nhiệt điện, bã giấy... 4) Phụ gia hạ nhiệt độ nung Phụ gia hạ nhiệt độ nung, hay còn được gọi là các chất trợ dung, có tác dụng cải thiện quá trình gia công nhiệt của các sản phẩm gốm. Chúng có khả năng làm hạ thấp nhiệt độ kết khối, làm kéo dài khoảng nhiệt độ dung kết, tăng độ đặc và cường độ của sản phẩm, giảm chi phí nhiên liệu. Phụ gia hạ nhiệt độ nung được chia thành hai nhóm: nhóm có nhiệt độ nóng chảy thấp và nhóm có nhiệt độ nóng chảy cao: - Nhóm có nhiệt độ nóng chảy thấp bao gồm các chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như fenspat, pecmatit, sienit...; - Nhóm có nhiệt độ nóng chảy cao bao gồm những chất mà bản thân chúng có nhiệt độ nỏng chảy cao, nhưng trong quá trình nung chúng có khả năng tác dụng với một số thành phần trong phối liệu đất sét để tạo nên các chất có nhiệt độ nóng chảy thấp (canxit, đôlômit...).

2.5.4.3. Các loại men Men là lớp thủy tinh mỏng (thường dày 0,1 ÷ 0,3 mm) bao phủ trên bề mặt các sản phẩm gốm. Trong quá trình gia công nhiệt lớp men này sẽ tan chảy và bao phủ bề mặt sản phẩm; nó làm cho bề mặt sản phẩm trở nên sít đặc, nhẵn, bóng; khi làm nguội sẽ đông cứng lại thành lớp thủy tinh và liên kết rất bền vững với bề mặt sản phẩm gốm. Lớp men có tác dụng bảo vệ sản phẩm gốm chống lại tác dụng có hại của các nhân tố môi trường, tăng tính chống thấm cũng như nhiều tính chất khác, đồng thời làm tăng tính thẩm mỹ cho vật liệu gốm. Thành phần nguyên liệu chính sử dụng để chế tạo ra men là cát thạch anh, cao lanh, fenspat, muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ, oxyt chì, axit boric, borac (Na2B2O.10H2O)... Men sử dụng cho vật liệu gốm rất đa dạng nên việc chế tạo chúng khá phức tạp. Trong thực tế ta có thể gặp men màu và men không màu, men trong và men đục, men bóng và men không bóng, men xứ và men sành, men trang trí...

2.5.5. Công nghệ sản xuất gạch, ngói Quá trình sản xuất gạch, ngói (vật liệu gốm xây dựng thông thường) có thể chia thành 5 bước cơ bản: khai thác nguyên vật liệu, chuẩn bị phối liệu; tạo hình; sấy và nung sản phẩm.

2.5.5.1. Khai thác nguyên vật liệu

Hình 2.10. Máy nhai đất Việc khai thác đất sét nguyên liệu sản xuất vật liệu gốm có thể tiến hành bằng phương pháp thủ công hoặc cơ giới. Khi khai thác đất sét cần lưu ý loại bỏ lớp đất hữu cơ ở phía trên cũng như các tạp chất có hại. Đất sét được chuyển về ủ trong bể có mái che hoặc đánh đống ngoài trời. Ủ đất có tác dụng làm cho độ ẩm, độ dẻo, độ co ngót của đất sét đồng đều nhằm tăng chất lượng sản phẩm.

2.5.5.2. Chuẩn bị phối liệu Công tác chuẩn bị phối liệu nhằm mục đích tạo ra được hỗn hợp đồng đều về màu sắc, độ ẩm, tính chất cơ lý, thành phần... để dễ tạo hình và chất lượng đồng đều, cũng như nâng cao chất lượng của sản phẩm. Tùy theo phương pháp tạo hình là phương pháp khan hay phương pháp dẻo mà ta có thể áp dụng các thiết bị gia công phối liệu khác nhau: - Phương pháp phối liệu khô: Độ ẩm vào khoảng 8 ÷ 12%; dùng cho tạo hình nửa khô; - Phương pháp phối liệu dẻo: Độ ẩm vào khoảng 20 ÷ 25%; dùng cho phương pháp tạo hình dẻo;

Hình 2.11. Máy trộn đất Phương pháp phối liệu ướt: Độ ẩm lớn hơn 50% (dạng bùn nhão); dùng cho phương pháp tạo hình ướt. Trong sản xuất gạch ngói hiện nay thường áp dụng phương pháp phối liệu dẻo. Đất sét được nghiền nhỏ trong máy nhai (Hình 2.10), sau đó trộn đều trong máy trộn (Hình 2.11). Việc nhào trộn được tiến hành ở độ ẩm 18 ÷ 25% cho đến khi hỗn hợp nguyên liệu tạo thành một khối đồng nhất.

2.5.5.3. Tạo hình sản phẩm Công tác tạo hình sản phẩm nhằm tạo ra cho sản phẩm một hình dạng nhất định và có cường độ ban đầu. Gạch ngói có thể được tạo hình bằng phương pháp dẻo hay phương pháp bán khô. Phương pháp tạo hình dẻo: Đất sét với độ ẩm 18 ÷ 23% được ép trên máy ép với áp lực khoảng 30 daN/cm2. Nhờ có buồng hút chân không mà không khí được hút ra khỏi phối liệu, tạo độ chặt sít, tăng độ đặc, độ bền sấy và cường độ của sản phẩm. Phương pháp tạo hình bán khô: Đất sét với độ ẩm 8 ÷ 12% được ép trên máy ép với áp lực 200 ÷ 300 daN/cm2. Phương pháp tạo hình bán khô cho sản phẩm có hình dạng và kích thước chính xác, cường độ cao, đặc biệt là cường độ sản phẩm mộc (chưa nung) cao hơn nhiều so với phương pháp tạo hình dẻo, vì vậy có thể rút ngắn đáng kể quá trình sấy và chu trình sản xuất nói chung; tuy nhiên, việc tạo hình sẽ khó khăn hơn. Phương pháp bùn nhão: Ngoài phương pháp dẻo và bán khô, với các sản phẩm có hình dáng phức tạp còn sử dụng phương pháp bùn nhão; khi đó đất sét và các nguyên vật liệu khác được trộn với độ ẩm rất lớn để tạo thành hỗn hợp dạng bùn nhão.

Hình 2.12. Sơ đồ máy ép Lento 1. Cửa ra; 2. Đầu ép; 3. Xy lanh ép; 4. Cánh vít xoắn; 5. Phễu nạp liệu

2.5.5.4. Sấy sản phẩm Trước khi nung, sản phẩm mộc phải được sấy, nhằm hướng tới các tác dụng cơ bản như: tránh nứt nẻ do mất nước đột ngột; tạo ra cường độ ban đầu để vận chuyển và xếp vào lò nung; tăng năng xuất lò nung và giảm hao phí năng lượng. Sấy sản phẩm mộc có thể được thực hiện bằng phương pháp sấy tự nhiên (phơi nắng - gió) hoặc nhân tạo (sấy trong lò). Sơ đồ lò sấy gạch tunen được thể hiện ở Hình 2.13:

Hình 2.13. Sơ đồ lò sấy gạch Tunen 1. Truyền chất tải nhiệt; 2. Toa goòng chở gạch mộc; 3. Thu chất tải nhiệt; 4. Kênh trung tâm để truyền chất tải nhiệt vào và ra khỏi lò sấy

Công tác sấy nhằm giảm độ ẩm của gạch mộc một cách từ từ đến một giới hạn nhất định và tạo cho gạch mộc một cường độ cần thiết ban đầu để không bị biến dạng khi vận chuyển, bốc xếp vào lò nung, đồng thời tăng năng suất và giảm chi phí năng lượng của lò nung. Quá trình sấy gạch mộc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tính chất của nguyên liệu; phương pháp gia công nguyên liệu và tạo hình sản phẩm; các thông số kỹ thuật của thiết bị sấy (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ của dòng nhiệt sấy...). Để tăng nhanh tốc độ sấy người ta thường trộn thêm các phụ gia gầy (để tăng độ dẫn ẩm và giảm co ngót), làm ẩm phối liệu bằng hơi nước (để tăng quá trình khuếch tán hơi ẩm) hoặc hút chân không cho phối liệu. Gạch mộc có thể được sấy bằng lò dạng phòng, lò tunen hoặc sấy tự nhiên trong không khí: Lò sấy phòng làm việc gián đoạn, phân bố nhiệt không đều, thời gian sấy dài (40 ÷ 72 giờ), năng suất thấp, khó cơ giới hóa và tự động hóa; lò sấy tunen làm việc liên tục, thời gian sấy ngắn (10 ÷ 40 giờ).

2.5.5.5. Nung sản phẩm Nung là công đoạn quan trọng nhất của quá trình sản xuất gạch ngói, vì nó có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của sản phẩm, đồng thời là công đoạn đòi hỏi chi phí cao nhất (chiếm 35 ÷ 40% giá thành sản phẩm). Quá trình nung sẽ làm đất sét và các thành phần khác bị tác động mạnh, biến đổi hoàn toàn về chất và quyết định chất lượng sản phẩm. Trong thực tế gạch ngói thường được nung trong hai loại lò là lò gián đoạn và lò liên tục. Lò nung gián đoạn là loại lò đơn giản, công suất nhỏ và thường được sử dụng trong các xí nghiệp quy mô nhỏ. Trong lò gián đoạn gạch ngói được nung theo từng mẻ. Loại lò này cho ra sản phẩm chất lượng thấp. Lò nung liên tục là loại lò hiện đại, có chất lượng sản phẩm cao. Trong sản xuất hiện nay, lò nung liên tục có hai loại là lò Hopman (lò vòng) và lò Tunen: - Lò Hopman (Hình 2.14) có hình bầu dục, có tổng chiều dài có thể tới vài trăm mét; được ngăn ra thành nhiều buồng, mỗi buồng đều có cửa ra vào riêng để ra vào lò và có cửa thông nhau, có cửa dẫn khói ra ống khói chung ở cửa lò. Nguyên tắc làm việc của lò khi nung là sản phẩm đứng yên, lửa nung di động. Lò Hopman có ưu điểm là hiệu suất sử dụng nhiệt cao: không khí lạnh vào làm nguội khu vừa nung xong, đống thời không khí được đốt nóng trước khi vào nung; qua khỏi khu nung, không khí nóng lại nung trước và sấy trước cho sản phẩm đầu vào. Lò Hopman không cần thiết bị xếp chứa sản phẩm và dễ điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình nung. Nhược điểm của loại lò này là khó cơ giới hóa (đặc biệt là khâu ra, vào lò) và khó phân bố đều lửa.

Hình 2.14. Sơ đồ lò nung Hopman I. Vùng vào lò; II. Vùng sấy; III. Vùng nung trước; IV. Vùng nung; V. Vùng làm nguội; VI. Vùng ra lò Lò Tunen (Hình 2.15) là loại lò hiện đại, có chiều dài thường khoảng 100 m; được chia thành 3 khu: khu nung trước, khu nung và khu làm nguội. Lò làm việc theo nguyên tắc sản phẩm chuyển động đều, còn nhiệt độ nung phân bố ổn định theo chiều dài của lò. Ưu điểm của lò Tunen là tốc độ nung nhanh hơn lò Hopman; dễ cơ giới hóa và tự động hóa quá trình nung; có thể sử dụng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí. Nhược điểm của loại lò này là cần có thiết bị xếp chứa khi nung (xe goòng); tốn nhiên liệu (do nung cả xe goòng).

Hình 2.15. Mặt cắt ngang lò Tunen 1. Vỏ lò; 2. Xe goòng chở gạch

2.6. Các vật liệu gốm xây dựng thông dụng 2.6.1. Vật liệu xây tường 2.6.1.1. Gạch đặc đất sét nung Theo Tiên chuẩn Việt Nam TCVN 1451 - 1998 - Gạch đặc đất sét nung (gọi tắt: Gạch đặc) có một số đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật cơ bản như sau: Kích thước phổ biến của gạch đặc đất sét nung theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam được ghi ở Bảng 2.3. Theo độ bền cơ học, gạch đặc đất sét nung chia thành 6 mác: M50; M75; M100; M125; M150 và M200; với cường độ tương ứng được ghi ở Bảng 2.4. Ký hiệu gạch theo trình tự: Tên kiểu gạch - Mác gạch - Số hiệu của tiêu chuẩn. Ví dụ: Gạch đặc 60 - M200 - TCVN 1541: 1998. Bảng 2.3. Kích thước gạch đặc đất sét nung Tên kiểu gạch

Dài, mm

Rộng, mm

Dày, mm

Gạch đặc 60

220 ± 6

105 ± 4

60 ± 3

Gạch đặc 45

190 ± 6

90 ± 4

45 ± 2

Bảng 2.4. Quy định về cường độ của gạch đặc đất sét nung Cƣờng độ nén, MPa Mác gạch

Cƣờng độ uốn, MPa

Trung bình cho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho 1 mẫu thử

Trung bình cho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho 1 mẫu thử

M200

3,4

1,7

M150

12,5

2,8

1,4

M125

12,5

2,5

1,2

M100

7,5

2,2

1,1

M75

7,5

1,8

0,9

M50

3,5

1,6

0,8

Khuyết tật và hình dạng bên ngoài của gạch đặc đất sét nung theo quy định, được ghi ở Bảng 2.5.

Bảng 2.5. Quy định về khuyết tật của gạch đặc đất sét nung Loại khuyết tật

Mức cho phép

1. Độ cong trên mặt đáy, trên mặt cạnh

4 mm

2. Số vết nứt xuyên suốt chiều dày, kéo sang chiều rộng không quá 20 mm

1 vết

3. Số vết sứt cạnh, sứt góc sâu từ 5 ÷ 10 mm, chiều dài theo cạnh từ 10 ÷ 15 mm

2 vết

Độ hút nước của gạch đặc Hp ≤ 16%.

2.6.1.2. Gạch rỗng đất sét nung Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1450 - 2009 - Gạch rỗng đất sét nung (gạch rỗng) có một số đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật cơ bản như sau: Kích thước phổ biến của gạch rỗng theo quy định, được thể hiện ở Bảng 2.6. Theo độ bền cơ học, Gạch rỗng đất sét nung chia thành 5 mác: M35; M50; M75; M100 và M125; với cường độ tương ứng được ghi ở Bảng 2.7. Ký hiệu gạch theo trình tự: Tên kiểu gạch theo chiều dày, số lỗ rỗng, độ rỗng, mác gạch và số hiệu của tiêu chuẩn, ví dụ: Gạch rỗng 105 - 4CN - M50 - TCVN 1540: 2009. Bảng 2.6. Quy định về kích thước của gạch rỗng đất sét nung Tên kiểu gạch

Dài, mm

Rộng, mm

Dày, mm

Gạch rỗng 60

220 ± 6

105 ± 4

60 ± 3

Gạch rỗng 80

180 ± 6

80 ± 4

85 ± 3

Gạch rỗng 105

220 ± 6

105 ± 4

105 ± 3

Bảng 2.7. Quy định về cường độ của gạch rỗng đất sét nung Cƣờng độ nén, MPa Mác gạch

Cƣờng độ uốn, MPa

Trung bình cho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho 1 mẫu thử

Trung bình cho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho 1 mẫu thử

M125

12,5

1,8

0,9

M100

7,5

1,6

0,8

M75

7,5

1,4

0,7

M50

3,5

1,4

0,7

M35

3,5

2,5

Khuyết tật và hình dạng bên ngoài của Gạch rỗng đất sét nung theo quy định, được ghi ở Bảng 2.8. Bảng 2.8. Quy định về khuyết tật của gạch rỗng đất sét nung Loại khuyết tật

Mức cho phép

1. Độ cong vênh trên bề mặt viên gạch

≤ 5 mm

2. Số vết nứt theo chiều chiều dày và chiều rộng, có độ dài không quá 60 mm

≤ 1 vết

3. Số vết sứt cạnh, sứt góc sâu từ 5 ÷ 10 mm, kéo dài theo cạnh từ 10 ÷ 15 mm

≤ 2 vết

Chú thích: Người sử dụng có thể đưa ra thêm các yêu cầu về mức độ khuyết tật hình dạng.

2.6.2. Gạch gốm ốp lát 2.6.2.1. Khái niệm chung về gạch gốm ốp lát Gạch gốm ốp lát (Ceramic tiles) là các tấm mỏng được sản xuất từ đất sét và các nguyên liệu vô cơ khác, dùng để lát nền, ốp tường và được tạo hình bằng phương pháp dẻo (ký hiệu: A), phương pháp bán khô (ký hiệu: B) ở nhiệt độ thường, hoặc bằng các phương pháp khác (ký hiệu: C); sau đó được sấy, nung ở nhiệt độ thích hợp để đạt được các tính năng theo yêu cầu. Gạch có thể được tráng men hoặc không tráng men, không bắt cháy và không bị ảnh hưởng do ánh sáng. Men (Glaze) là lớp phủ trên bề mặt gạch được nung chảy thành thủy tinh và không thấm nước. Men lót (Engobed surface) là lớp phủ mờ trên bề mặt xương gạch, có nguồn gốc từ đất sét, có thể thấm nước hoặc không thấm nước. Bề mặt được đánh bóng (Polished surface) là bề mặt của gạch không tráng men có độ bóng nhất định do quá trình hoàn thiện đánh bóng. Gạch tạo hình dẻo (Extruded tiles) là loại gạch được tạo hình bằng phương pháp dẻo qua máy đùn và được cắt theo kích thước nhất định; ký hiệu loại gạch: A. Gạch tạo hình ép bán khô (Dry-pressed tiles) là loại gạch được tạo hình từ hỗn hợp bộ mịn, ép bán khô trong khuôn ở áp lực cao; ký hiệu loại gạch: B. Gạch tạo hình bằng các phương pháp khác (Tiles made by other processes) là loại gạch được tạo hình bằng phương pháp khác với phương pháp tạo hình dẻo và tạo hình bán khô; ký hiệu loại gạch: C. Kích thước danh nghĩa (Norminal size) là kích thước dùng để mô tả sản phẩm.

Kích thước làm việc (Work size) là kích thước chuẩn của viên gạch quy định cho sản xuất, nhưng kích thước thực tế phải phù hợp với sai lệch cho phép đã quy định. Kích thước thực tế (Actual size) là kích thước nhận được khi đo bề mặt của viên gạch theo TCVN 6415 - 1989. Kích thước kết hợp (Coordinating size) là tổng kích thước làm việc và chiều rộng của mạch vữa. Kích thước mô đun hóa (Modular size) là kích thước của viên gạch dựa theo các mô đun M, 2M, 3M và 5M hoặc theo các bội số hay theo các thương số của chúng (1M = 100 mm). Kích thước không được mô đun hóa (Non-modular size) là kích thước của viên gạch không dựa theo các mô đun M. Dung sai (Tolerance) là độ lệch giữa các giới hạn cho phép của kích thước gạch theo quy định.

2.6.2.2. Phân loại gạch gốm ốp lát Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7132-2002, Gạch gốm ốp lát được phân thành các nhóm dựa theo phương pháp tạo hình và theo độ hút nước (E), được ghi ở Bảng 2.9. Bảng 2.9. Phân loại gạch gốm theo độ hút nước và phương pháp tạo hình Phƣơng pháp tạo hình

A Phương pháp dẻo

B Phương pháp ép bán khô

Nhóm I E ≤ 3%

Nhóm AI (xem phụ lục A, ISO 13006)

Nhóm BIa E ≤ 0,5% TCVN 6883:2001 Nhóm BIb 0,5% < E ≤ 3% TCVN 6884:2001

Nhóm IIa 3% < E ≤ 6%

Nhóm IIb 6% < E ≤ 10%

Nhóm AIIa-1 1) (xem phụ lục B, ISO 13006)

Nhóm AIIb-1 1) (xem phụ lục D, ISO 13006)

Nhóm AIIa-2 1) (xem phụ lục C, ISO 13006)

Nhóm AIIb-2 1) (xem phụ lục E, ISO 13006)

Nhóm BIIa TCVN 6414:1998

Nhóm BIIb TCVN 7133:2002

Nhóm III E > 10%

Nhóm AIII

Nhóm BIII 2) TCVN 7134:2002

Phƣơng pháp tạo hình

Nhóm I E ≤ 3%

Nhóm IIa 3% < E ≤ 6%

Nhóm IIb 6% < E ≤ 10%

Nhóm III E > 10%

C Phương pháp tạo hình khác

Nhóm CI 3)

Nhóm CIIa 3)

Nhóm CIIb 3)

Nhóm CIII 3)

Chú thích: 1)

Các nhóm AIIa và AIIb được chia thành 2 phần (phần 1 và 2) với các đặc tính kỹ thuật khác nhau; 2)

Nhóm BIII chỉ dành cho gạch tráng men. Có một số ít loại gạch không tráng men sản xuất theo phương pháp ép bán khô có độ hút nước E > 10%, không được xếp trong nhóm sản phẩm này; 3)

Loại gạch này không thuộc tiêu chuẩn này.

Theo phương pháp tạo hình, gạch ốp lát được chia thành 3 loại (A, B, C) với quy định như sau: - Gạch loại A (nhóm A): Là loại gạch được tạo hình bằng phương pháp dẻo qua máy đùn và được cắt theo kích thước nhất định; - Gạch loại B (nhóm B): Là loại gạch được tạo hình từ hỗn hợp bột mịn ép bán khô trong khuôn ở áp lực cao; - Gạch loại C (nhóm C): Là loại gạch được tạo hình bằng phương pháp khác với hai phương pháp trên. Theo độ hút nước (E hoặc Hp), gạch ốp lát được phân thành ba nhóm (I, II và III) với quy định như sau: - Nhóm I: Gạch có độ hút nước thấp, E ≤ 3%; đối với gạch ép bán khô; nhóm I được phân tiếp thành 2 nhóm nhỏ: Nhóm BIa: E ≤ 0,5%. Nhóm BIb: 0,5% < E ≤ 3% - Nhóm II: Gạch có độ hút nước trung bình, 3% < E ≤ 10%; đối với gạch được sản xuất theo phương pháp dẻo, nhóm II được phân tiếp thành 2 nhóm nhỏ: + Nhóm AIIa: 3% < E ≤ 6%; + Nhóm AIIb: 6% < E ≤ 10%. - Nhóm III: Gạch có độ hút nước cao, E > 10%.

2.6.2.3. Một số loại gạch ốp lát thường dùng 1. Gạch Ceramic Gạch Ceramic là loại gạch được hình thành chủ yếu từ cát, đất sét cùng một số thành phần khác, tổng hợp qua quá trình nung trong nhiệt độ cao trên 1.0000C. Đây là loại gạch có tên thân thuộc là “gạch men”. Gạch men được sản xuất theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7745:2007 - Gạch gốm ốp lát ép bán khô - Yêu cầu kỹ thuật (Dry pressed ceramic tiles - Specificaitons). Tiêu chuẩn này thay thế cho Tiêu chuẩn cũ: TCVN 6883:2001 - Gạch gốm ốp lát - Gạch Granit - Yêu cầu kỹ thuật (Ceramic tiles - Granite - Specification). Gạch men là loại vật liệu xây dựng phổ biến và lâu đời trên Thế giới và Việt Nam, là sản phẩm hoàn thiện dùng cho mục đích bảo vệ và trang trí công trình. Tùy vào tính năng của từng loại mà gạch men được dùng để lát sàn hoặc ốp tường, cầu thang, lối đi, hồ bơi... 2. Gạch Granite Gạch granite còn được gọi là gạch đồng chất, gạch thạch anh, gạch bóng kiếng (unglazed tile, homogeneous tile) là chủng loại gạch lát không lớp phủ men. Toàn bộ viên gạch là một khối đồng chất về nguyên vật liệu cũng như màu sắc, độ bóng của gạch là do kỹ thuật mài chứ không có lớp men. Đây là một loại đá nhân tạo, được tạo ra từ 70% bột đá, 30% đất sét (ngược lại với dòng ceramic) và một số loại phụ gia khác. Loại gạch này được coi là một dạng đá nhân tạo đồng chất. Bởi sự đồng nhất trong toàn bộ viên gạch mà sản phẩm có độ cứng rất cao, chịu được áp suất cao. Gạch Granite hiện vẫn là loại gạch được sử dụng nhiều nhất trên thị trường. Gạch granite được sản xuất theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6883:2001 - Gạch gốm ốp lát - Gạch Granite - Yêu cầu kỹ thuật (Ceramic tiles - Granite - Specification). Các yêu cầu về kích thước, độ hút nước và độ mài mòn của gạch granite được ghi trong các Bảng 2.10 và 2.11. Bảng 2.10. Quy định về kích thước của gạch ốp lát granit, mm Hình vuông Kích thƣớc cạnh bên danh nghĩa (a x b)

Chiều dày danh nghĩa (d)

Hình chữ nhật

100 x 100

400 x 400

150 x 100

300 x 200

150 x 150

500 x 500

200 x 100

600 x 300

200 x 200

600 x 600

200 x 150

900 x 600

250 x 250

250 x 150

300 x 300

300 x 150 -

Chú thích: Sản phẩm có kích thước khác với Bảng 1 được sản xuất theo yêu cầu của khách hàng, nhưng sai lệch kích thước phải theo các Bảng 2, 3, 4, 5 và 6.

Gạch granite vì có kích thước chuẩn tuyệt đối nên mạch ghép thường rất nhỏ. Sản phẩm có độ cứng bề mặt rất cao, đáp ứng nhu cầu sử dụng tại các khu vực có lưu lượng người qua lại nhiều và độ ma sát cao. Bảng 2.11. Quy định về độ hút nước và độ mài mòn của gạch ốp lát granit Chỉ tiêu Độ hút nước, không lớn hơn, % Độ mài mòn khối lượng do ma sát, không lớn hơn, g/cm3

Loại I

Loại II

0,2

0,4

3. Gạch lá dừa - lá nem Gạch lá dừa là loại gạch lát truyền thống có từ lâu đời, được sản xuất từ đất sét và có thể dùng thêm phụ gia, tạo hình bằng phương pháp dẻo. Gạch lá dừa có nhiều loại kích thước, bề mặt có vạch vân theo hình là dừa; và tùy theo hình dạng vạch vân, có thể chia ra các loại: Gạch lá dừa tròn; Gạch lá dừa đơn; Gạch lá dừa kép. Hình ảnh và quy cách về gạch lá dừa được thể hiện ở Hình 2.10. Gạch lá dừa thường được dùng để lát vỉa hè, lối đi công viên, sân và lối đi trong các khu nhà ở...

Hình 2.10. Hình ảnh và quy cách gạch là dừa Gạch lá nem (gạch có chân) cũng là loại gạch lát truyền thống có từ lâu đời, là loại gạch được sản xuất từ đất sét và có thể dùng thêm phụ gia, tạo hình bằng phương pháp dẻo. Hình ảnh về gạch lá nem được thể hiện ở Hình 2.11. Hiện tại, loại gạch lá nem được sản xuất theo các dòng sản phẩm với nhiều loại kích thước khác nhau, nhưng phổ biến nhất là các loại kích thước: 300x300x20 mm và 200x200x75 mm. Gạch lá nem thường được dùng để lát trên lớp mái bê tông cốt thép hoặc nền nhà. Với chất liệu hiện đại, gạch lá nem có khả năng cách nhiệt tốt, chống nóng cực hữu hiệu.

Hình 2.11. Gạch lá nem

2.6.3. Vật liệu lợp Ngói đất sét là loại vật liệu lợp truyền thống, bền, đẹp và được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng. Ngói được sản xuất theo các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 1452-1995: Ngói đất sét nung - yêu cầu kỹ thuật. Các chỉ tiêu kỹ thuật của ngói được kiểm tra theo TCVN 4313-1995: Ngói đất sét nung - Phương pháp thử cơ lý. Trong thực tế thường sản xuất và sử dụng phố biến 3 loại ngói, được phân theo hình dáng, cấu tạo và đặc điểm sử dụng: ngói vảy cá, ngói gờ và ngói úp. Hình dạng về ba loại ngói được thể hiện ở Hình 2.12.

Ngói vảy cá

Ngói gờ

Ngói úp

Hình 2.12. Hình ảnh về một số loại ngói thông dụng Ngói vảy cá là loại ngói có kích thước nhỏ, khi lợp viên này chồng lên viên kia khoảng 40 ÷ 50% diện tích bề mặt, do đó khả năng cách nhiệt tốt, nhưng mái sẽ nặng và tốn nhiều vật liệu hơn.

2.6.4. Một số vật liệu gốm xây dựng khác Gạch chịu lửa (gạch sa mốt chịu lửa) là loại gạch chịu được tác dụng lâu dài của các tác nhân cơ học và hóa lý ở nhiệt độ cao; là loại gạch được sản xuất từ nguyên liệu chính là:

sạn sa mốt (calcined Fireclay), bột sét và chất kết dính. Gạch chịu lửa được sử dụng trong các lò nấu kim loại màu, buồng đốt; lò trong công nghiệp hóa chất và xây dựng, lò xử lý đốt rác thải... Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5441-1991, vật liệu chịu lửa được chia làm 3 loại: chịu lửa trung bình (chịu được lửa từ 1.580 ÷ 1.7700C), chịu lửa cao (chịu được lửa từ 1.770 ÷ 2.0000C) và chịu lửa rất cao (chịu được lửa lớn hơn 2.0000C). Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4710-1989 (Gạch chịu lửa Samốt - Chamotle refractory), tùy theo độ chịu lửa gạch chịu lửa sa mốt được phân thành 3 loại: loại SA có độ chịu lửa không nhỏ hơn 1.730oC; loại SB có độ chịu lửa không nhỏ hơn 1.650oC và loại SC có độ chịu lửa không nhỏ hơn 1.580oC. Ngoài ra, cũng còn các loại gạch chịu lửa được sản xuất theo một số tiêu chuẩn khác: TCVN 7484:2005: Vật liệu chịu lửa - Gạch cao alumin (Refractory materials - High alumina bricks); TCVN 7636:2007: Vật liệu chịu lửa - Gạch samốt cách nhiệt (Refractory materials - Insulating fireclay bricks). Gạch clinker là loại gạch chịu được lực uốn lớn hơn gấp 3 lần gạch ceramic thông thường, sản phẩm có độ dày theo từng chủng loại kích cỡ; màu sắc tự nhiên, không bị mất màu, mất chất theo thời gian; chống trơn trượt, không hề bị rạn, ngấm bẩn do đã được thủy tinh hóa tốt và cũng giúp sản phẩm dễ lau chùi, làm sạch mà không cần dùng hóa chất. Một trong những tính năng vượt trội của gạch clinker là: Sản phẩm được nung ở nhiệt độ cao, bảo đảm sự “kết khối” hoàn toàn trong từng viên gạch. Sản phẩm sau nung có độ hút nước từ 0 đến dưới 3% (trong khi gạch ốp lát và ngói lợp hiện nay trên thị trường có độ hút ẩm từ 3 ÷ 14%), vì vậy có khả năng “thách thức” rêu mốc, chống được trơn trượt và không bị tác động bởi các yếu tố môi trường như: axit, muối, sốc nhiệt, có độ giãn nở cực thấp nên không bị bong tróc khỏi bề mặt sàn, tường... Loại gạch clinker này phát huy được những tính năng ưu việt một cách tối ưu khi dùng để ốp, lát cho các công trình như: kho, nền nhà chứa hóa chất, bể bơi, vỉa hè, quảng trước, các mặt tiền của công trình, vừa đảm bảo tính mỹ thuật vừa chống chịu được các tác động từ môi trường khắc nghiệt như: nắng, gió, lạnh và những tác động bất lợi khác tới tuổi thọ của công trình. Gạch nhẹ (gạch xốp) là tên gọi chung của các loại gạch có khối lượng nhẹ hơn gạch đặc và gạch rỗng, với khối lượng thể tích thường vào khoảng γ = 1,2 ÷ 1,3 g/cm3; hệ số truyền nhiệt λ = 0,3 ÷ 0,4 kCal/m.0C.h. Gạch nhẹ có cường độ thấp nên chỉ dùng xây tường ngăn, cách nhiệt, chống nóng… Gạch chịu axit là loại gạch có đặc tính độ hút nước rất thấp (độ xốp thấp), cường độ cao, chịu được lửa tối thiểu ở mức trung bình không nhỏ hơn 1.5800C. Do đó được sử dụng xây lót trong các thùng, bể khuấy chứa axit chủng luyện ở nhiệt độ cao. Được sử dụng chủ yếu trong công nghệ kẽm điện phân, công nghệ nhiệt điện...

Nguyên liệu để sản xuất gạch chịu axit bao gồm: Samôt, đất sét và các phụ gia hóa chất khác. Tất cả các loại nguyên liệu phải sạch, chứa ít tạp chất đặc biệt là FeO, Fe2O3, CaO. Các loại sa mốt và đất sét sau khi kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật, được đưa vào hệ thống máy gia công thành các loại cỡ hạt và đưa vào các Silô chứa riêng, sau đó cân đong chính xác tỷ lệ theo đơn phối liệu, trộn ủ phối liệu trên máy trộn cường độ cao, ép sản phẩm trên máy thuỷ lực 1.250 tấn, sấy nung sản phẩm trong lò Tuynen hoặc lò Shuntan. Sản phẩm ra lò được phân loại nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm. Keramzit là cốt liệu rỗng nhân tạo có cấu trúc rỗng kín, nên có độ hút nước không lớn và cường độ vẫn cao. Các tính chất của cốt liệu rỗng keramzit xác định theo các tiêu chuẩn GOST 9758:86, TCVN 6221:1997 - Cốt liệu nhẹ cho bê tông - Sỏi, dăm sỏi và cát keramzit - Phương pháp thử; TCVN 6220:1997 - Cốt liệu nhẹ cho bê tông - Sỏi, dăm sỏi và cát keramzit - Yêu cầu kĩ thuật. Sản xuất cốt liệu nhẹ Keramzit được thực hiện với phương pháp nung phồng nhanh khoáng sét kaolinite (nhiệt độ khoảng 1.000 ÷ 1.2000C) có phối trộn chất độn than đá hoặc trấu xay ở 3 mức tỷ lệ (30%, 50% và 70% chất độn). Cốt liệu nhẹ Keramzit được chia thành 2 loại hạt cơ bản là cát và sỏi với các loại kích thước được quy định theo tiêu chuẩn: Cát có kích thước d ≤ 5 mm; Sỏi có các loại kích thước: 5 ÷ 10; 10 ÷ 20; 20 ÷ 30 và 30 ÷ 40 (mm); Cốt liệu keramzit có đặc tính cơ bản là nhẹ; tùy theo kích thước hạt khối lượng thể tích đổ đống nhỏ có thể vào khoảng 700 kg/m3 (với cát) và khoảng 900 kg/m3 (với sỏi). Đồ gốm trang trí, vệ sinh, nội thất là những vật liệu, thiết bị - đồ dùng sinh hoạt, đồ trang trí nội thất không thể thiếu trong mỗi căn hộ hiện đại.

Hình 2.13. Hình ảnh về đồ gốm vệ sinh - nội thất Gạch gốm cũng là một loại gạch được con người sử dụng nhiều trong các công trình xây dựng bởi gốm được biết đến như một loại vật liệu rất cứng, chống nước và có thể chịu được nhiệt độ thay đổi của thời tiết. Gạch sáng bóng bền đẹp theo thời gian, vào thời xa xưa gạch gốm được dùng để trang trí, ốp lát trong những công trình mang tính biểu tượng văn hóa.

Chương 3 CHẤT KẾT DÍNH 3.1. Khái niệm chung về chất kết dính 3.1.1. Khái niệm Chất kết dính (CKD) là chất ở từng điều kiện cụ thể có khả năng tự dính kết và dính kết các vật liệu rời rạc liền kề, sau đó đông cứng và tạo thành một vật liệu dạng rắn, một loại đá nhân tạo. Chất kết dính là loại vật liệu quan trọng và không thể thiếu trong các lĩnh vực xây dựng từ trước tới nay.

3.1.2. Phân loại chất kết dính 3.1.2.1. Chất kết dính vô cơ và chất kết dính hữu cơ Dựa vào nguồn gốc hình thành, cấu tạo hóa học và các đặc điểm tính chất, có thể phân chia chất kết dính thành hai loại cơ bản, đó là: chất kết dính vô cơ và chất kết dính hữu cơ. Chất kết dính vô cơ là các chất vô cơ ở dạng bột mịn hoặc lỏng, khi nhào trộn với nước sẽ tạo thành hồ dẻo, qua các quá trình lý hóa trở nên rắn chắc và chuyển thành đá. Chất kết dính vô cơ được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng. Chất kết dính hữu cơ là loại chất kết dính có thành phần chủ yếu hydrô cácbon cao phân tử và một số hợp chất khác. Ở nhiệt độ thường chất kết dính hữu cơ thường ở dạng cứng, quánh; khi gia nhiệt trở nên lỏng, có khả năng trộn lẫn và dính kết các vật liệu khoáng. Chất kết dính hữu cơ thường được sử dụng làm chất kết dính dúng trong xây dựng đường ô tô (nên thường gọi là nhựa đường).

3.1.2.2. Phân loại chất kết dính vô cơ Dựa theo môi trường đóng rắn và phát triển cường độ, chất kết dính vô cơ có thể được phân thành 2 loại cơ bản: 1. Chất kết dính vô cơ rắn chắc trong không khí Chất kết dính vô cơ rắn chắc trong không khí là loại chất kết dính vô cơ có khả năng rắn chắc và phát triển cường độ trong môi trường không khí; ví dụ, các loại: Vôi canxi (vôi không khí; gọi tắt: vôi) là loại thành phần chủ yếu là CaO và có thể ở các trạng thái khác

nhau; Thạch cao là loại có thành phần chủ yếu là CaSO4.0,5H2O; Thủy tinh lỏng là loại có thành phần chủ yếu là silicat natri hoặc kali (Na2.nSiO2 hoặc K2.nSiO2)… 2. Chất kết dính vô cơ rắn chắc trong nước Chất kết dính vô cơ rắn chắc trong nước là loại chất kết dính vô cơ có khả năng rắn chắc và phát triển cường độ trong môi trường không khí và nước; điển hình cho chất kết dính vô cơ rắn chắc trong nước các loại xi măng.

3.1.2.3. Phân loại chất kết dính hữu cơ * Phân loại theo thành phần hóa học và nguồn gốc nguyên liệu Theo thành phần hóa học, chất kết dính hữu cơ được chia thành hai loại cơ bản là Bitum và guđrông: Bitum là hỗn hợp của các hydrocacbon chủ yếu là mạch vòng, naphtalen và loại mạch vòng ở dạng cao phân tử và một số phi kim như: O, N, S. Theo nguồn gốc nguyên liệu (nguồn gốc hình thành), bitum lại được chia thành 3 loại: Bitum dầu mỏ (sản phẩm cuối cùng của dầu mỏ); Bitum đá dầu (sản phẩm khi chưng đá dầu) và Bitum thiên nhiên (thường gặp trong thiên nhiên ở dạng tinh khiết hay lẫn với các loại đá). Guđrông là hỗn hợp của các hydrocacbon chủ yếu là hydrocacbon thơm và một số phi kim khác. Theo nguồn gốc nguyên liệu, guđrông lại được chia thành 3 loại: Guđrông than đá (sản phẩm khi chưng khô than đá); Guđrông than bùn (sản phẩm khi chưng khô than bùn) và Guđrông gỗ (sản phẩm khi chưng khô gỗ). * Phân loại theo tính chất xây dựng Theo tính chất xây dựng (hay theo trạng thái tồn tại và sử dụng), bitum và guđrông lại lần lượt được chia thành các loại: - Loại rắn (bitum và guđrông rắn) khi ở 20 ÷ 250C là chất rắn, giòn và đàn hồi; sẽ được chuyển sang trạng thái lỏng khi ở 180 ÷ 2000C; - Loại quánh khi ở 20 ÷ 250C là chất mềm, có tính dẻo cao và đàn hồi không lớn; - Loại lỏng khi ở 20 ÷ 250C là chất lỏng; loại này có chứa thành phần hyđro cacbon dễ bay hơi và có khả năng đông đặc khi các thành nhẹ bay hơi. Nhũ tương bitum và guđrông lỏng là hệ thống keo phân tán bao gồm bitum quánh hoặc guđrông quánh, kết hợp với nước và chất nhũ hóa. Trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam, chủ yếu dùng loại chất kết dính hữu cơ là bitum dầu mỏ loại rắn hoặc quánh; đồng thời, cũng sử dụng nhũ tương bitum và guđrông lỏng.

3.2. Xi măng 3.2.1. Khái niệm chung về xi măng 3.2.1.1. Khái niệm Xi măng Pooclăng (Portland cement) còn gọi: Xi măng Pooclăng thường (XMP tiếng Việt; OPC - tiếng Anh), gọi tắt là xi măng (XM - tiếng Việt; PC - tiếng Anh) là loại CKD vô cơ rắn trong nước và khi cứng rắn thì có thể bền nước, được tạo ra từ việc nung hỗn hợp bao gồm hai thành phần chính là đá vôi và đất sét, sau đó nghiền mịn và có thể thêm phụ gia với tỉ lệ nhất định. Xi măng là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ.

3.2.1.2. Ưu và nhược điểm của xi măng So với một số loại chất kết dính khác dược dùng trong xây dựng, xi măng có một số ưu điểm nổi bật như sau: Cường độ cao; rắn chắc nhanh; bền vững, ổn định; nguyên liệu sản xuất sẵn có, giá thành rẻ... Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng xi măng cũng có nhiều nhược điểm, trong đó có yếu tố quan trọng là gây ảnh hưởng xấu đến môi trường.

3.2.1.3. Nguyên vật liệu và nhiên liệu sản xuất xi măng 1. Đá vôi Đá vôi (CaCO3) là nguyên liệu chính để sản xuất xi măng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6072:1996, đá vôi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phải đảm bảo hàm lượng: CaCO3 ≥ 85%; MgCO3 ≤ 5%; Na2O + K2O ≤ 1%. 2. Đất sét Đất sét là loại nguyên liệu quan trọng thứ hai dùng cho việc sản xuất xi măng; nó cung cấp SiO2, Al2O3, Fe2O3 cho hỗn hợp phối liệu. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6071: 1996, đất sét dùng làm nguyên liệu sản xuất xi măng phải có các hàm lượng silic ôxit (SiO2) nằm trong khoảng 55 ÷ 70%. 3. Các loại phụ gia Tùy theo đặc điểm thành phần của đá vôi và đất sét, khi sản xuất xi măng có thể sử dụng một số loại phụ gia như sau: - Phụ gia cao silic: Là loại phụ gia có chứa nhiều sillic oxyt (SiO2); thường dùng là loại đất đá có chứa hàm lượng SiO2 > 80%; được sử dụng để điều chỉnh hàm lượng SiO2 cho phối liệu; - Phụ gia cao sắt: Là loại phụ gia có chứa nhiều sắt oxyt (Fe2O3) được sử dụng để điều chỉnh modul aluminat cho phối liệu;

- Phụ gia cao nhôm: Là loại phụ gia có chứa nhiều nhôm oxyt (Al2O3); thường sử dụng là quặng bôxít có chứa 44  58% Al2O3; - Các loại phụ gia khác: Phụ gia khoáng hóa, thạch cao... Ngoài ra, để sản xuất các loại xi măng khác nhau, người ta có thể trộn clinke với một số phụ gia hoạt tính thiên nhiên hay nhân tạo như: quặng màu thiên nhiên, tơrepen... 4. Nhiên liệu Chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung, vì vậy phải lựa chọn nhiên liệu đảm bảo đáp ứng được nhu cầu luyện clinke. Nhiên liệu trong các nhà máy xi măng dùng được với hai mục đích: vận hành lò (đối với phương pháp khô là 83%, phương pháp ướt 96%) và sấy nguyên liệu (đối với phương pháp khô là 11%, phương pháp ướt là 1%). Trong công nghiệp sản xuất xi măng nhiên liệu được sử dụng ở ba dạng là rắn, lỏng và khí. Nhiên liệu rắn là nhiên liệu được dùng phổ biến nhất hiện nay ở nước ta mà chủ yếu là than. Than chứa khoảng 60 ÷ 90% là cacbon còn lại là hyđrô, ôxy, nitơ... có nhiệt lượng. Khi sử dụng than làm nhiên liệu thì cần phải sấy và nghiền nhỏ rồi phun vào lò (đối với lò quay) hoặc nghiền cùng phối liệu (đối với lò đứng). Nhiên liệu lỏng thường dùng các loại dầu nặng (FO, MFO, DO, mazut). Nhiên liệu khí: Là các loại khí thiên nhiên.

3.2.1.4. Thành phần hóa học của xi măng

Hình 3.1. Hình dạng và kích thước của clinke

Xi măng có thành phần chủ yếu là “clinke” chiếm tỉ lệ 95 ÷ 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4 ÷ 5%. Ngoài ra, khi thêm các chất phụ khác vào thành phần của xi măng Poolăng (xỉ lò cao, tro than, pouzzolan tự nhiên..., nhưng hàm lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 5%), thì những loại xi măng Pooclăng này được gọi là xi măng Pooclăng hỗn hợp. Hình ảnh bề ngoài và kích thước của clinke được thể hiện ở Hình 3.1. Sau khi nung, trong clinke có thành phần các khoáng vật thay đổi và bào gồm các khoáng vật chính như sau (theo khối lượng): Alit: 3CaO.SiO2 (C3S) chiếm 45 ÷ 65%; Belit: 2CaO.SiO2 (C2S) chiếm 20 ÷ 30%; Celit: 3Cao.Al2O3 (C3A) chiếm trên dưới 10%; Alumino-Ferit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) chiếm trên dưới 10%. Ngoài ra còn nhiều các khoáng vật khác như: 5CaO.3Al2O3, 2CaO.Fe2O3, CaO, MgO, SiO2, Fe2O3... các khoáng vật này chiếm khoảng 5 ÷ 15%. Alit (C3S) là thành phần quan trọng nhất của xi măng (là thành phần hoạt tính của xi măng), nó phát nhiệt thủy hóa lớn và tạo cường độ ban đầu phát triển nhanh; nó quyết định cường độ và một số tính chất khác của xi măng. Vậy nên, khi hàm lượng C 3S càng cao thì chất lượng xi măng càng tốt. Benlit (C2S) cũng là thành phần hoạt tính của xi măng. Nó làm cho xi măng phát triển cường độ dài ngày, rắn chắc chậm nhưng đạt cường độ cao ở tuổi muộn. Vậy nên, khi hàm lượng C2S càng cao thì cường độ của xi măng cao, nhưng tốc độ rắn chắc chậm; điều này ảnh hưởng đến tốc độ thi công. Celit (C3A) có tốc độ thủy hóa và rắn chắc nhanh nhưng cường độ không lớn; là loại khoáng dễ bị ăn mòn sunfat, nên trong xi măng bền sunfat phải khống chế hàm lượng C3A dưới 5%. Alumino-Ferit (C4AF) có tốc độ rắn chắc, cường độ, nhiệt thủy hóa và khả năng chống ăn mòn trung gian giữa alit và benlit. Các oxyt tự do chiếm khoảng 5 ÷ 15% trong thành phần clinke, gồm chủ yếu là các oxyt CaO, Al2O3, Fe2O3, MgO, K2O, Na2O. Các oxyt này thường ảnh hưởng có hại đến chất lượng của xi măng nên hàm lượng của chúng cần được khống chế ở mức thấp.

3.2.1.5. Công nghệ sản xuất xi măng a. Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý công nghệ quá trình sản xuất xi măng có thể chia thành ba giai đoạn, được thể hiện ở Hình 3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý các giai đoạn sản xuất xi măng Mục đích của giai đoạn phối liệu là tạo ra hỗn hợp (chủ yếu là đá vôi và đất sét) đồng nhất về thành phần hóa học, để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học xảy ra khi nung. Trong thực tế hiện nay đang dùng phổ biến 03 loại công nghệ sản xuất xi măng là: công nghệ xi măng phối liệu khô, công nghệ xi măng phối liệu ướt và công nghệ xi măng phối liệu hỗn hợp. Phương pháp khô có ưu điểm là đỡ tốn nguyên liệu, thiết bị đơn giản; nhưng có nhược điểm là trộn nguyên liệu khó đều, làm chất lượng xi măng không đồng đều và thường cho chất lượng xi măng không cao, quá trình nghiền thường tạo ra nhiều bụi. Phương pháp ướt có ưu điểm là không bụi, dễ nghiền và nguyên liệu được trộn dễ đều hơn về thành phần hóa học; tuy nhiên, lại có nhược điểm là tốt nhiên liệu vì nước trong phối liệu nhiều và nhất thiết phải nung bằng lò quay. Phương pháp hỗn hợp cho phép giảm tiêu tốn nhiên liệu khoảng 20 ÷ 30% so với phương pháp ướt. Thực chất của phương pháp này là bùn trước khi đưa vào lò nung được khử nước ở thiết bị đặc biệt; như vậy cũng phải tiêu tốn điện năng. Trong thực tế, tùy thuộc vào điều kiện mà chi tiết các công đoạn trong quá trình sản xuất xi măng được cụ thể hóa. Chi tiết quá trình sản xuất xi măng, có thể phân thành sáu giai đoạn chính bao gồm: 1. Giai đoạn 1: Tách chiết nguyên liệu thô Xi măng sử dụng các nguyên liệu thô gồm: canxi, silic, sắt và nhôm; những thành phần này có trong đá vôi, đất sét và cát. Thông thường các nhà máy sản xuất xi măng đều được đặt ở khu vực gần các núi đá vôi để tiết kiệm chi phí và giúp giảm một phần giá thành của xi măng. Nguyên liệu thô được tách chiết từ các núi đá vôi sau đó thông qua băng chuyền được vận chuyển đến các nhà máy. Ngoài ra còn có rất nhiều nguyên liệu thô khác được sử dụng trong quá trình sản xuất xi măng, ví dụ như đá phiến, tro bay, vảy thép cán và bôxit; những nguyên liệu thô này thường được mang lại từ nhiều nguồn khác nhau bởi vì lượng yêu cầu nhỏ. Trước khi vận chuyển đến nhà máy thì các khối đá lớn thường được nghiền nhỏ ra, làm cho kích thước của đá tương đương với kích thước của các viên sỏi. 2. Giai đoạn 2: Phân chia tỉ lệ, trộn lẫn và nghiền phối liệu Nguyên liệu thô từ quặng sẽ được chuyển đến phòng thí nghiệm của nhà máy; ở đây giữa đá vôi và đất sét sẽ được phân tích, phân chia tỉ lệ chính xác trước khi bắt đầu nghiền

(theo tỉ lệ thông thường thì 80% là đá vôi và 20% là đất sét); tiếp theo là quá trình nghiền hỗn hợp nhờ các con lăn quay và bàn xoay. Bàn xoay quay liên tục dưới con lăn và con lăn tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp; con lăn sẽ nghiền hỗn hợp thành bột. 3. Giai đoạn 3: Trước khi nung Sau khi được nghiền hoàn chỉnh, nguyên liệu được đưa vào buồng trước khi nung. Buồng này chứa một chuỗi các buồng xoáy trục đứng, nguyên liệu thô đi qua đây và vào trong lò nung. Buồng trước nung này tận dụng nhiệt tỏa ra từ lò (việc sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và khiến cho nhà máy thân thiện với môi trường hơn). 4. Giai đoạn 4: Trong lò Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình sản xuất xi măng. Hiện tại thường dùng là dạng lò quay. Lò quay có kích thước khá lớn và có thể xoay được. Lò nhận nhiệt từ bên ngoài nhờ khí tự nhiên hoặc than đá; trong lò nhiệt độ có thể lên tới 1.4500C. Nhiệt độ cao trong lò làm cho nguyên liệu nhão ra; chuỗi phản ứng hóa học giữa Ca và SiO2 tạo ra thành phần chính trong xi măng (CaSiO3). Khi nguyên liệu ở phần thấp nhất của lò nung thì nó sẽ kết khối và hình thành dạng viên cục nhỏ (clinke). 5. Giai đoạn 5: Làm mát và nghiền thành phẩm Sau khi ra khỏi lò, clinke sẽ được làm mát nhờ vào khí cưỡng bức; lượng nhiệt mà clinke tỏa ra sẽ được thu lại quay trở vào lò (giúp tiết kiệm được năng lượng). Tiếp đến là giai đoạn nghiền hoàn chỉnh bằng các viên bi sắt trong thiết bị nghiền. Sản phẩm của quá trình nghiền có dạng bột mịn, đó chính là xi măng. 6. Giai đoạn 6: Đóng bao và vận chuyển Sau khi nghiền thành bột, xi măng được đóng bao và sau đó chúng được phân phối tới các của hang, rồi đến tay người tiêu dùng. b. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng phương pháp khô Với công nghệ sản xuất xi măng phương pháp phối liệu khô, độ ẩm của hỗn hợp phối liệu là không đáng kể. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp phối liệu khô được thể hiện ở Hình 3.3.

Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp khô Đá vôi tại các mỏ được khai thác bằng phương pháp khoan, nổ mìn được ô tô trọng tải lớn vận chuyển về phễu cấp liệu cho máy đập. Các hạt vật liệu được phá huỷ, rồi đưa xuống thiết bị vận chuyển đi về kho để đồng nhất sơ bộ. Tại kho, đá vôi được đổ thành các đống, mỗi đống chứa khoảng 15.000 tấn. Đất sét sau khi được khai thác tại các mỏ, được xếp lên xe tải vận chuyển về máy đập đất sét (thường dùng là loại máy đập 2 trục ro to quay ngược chiều nhau nhờ 2 động cơ). Tại đây đất sét được đập sơ bộ rồi đưa đến máy cán sét. Tại đây đất sét tiếp tục được cán xé đến kích thước đạt yêu cầu (khoảng 25 mm) rồi vận chuyển về kho. Ở kho đất sét cũng được chia làm 2 đống như đá vôi để đồng nhất sơ bộ. Vật liệu sau khi được đồng nhất sơ bộ trong kho, được các gầu xúc xúc lên qua cân định lượng xuống băng tải đi vào máy nghiền (các nguyên liệu phụ bổ sung cũng được tháo từ két chứa xuống các băng tải cùng đi vào máy nghiền). Tại đây hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào ngăn sấy và được sấy khô ở nhiệt độ 280 - 350oC trước khi đi sang ngăn nghiền. Tại ngăn nghiền hỗn hợp vật liệu tiếp tục được đập và chà sát đến kích thước đạt yêu cầu (những hạt thô sẽ hồi lưu trở lại máy nghiền).

Hỗn hợp vật liệu với kích thước đạt yêu cầu (bột liệu) được đổ vào bộ phận chứa (Silô). Tại đây bột liệu được đồng nhất sơ bộ bằng khí nén trước khi cấp cho lò nung. Từ các Silô, bột liệu đưa vào lò nung theo chương trình cài đặt sẵn. Quá trình trao đổi nhiệt giữa bột liệu và dòng khí nóng trong lò có nhiệt độ cao nhất khoảng 1.400oC, qua nhiều phản ứng hóa học xảy ra, cuối cùng sẽ hình thành clinke xi măng. Sau khi ra lò, clinke có được ủ trong Silo trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó được nghiền mịn với kích thước hạt yêu cầu, rồi chuyển xuống Silo xi măng chuẩn bị công đoạn đóng bao. c. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng phương pháp ướt Với công nghệ sản xuất xi măng phương pháp phối liệu ướt, hỗn hợp được phối ở trạng thái bùn nhão với độ ẩm của hỗn hợp phối liệu thường lớn hơn 45%. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp phối liệu ướt được thể hiện ở Hình 3.4. Các bước công nghệ sản xuất xi măng phương pháp phối liệu ướt cũng diễn ra tương tự phương pháp phối liệu khô; chỉ khác ở công đoạn phối liệu và bắt buộc phải dùng lò nung dạng lò quay. Đất sét được trộn nước, khuấy đều thành huyền phù, đá vôi được đập nhỏ rồi cho vào nghiền chung với đất sét ở trạng thái lỏng (lượng nước chiếm tới 35 ÷ 40%) trong máy nghiền bi cho đến độ mịn đạt yêu cầu (lượng sót lại trên sàng N0 008 là 8 ÷ 10%), sau đó được chuyển sang bể bùn để kiểm tra, hiệu chỉnh lại thành phần trước khi cho vào lò nung. Phương pháp ướt thích hợp với nguyên liệu mềm và có độ ẩm lớn (đá phấn và đất sét); nhưng nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn nhiên liệu khi nung.

Hình 3.4. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp ướt

Trong việc chuẩn bị nguyên liệu cần chú ý đến độ nghiền mịn. Nguyên liệu càng được nghiền mịn thì phản ứng xảy ra nhanh và triệt để, nên chất lượng xi măng cao; tuy nhiên lại tốn công và nhiên liệu. d. Quá trình nung xi măng Tùy theo công nghệ, việc nung phối liệu để tạo clinke được thực hiện trên hai loại lò là: lò đứng và lò quay. Lò đứng: Thường dùng cho phương pháp phối liệu khô. Loại lò này tiết kiệm nhiên liệu nhưng khó đảm bảo chất lượng và chỉ nung được khối lượng nhỏ. Lò đứng có cấu tạo gần giống với lò nung vôi truyền thống, thích hợp cho sản xuất tại địa phương; song nhược điểm là nung chậm và chất lượng xi măng thấp và không đồng đều. Khi vào lò để nung, người ta phải đổ nguyên liệu đến độ cao đáy khu nung rồi gia nhiệt. Khi sử dụng nhiên liệu là than, thì trong lò sẽ bố trí một lớp quặng một lớp than; khi nung, cứ khoảng 40 đến 60 phút phải đánh tụt lò một lần để lấy clinke ra. Lò quay: Có bộ phận cơ bản là một ống trụ bằng thép đặt nghiêng khoảng 3 ÷ 40, bên trong được lót bằng vật liệu chịu lửa; chiều dài lò phụ thuộc công suất, thông thường có các cỡ: 95 - 185 - 230 m, đường kính 5 ÷ 7 m và có thể chia thành ba vùng cơ bản, được thể hiện ở Hình 3.5. 10000C 5-7m

KÕt khèi côc

1200 0 1400Nãng C chảy

100 3000C Vãn

1-2v/phót

i = 3 – 40

95 – 230m Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của lò quay Lò quay làm việc theo nguyên lý ngược dòng: Hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào từ phía đầu cao, còn khí dòng khí nóng được phun vào từ phía đầu thấp. Khi lò quay (vận tốc 1 ÷ 2 vòng/phút), phối liệu dịch chuyển dần xuống và lần lượt đi qua các vùng có nhiệt độ khác nhau. Tại mỗi vùng có nhiệt độ khác nhau đó, trong phối liệu sẽ xảy ra các quá trình biến đổi hóa lý tương ứng để cuối cùng hình thành clinke. e. Quá trình nghiền xi măng Clinke sau khi ra lò thường phải để trong kho khoảng một đến hai tuần rồi mới đem nghiền. Clinke cùng với phụ gia (vật liệu nghiền) được nghiền thành bột mịn trong máy nghiền bi hình trống, làm việc theo chu trình hở hoặc chu trình kín. Chu trình hở, vật liệu nghiền được nạp liên tục, đi qua buồng nghiền thô, sang buồng nghiền mịn rồi ra khỏi máy nghiền và chuyển vào các xilo chứa.

Hình 3.6. Sơ đồ nghiền clinke với phụ gia theo chu trình kín a. Với hai máy nghiền: 1. Máy nghiền thô; 2. Gầu nâng; 3. Thiết bị phân loại li tâm; 4. Máy nghiền mịn b. Với một máy nghiền: 1. Gầu nâng; 2. Thiết bị phân loại; 3. Máy nghiền; 4. Hạt thô; 5. Xi măng Chu trình kín, có các thiết bị nghiền và thiết bị phân loại li tâm để tách những hạt lớn đưa đi nghiền lại (Hình 3.6). Chu trình nghiền kín thường có hiệu quả cao và đạt được độ mịn của xi măng lớn hơn, cho nên được sử dụng phổ biến hơn. Xi măng sau khi nghiền có nhiệt độ 80 ÷ 1200C được vận chuyển bằng khí nén lên xilo. Xilo là những bể chứa bằng bê tông cốt thép có đường kính từ 8 ÷ 15 m, chiều cao từ 25 ÷ 30 m, có thể chứa được 4.000 ÷ 10.000 tấn xi măng. Trong thực tế còn sử dụng phương pháp nghiền ướt; phương pháp này có hiệu quả cao, không tạo bụi nhưng xi măng sau khi nghiền phải được sử dụng ngay.

3.2.1.6. Các yếu tố sản xuất ảnh hưởng đến chất lượng xi măng Chất lượng nguyên liệu: Các nguyên liệu đầu vào để sản xuất xi măng là đá vôi giàu CaCO3, đất sét, quặng sắt (nếu cần) và thạch cao. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến các công đoạn sản xuất của xi măng thông qua thành phần hóa học của khoáng vật và công nghệ xử lý tạp chất, điều trộn nguyên liệu. Chất lượng nung kết: Clinke được tạo ra chủ yếu bằng dạng lò đứng và lò quay. Chất lượng sản phẩm của 2 lò này là khác nhau khi cho cùng 1 nguyên liệu tương đồng do thời gian, tác động, phối hợp giữa các giai đoạn nung là khác nhau. Chất lượng nghiền: Clinke khi ra khỏi lò là các cục nhỏ có đường kính 10 ÷ 40 mm, chúng được nghiền đến độ mịn yêu cầu. Khi các hạt có kích cỡ càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn làm tăng sự tiếp xúc, đẩy nhanh và triệt để phản ứng thủy hóa.

Chất lượng phụ gia: Sự khác nhau giữa các loại xi măng phụ thuộc lớn vào thành phần phụ gia, công thức điều trộn. Tùy vào mục đích sử dụng mà người ta cho các phụ gia khác nhau để tạo ra các loại xi măng.

3.2.1.7. Một số tiêu chuẩn dùng trong công nghiệp sản xuất xi măng Cùng đồng hành với các tiêu chuẩn chung của quốc tế, ở Việt Nam đã xây dựng hệ thống tiêu chuẩn phục vụ việc sản xuất và sử dụng xi măng như: TCVN 2682 - 1999: Xi măng Portland; TCVN 5691 - 1992: Xi măng Portland trắng; TCVN 6067 - 1995: Xi măng Portland bền sunfat; TCVN 6069 - 2007: Xi măng Portland ít tỏa nhiệt; TCVN 6260 - 2009: Xi măng Portland hỗn hợp.

3.2.2. Tính chất cơ bản của xi măng 3.2.2.1. Độ mịn Độ mịn (độ nhỏ hạt) là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng đánh giá mức độ nghiền nhỏ của xi măng. Độ mịn của xi măng được xác định theo tiêu chuẩn: ở Việt Nam, dụng cụ và trình tự thí nghiệm được quy định theo TCVN 4030: 2003 - Xi măng - Phương pháp xác định độ mịn (Cement - Test method for determination of fineness). Theo TCVN 4030 - 2003, độ mịn của xi măng được xác định bằng cách dùng sàng có kích thước lỗ 0,2 mm và 0,09 mm. Yêu cầu: 100% lọt qua sàng 0,2 mm và không nhỏ hơn 90% lọt qua sàng 0,09 mm (95% với XMP đóng rắn nhanh). Ngoài ra, có thể dùng “diện tích bề mặt riêng” (tỉ diện) để đánh giá độ mịn của xi măng. Tỉ diện của xi măng là tổng diện tích bề mặt các hạt xi măng có trong một đơn vị khối lượng xi măng. Với xi măng Pooclăng thông thường có tỉ diện nằm trong khoảng 2.500 ÷ 3.000 cm2/g. Dựa vào độ mịn ta có thể sơ bộ đánh giá chất lượng xi măng: nếu xi măng có độ mịn lớn thì mức độ và tốc độ thủy hóa càng cao, xi măng sẽ có cường độ lớn. Tuy nhiên, để đạt được độ mịn cao thì công nghệ nghiền phải cao (tốn kinh phí); đồng thời, cùng với tỉ diện cao, lượng nước yêu cầu trong quá trình nhào trộn sẽ lớn; nếu không có biện pháp tốt, nước bay hơi sẽ để lại nhiều lỗ rỗng làm giảm cường độ xi măng. Ngược lại, nếu độ mịn quá bé (dưới 85%) thì mức độ thủy hóa của xi măng sẽ kém, làm giảm cường độ xi măng.

3.2.2.2. Khối lượng riêng Khối lượng riêng của xi măng là khối lượng của một đơn vị thể tích xi măng ở trạng thái hoàn toàn đặc sau khi đã được sấy khô đến khối lượng không đổi. Để xác định khối lượng riêng của xi măng ta dùng phương pháp “vật liệu chiếm chỗ chất lỏng”. Cụ thể: thả xi măng vào bình tỉ trọng chứa dầu hỏa, khi đó thể tích dầu dâng lên

chính là thể tích đặc của xi măng. Dụng cụ và trình tự thí nghiệm được quy định theo TCVN 4030:2003 (phụ lục A). Xi măng thường có khối lượng riêng trong khoảng 3,05 g/cm3 đến 3,15 g/cm3. Trị số này thay đổi phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và nhiệt độ nung: Nếu nhiệt độ nung cao thì xi măng sẽ có khối lượng riêng lớn và ngược lại. Xi măng có khối lượng riêng lớn sẽ có tác dụng lớn trong việc ngăn các tia bức xạ, phóng xạ; đây là cơ sở để lựa chọn loại xi măng sử dụng. Đồng thời, khối lượng riêng là thông số rất cần thiết khi tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp bê tông, vữa và nhiều liên quan khác.

3.2.2.3. Khối lượng thể tích xốp Khối lượng thể tích xốp của xi măng là khối lượng của một đơn vị thể tích xi măng được đổ đống ở trạng thái tự nhiên. Để xác định khối lượng thể tích xốp của xi măng ta dùng phương pháp “đổ đống” bằng dụng cụ phễu tiêu chuẩn với độ cao đổ là 10 cm. Khối lượng thể tích xốp của xi măng phụ thuộc vào độ mịn và mức độ lèn chặt của xi măng: Nếu xi măng được nghiền càng mịn thì khối lượng thể tích xốp càng nhỏ và ngược lại; tuy nhiên khối lượng thể tích xốp cũng phụ thuộc vào mức độ lèn chặt. Tùy thuộc vào độ mịn và mức độ lèn chặt, khối lượng thể tích xốp của xi măng biến động trong khoảng 0,9 g/cm3 đến 1,6 g/cm3. Khối lượng thể tích xốp là thông số rất cần thiết khi tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp bê tông, vữa và nhiều liên quan khác.

3.2.2.4. Lượng nước tiêu chuẩn Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng là lượng nước (được tính theo tỉ lệ phần trăm khối lượng nước và khối lượng xi măng) cần thiết dùng để trộn với xi măng để hồ xi măng đạt được độ dẻo tiêu chuẩn. Độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng được đánh giá bằng độ lún sâu của kim tiêu chuẩn (kim Vica đường kính 10 mm) vào hồ xi măng (thả kim tự rơi tự do từ mặt hồ xi măng) khoảng 33 ÷ 35 mm (đầu kim cách tấm đáy 5 ÷ 7 mm). Dụng cụ và trình tự thí nghiệm được quy định theo TCVN 6017 - 1995. Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng được xác định bằng phương pháp thử dần bằng dụng cụ thí nghiệm Vica. Sơ đồ dụng cụ thí nghiệm Vica được thể hiện ở Hình 3.7. Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và độ mịn của xi măng. Đối với xi măng thường, lượng nước tiêu chuẩn là khoảng 22 ÷ 28%; khi xi măng có phụ gia vô cơ hoạt tính thì lượng nước tiêu chuẩn sẽ là 32 ÷ 37%. Nếu hàm lượng C3A tăng thì lượng nước tiêu chuẩn tăng và ngược lại; nếu hàm lượng C2S tăng thì lượng

nước tiêu chuẩn giảm và ngược lại. Ngoài ra lượng nước tiêu chuẩn của xi măng còn phụ thuộc vào loại và lượng phụ gia sử dụng; nếu dùng phụ gia tăng dẻo thì lượng nước cần sẽ giảm mạnh.

Hình 3.7. Sơ đồ dụng cụ thí nghiệm Vica 1. Thanh chạy; 2. Lỗ trượt; 3. Vít điều chỉnh; 4. Kim chỉ vạch; 5. Thước chia độ; 6. Kim vica; 7. Khâu Vica; 8. Bàn để dụng cụ Vica Lượng nước tiêu chuẩn không phải là một chỉ tiêu đánh giá chất lượng của xi măng, nhưng sử dụng nó để xác định các chỉ tiêu khác như: thời gian ninh kết, độ ổn định thể tích, cường độ xi măng theo phương pháp nhanh...

3.2.2.5. Thời gian ninh kết Sau khi trộn xi măng với nước, hồ xi măng (hỗn hợp xi măng và nước) sẽ mất dần tính dẻo và ngày càng đặc sệt lại, nhưng chưa có khả năng chịu lực; quá trình này được gọi là quá trình ninh kết (ngưng kết, đông kết); thời gian diễn ra quá trình này được gọi là thời gian ninh kết. Thời gian ninh kết được chia thành hai loại: thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết. Thời gian bắt đầu ninh kết là khoảng thời gian (thường tính bằng phút) kể từ khi nhào trộn xi măng với nước cho đến khi hồ xi măng bắt đầu mất dần tính dẻo; thời gian này ứng với lúc kim Vica có đường kính 1 mm cắm sâu khoảng 35 ÷ 37 mm (đầu kim cách tấm đáy 3 ÷ 5 mm) Thời gian kết thúc ninh kết là khoảng thời gian kể từ khi nhào trộn xi măng với nước đến khi hồ xi măng hình thành các tinh thể, hồ cứng lại và bắt đầu có cường độ; thời gian này ứng với lúc kim Vica có đường kính 1 mm cắm sâu vào hồ xi măng một đoạn 0,5 mm (hoặc kim Vica đường kính 5 mm không để lại vết trên mặt hồ mẫu thí nghiệm).

Để xác định thời gian ninh kết cũng dùng dụng cụ thí nghiệm Vica, được thể hiện ở Hình 3.7, nhưng kim Vica được thay bằng đường kính 1 mm hoặc 5 mm. Cụ thể về dụng cụ và trình tự thí nghiệm được quy định theo TCVN 6017 - 1995. Thời gian ninh kết của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và độ mịn của xi măng; đồng thời, cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường: nếu hàm lượng C3A, C3S nhiều thì thời gian ninh kết giảm (vì tốc độ thủy hóa của xi măng tăng nhanh); nếu hàm lượng C2S nhiều thì thời gian ninh kết kéo dài (vì tốc độ thủy hóa của C2S chậm). Độ mịn của xi măng tăng thì thời gian ninh kết giảm, vì khi đó tốc độ thủy hóa của xi măng tăng nhanh. Khi nhiệt độ môi trường tăng, hoặc độ ẩm của môi trường giảm thì thời gian ninh kết của xi măng cũng giảm. Ngoài ra thời gian ninh kết của xi măng còn phụ thuộc vào việc dùng phụ gia. Thời gian ninh kết của xi măng là một chỉ tiêu quan trọng, nó giúp cho việc sắp xếp thời gian thi công hợp lý. Nếu xi măng ninh kết quá sớm, sẽ không đảm bảo thời gian thi công; ngược lại, nếu ninh kết quá chậm thì sau thi công sẽ phải chờ đợi thời gian dài mới được phép tháo ván khuôn hoặc thi công các hạng mục tiếp theo... điều này sẽ làm giảm tốc độ thi công, giảm hiệu xuất sử dụng ván khuôn... Do đó, tiêu chuẩn quy định, đối với xi măng bình thường, yêu cầu thời gian bắt đầu ninh kết phải không nhỏ hơn 45 phút và thời gian kết thúc ninh kết không quá 375 phút (6 tiếng 15 phút).

3.2.2.6. Cường độ và mác XMP Cường độ xi măng (RX) là khả năng lớn nhất của đá xi măng chống lại sự phá hoại gây ra dưới tác dụng của tải trọng. Cường độ tiêu chuẩn của xi măng (RXtc) là cường độ của đá xi măng khi mẫu có hình dáng kích thước tiêu chuẩn, được chế tạo và bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày: Hình dáng, kích thước mẫu: Mẫu hình dầm, kích thước 4×4×16 cm. Chế tạo: Xi măng, cát tiêu chuẩn, khuôn thép, đúc bằng máy giằn. Dưỡng hộ: 1 ngày trong khuôn ở môi trường không khí có nhiệt độ 27 ± 10C, độ ẩm không nhỏ hơn 90%; 27 ngày sau trong nước ở nhiệt độ 27 ± 10C. Cường độ xi măng được xác định theo quy định của tiêu chuẩn; tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành là TCVN 6016 - 2011: Xi măng - Phương pháp thử - Xác định độ bền: Dùng cát tiêu chuẩn: hàm lượng SiO2 lớn hơn 96%, đường kính hạt nằm trong khoảng 0,14 ÷ 2 mm, hàm lượng sét nhỏ hơn 1%. Trộn hỗn hợp vữa xi măng cát theo tỉ lệ: X:C = 1:3, tỉ lệ N:X = 0,5. Lượng vật liệu cho một mẻ trộn: Xi măng 450 ± 2 g; Cát 1.350 ± 5 g; Nước 225 ± 1 g.

Dưỡng hộ mẫu 1 ngày trong khuôn ở môi trường không khí có nhiệt độ 27 ± 10C, độ ẩm không nhỏ hơn 90%; 27 ngày sau tháo khuôn và ngâm trong nước ở nhiệt độ 27 ± 10C; Kiểm tra cường độ chịu uốn trước, cường độ chịu nén sau. Mẫu được đặt trên hai gối tựa của máy thí nghiệm có sơ đồ như Hình 3.8.

Hình 3.8. Sơ đồ uốn mẫu Cường độ chịu uốn tiêu chuẩn (Rutc) của xi măng là cường độ chịu uốn trung bình của 3 mẫu thí nghiệm (Ru1, Ru2 và Ru3), xác định theo công thức (3-1).

Rutc 

Ru1  Ru 2  Ru 3 3

(3-1)

Sau khi uốn gãy các mẫu, lấy các nửa mẫu đem thử cường độ chịu nén như sơ đồ thể hiện ở Hình 3.9.

Hình 3.9. Sơ đồ nén mẫu sau khi uốn Cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm, xác định theo công thức (3-2).

Rn  98

P F

(3-2)

Cường độ chịu nén tiêu chuẩn của xi măng là cường độ chịu nén trung bình của 6 mẫu thí nghiệm, xác định theo công thức (3-3).

Rntc 

Rn1  Rn 2  ...  Ru 6 6

(3-3)

Mác xi măng là đại lượng không thứ nguyên do nhà nước quy định dựa vào cường độ tiêu chuẩn của xi măng. Theo tiêu chuẩn TCVN 6016 - 2011, mác của xi măng được xác định theo cường độ chịu uốn và chịu nén của mẫu thử chế tạo từ hỗn hợp xi măng - cát với tỷ lệ 1:3, kích thước 4x4x16 cm, tỷ lệ nước xác định bằng bàn dằn, 28 ngày tuổi đóng rắn trong điều kiện tiêu chuẩn. Theo cường độ chịu uốn và chịu nén, xi măng Việt Nam được chia ra các loại mác: PC30, PC40 và PC50; trong đó, PC là ký hiệu cho xi măng Pooclăng (Portland cement); các trị số: 30, 40 và 50 là giới hạn bền bén tương ứng ở tuổi 28 ngày tính bằng N/mm2. Cường độ xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có các yếu tố cơ bản: Thời gian, thành phần khoáng, độ mịn, độ ẩm và nhiệt độ môi trường, lượng nước nhào trộn hay tỉ lệ nước/xi măng, điều kiện rắn chắc. Thời gian: Tốc độ phát triển trung bình của cường độ của đá xi măng không đều và tuân theo quy luật logarit: Sau 3 ngày: đạt 40 ÷ 50% mác xi măng; sau 7 ngày: đạt 60 ÷ 70% mác xi măng; sau 28 ngày: đạt 100% mác xi măng. Sau 28 ngày, trong những điều kiện thuận lợi cường độ đá xi măng sẽ tiếp tục tăng chậm trong thời gian đến hàng năm và có thể lớn gấp 2 ÷ 3 lần cường độ 28 ngày. Thành phần khoáng của clinke: Tốc độ phát triển cường độ của các loại khoáng trong clinke rất khác nhau. Khoáng C3S có tốc độ đóng rắn lớn nhất, sau 7 ngày có thể đạt tới 70% mác xi măng, sau đó tốc độ đóng rắn sẽ chậm lại. Trong khi đó, khoáng C2S có tốc độ đóng rắn nhỏ trong giai đoạn đầu (chỉ đạt khoảng 15% tốc độ của C 3S), nhưng sau đó cường độ lại tăng nhanh, có thể đuổi kịp và vượt tốc độ đóng rắn của C3S. Độ mịn: Độ lớn trung bình của hạt xi măng là 40 µ, sau 6 ÷ 12 tháng đóng rắn chiều dày của lớp xi măng được thủy hóa không lớn hơn 10 ÷ 15 µ, như vậy sẽ còn lại khoảng 30 ÷ 40% clinke không tham gia vào quá trình thủy hóa và đóng rắn để hình thành cấu trúc đá xi măng. Vì vậy, độ mịn tăng làm cho mức độ thủy hóa tăng và cường độ của đá xi măng tăng lên. Khi độ mịn tăng thêm 1.000 cm2/g thì cường độ tăng thêm 20 ÷ 25%. Lượng nước nhào trộn (tỉ lệ nước/xi măng): Khi lượng nước nhào trộn vừa đủ (tỉ lệ N/X hợp lý) thì quá trình thủy hóa sẽ xảy ra hoàn toàn, làm cường độ xi măng tăng. Nếu lượng nước nhào trộn quá lớn (tỉ lệ N/X lớn), trong quá trình nước tự do sẽ bay hơi và để lại lỗ rỗng trong đá xi măng, vì vậy cường độ của đá xi măng sẽ thấp. Nếu lượng nước nhào trộn quá nhỏ (tỉ lệ N/X nhỏ), quá trình thủy hóa sẽ xảy ra không hoàn toàn, nên cường độ của đá xi măng sẽ giảm.

Điều kiện nhiệt độ và độ ẩm: Nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến quá trình rắn chắc của đá xi măng, vì giai đoạn đầu của quá trình đóng rắn là quá trình thủy hóa của clinke. Độ ẩm và nhiệt độ môi trường tăng sẽ thúc đẩy quá trình thủy hóa, làm cho tốc độ đóng rắn cũng tăng lên. Ở nhiệt độ dưới 00C, phản ứng thủy hóa (phản ứng khi xi măng tiếp xúc với nước) sẽ dừng lại; ở nhiệt độ khoảng 5 ÷ 150C, quá trình thủy hóa xảy ra chậm; ở nhiệt độ từ 20 ÷ 250C, quá trình thủy hóa xảy ra bình thường; ở nhiệt độ từ 175 ÷ 2000C và điều kiện bão hòa hơi nước (môi trường octocla), tốc độ của quá trình thủy hóa rất nhanh (sau 4 giờ có thể đạt tới cường độ 28 ngày). Thời gian bảo quản xi măng: Mặc dù có thể được bảo quản trong điều kiện tốt nhưng cường độ của xi măng vẫn bị giảm theo thời gian, cụ thể: Sau 3 tháng cường độ có thể giảm 15 ÷20%; sau 1 năm cường độ có thể giảm 30 ÷ 40%. Độ mịn càng lớn thì mức độ giảm cường độ theo thời gian càng mạnh.

3.2.2.7. Nhiệt thủy hóa của xi măng Trong quá trình đóng rắn của hồ xi măng, các thành phần khoáng tương tác với nước để sinh ra các sản phẩm mới; đây thường là các phản ứng tỏa nhiệt. Hiện tượng tỏa nhiệt thường diễn ra mạnh tổng thời gian đầu, sau đó chậm dần và kết thúc khi phản ứng thủy hóa kết thúc. Nhiệt thủy hóa là lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình ninh kết (đóng rắn) của một đơn vị khối lượng xi măng. Tổng lượng nhiệt phát ra khi đóng rắn lớn hay nhỏ phụ thuộc vào loại xi măng (thành phần khoáng vật, độ mịn của xi măng, hàm lượng thạch cao…); được thể hiện ở Bảng 3.1. Bảng 3.1. Lượng nhiệt phát ra sau khi thủy hóa các thành phần khoáng vật Lƣợng nhiệt tỏa ra sau thời gian, Cal/g

Loại khoáng vật 3 ngày

7 ngày

28 ngày

3 tháng

6 tháng

3CaO.SiO2 - C3S

110

116

124

135

2CaO.SiO2 - C2S

3CaO.Al2O3 - C3A

141

158

209

222

244

4CaO.Al2O3.Fe2O3 - C4AF

Nhiệt lượng phát ra có lợi khi thi công vào mùa lạnh, nó có tác dụng tăng nhanh quá trình đóng rắn. Khi thi công về mùa nóng, nhiệt lượng phát ra thường có hại, đặc biệt là đối với các cấu kiện khối lớn (nhiệt độ có thể đạt tới 400C), lượng nhiệt phát ra lớn sẽ tạo nên nội ứng suất, gây ra các vết nứt bên trong và trên bề mặt khối bê tông. Vì vậy, để giảm nhiệt cho các công trình đổ bê tông khối lớn, ngoài ác biện pháp phân đoạn thi công và tỏa nhiệt thường dùng, cần chú ý lựa chọn loại xi măng tỏa nhiệt ít.

100

3.2.2.8. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của xi măng Theo TCVN 2682 - 2009 và TCVN 6260 - 2009, các yêu cầu kỹ thuật của xi măng Pooclăng được ghi ở Bảng 3.2. Bảng 3.2. Yêu cầu kỹ thuật của xi măng Pooclăng Mác TT

Chỉ tiêu kỹ thuật PC30

PC40

PC50

- Sau 3 ngày ± 45 phút

≥ 16

≥ 21

≥ 25

- Sau 28 ngày ± 8 giờ

≥ 30

≥ 40

≥ 50

Giới hạn bền nén, MPa 1

Thời gian đông kết, phút 2

- Bắt đầu

≥ 45

- Kết thúc

≤ 375

Độ nghiền mịn, xác định theo: 3

- Phần còn lại trên sàng lỗ 0,09 mm, % - Bề mặt riêng, phương pháp Blaine, cm2/g

≤ 10 ≥ 2800

Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le Chatelier, mm

≤ 10

Hàm lượng andydric sunphuric (SO3), %

≤ 3,5

Hàm lượng magie oxit (MgO), %

≤ 5,0

Hàm lượng mất khi nung (MKN), %

≤ 3,0

Hàm lượng cặn không tan (CKT), %

≤ 1,5

Hàm lượng kiềm quy đổi1) (Na2Oqđ)2), %

≤ 0,6

Quy định đối với xi măng Pooclăng khi sử dụng với cốt liệu có khả năng xảy ra phản ứng kiềm - silic; 2)

Hàm lượng kiềm quy đổi (Na2Oqđ) tính theo công thức: % Na2Oqđ = % Na2O + 0,658% K2O.

3.2.3. Kỹ thuật bảo quản - sử dụng xi măng Việc bảo quản và sử dụng xi măng phải được tuân theo quy định của từng theo Tiêu chuẩn: TCVN 9035 - 2011 - Hướng dẫn sử dụng xi măng.

101

Xi măng bao trong quá trình lưu kho chưa đưa vào sử dụng phải được bảo quản trong môi trường khô thoáng, không để bị hút ẩm bởi không khí. Không xếp trực tiếp các bao xi măng xuống nền kho. Xi măng bao lưu kho được chất trên palet, không chất cao quá 10 bao. Không xếp chồng các palet lên nhau, xếp cách tường và nền 20 cm và xếp riêng theo từng lô để tiện theo dõi quá trình xuất hàng. Đồng thời tuân thủ theo nguyên tắc: “Lô nào nhập trước thì dùng trước”. Ngày sản xuất được in trên mỗi vỏ bao. Sau 60 ngày (2 tháng) chưa đưa vào sử dụng chất lượng xi măng sẽ bị giảm đáng kể (10 ÷15%). Trong quá trình lưu kho thường xuyên đảo các bao xi măng xếp ở dưới lên trên và ở trên xuống dưới để tránh tình trạng bao xi măng bị đè nặng lâu ngày sẽ đóng cục. Kho chứa xi măng phải bảo đảm khô, sạch, thông thoáng có mái che và tường bao chắc chắn, có lối ra vào, đường đi cho xe nâng hoạt động dễ dàng. Xi măng bao vận chuyển trên các phương tiện ô tô, sà lan, ghe… phải được che đậy và không chở chung với các hóa chất có ảnh hưởng đến chất luợng xi măng. Lưu ý: Xi măng có cường độ mịn càng cao thì càng dễ vón cục, người ta thường gọi là “chết gió”, nên việc bảo quản càng phải được tuân thủ nghiêm ngặt.

3.2.4. Một số loại xi măng đặc biệt Xi măng đặc biệt là loại có các tính chất đặc biệt, được sản xuất bằng các phương pháp cơ bản như: Điều chỉnh thành phần khoáng và cấu trúc của clinke; sử dụng các chất phụ gia vô cơ và hữu cơ; điều chỉnh độ mịn và thành phần hạt của xi măng.

3.2.4.1. Xi măng Pooclăng rắn nhanh Xi măng Pooclăng rắn nhanh là loại xi măng có hàm lượng C3S và C3A cao (không nhỏ hơn 60 ÷ 65%) và có độ mịn lớn (tỷ diện đạt đến 3.500 ÷ 4.000 cm2/g). Xi măng Pooclăng rắn nhanh được dùng để chế tạo các cấu kiện bê tông cốt thép lắp ghép; không dùng cho cấu kiện lớn, hoặc trong môi trường ăn mòn sunfat (môi trường biển nước biển, nước thải, nước có chứa hóa chất công nghiệp…). Ở Việt Nam, xi măng Pooclăng rắn nhanh được sản xuất và quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 9488:2012 Xi măng đóng rắn nhanh (Rapid hardening hydraulic cement).

3.2.4.2. Xi măng Pooclăng bền sun phát Xi măng Pooclăng bền sun phát là loại xi măng được sản xuất như xi măng thường, nhưng với thành phần khoáng vật được quy định chặt chẽ hơn, đặc biệt là hạn chế thành phần khoáng C3A (hàm lượng khoáng này phải không lớn hơn 5%). Xi măng Pooclăng bền sun phát dùng để chế tạo bê tông dùng trong môi trường có muối sun phát (môi trường biển nước biển, nước thải, nước có chứa hóa chất công nghiệp...). Xi măng Pooclăng bền sun phát được sản xuất và quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 6067:2004 Xi măng Pooclăng bền sun phát (Sulphate resisting portland cement).

102

3.2.4.3. Xi măng Pooclăng có phụ gia Phụ gia dùng cho xi măng Pooclăng có thể được chia thành 2 loại: phụ gia hữu cơ và phụ gia vô cơ. Phụ gia hữu cơ là loại phụ gia hoạt động bề mặt. Xi măng Pooclăng có phụ gia hữu cơ có tác dụng tăng độ dẻo cho hỗn hợp vữa, hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn; dẫn đến có thể giảm lượng dùng xi măng khoảng 10 ÷ 12%; tăng độ đặc và khả năng chống thấm cho bê tông. Phụ gia vô cơ hoạt tính thường là loại khoáng chứa nhiều SiO2 hoạt tính như Puzolan và xỉ lò cao. Khi nhào trộn phụ gia vô cơ hoạt tính với xi măng rắn trong không khí, sẽ tạo ra hồ xi măng có thể đóng rắn trong không khí và cả ở trong nước. Việc dùng phụ gia thường phải được quy định theo tiêu chuẩn; một số tiêu chuẩn Việt Nam quy định khi dùng phụ gia cho xi măng như: TCVN 8825 - 2011 - Phụ gia khoáng cho bê tông đầm lăn; TCVN 8826 - 2011 - Phụ gia hóa học; TCVN 8827 - 2011 Phụ gia khoáng; TCVN 8878 - 2011 - Phụ gia công nghệ cho sản xuất xi măng (Specification for processing additions for use in the manufacture of hydraulic cements).

3.2.4.4. Xi măng Pooclăng trắng và màu Xi măng trắng được sản xuất từ đá vôi và đất sét sạch (không có oxyt sắt và oxyt mangan), nung bằng nguyên liệu không tro (khí đốt) và nghiền không lẫn bụi sắt; được sản xuất và quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 5691:2000 Xi măng Pooclăng trắng (White portland cement). Xi măng màu được sản xuất bằng cách nghiền clinke xi măng trắng lẫn với bột màu theo tỷ lệ cần thiết. Xi măng màu được sản xuất và quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN 4787: 2009 Xi măng - Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử (Methods od testing cement - Part 7: Methods of talking and preparing samples of cement).

3.3. Vôi 3.3.1. Khái niệm chung về vôi 3.3.1.1. Khái niệm Vôi (vôi xây dựng, vôi không khí, vôi canxi) là chất kết dính vô cơ đóng rắn trong không khí, có thành phần chủ yếu là oxyt canxi CaO; được tạo ra từ việc nung đá vôi (CaCO3) ở nhiệt độ cao phù hợp để tạo ra CaO. Vôi là loại vật liệu chất kết dính cổ điển, sử dụng khá phổ biến trong xây dựng với ưu điểm cơ bản là: dễ sản xuất, dễ sử dụng và giá thành thấp. Để sử dụng trong xây dựng, ta thường cho vôi tác dụng với nước để tạo ra Ca(OH)2 và khi khô cứng lại trở về CaCO3.

103

3.3.1.2. Nguyên liệu sản xuất Nguyên liệu để sản xuất vôi canxi là các loại đá giàu khoáng canxit (CaCO3), hàm lượng sét (Al2O3, Fe2O3, SiO2) không lớn hơn 6% như đá phấn, đá vôi, đá vôi - đôlômit, đá vôi vỏ sò… đảm bảo được yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 22-31-89. Vôi canxi được nung trong các lò đứng, lò quay hoặc lò đặc biệt (lò nung tầng sôi). Trong quá trình nung vôi xảy ra các phản ứng hóa học như sau:

3.3.1.3. Quá trình sản xuất và sử dụng - Quá trình sản xuất vôi (quá trình nung vôi): Vôi có thể được nung trong các lò đứng, lò quay hoặc lò đặc biệt; thực chất của quá trình nung vôi là thực hiện phản ứng khử CO2 trong đá vôi, diễn ra theo phương trình phản ứng hóa học sau:

CaCO3

CaO + CO2

Nếu trong đá có lẫn MgCO3 thì:

MgCO3

MgO + CO2

Phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra ở 6000C. Ở nhiệt độ 9000C sẽ cho chất lượng vôi tốt nhất, cấu trúc hợp lý nhất. Sau khi đá chuyển thành vôi thì thể tích giảm 10%, nhưng khối lượng giảm tới 44% nên vôi rất xốp. Phản ứng nung vôi là phản ứng bề mặt, nếu nung đá vôi ở nhiệt độ 9000C thì các lớp bên trong không đủ chín sẽ tạo thành vôi non lửa. Vì vậy, để khắc phục hiện tượng này thì cần phải giảm khối lượng viên đá nguyên liêu hoặc tăng nhiệt độ nung lên đến khoảng từ 900 ÷ 1.2000C. Ở nhiệt độ quá cao thì CaO sẽ tác dụng với tạp chất sét, tạo màng keo silic và aluminat canxi cứng bọc lấy hạt vôi, làm vôi khó thủy hóa và được gọi là vôi già lửa. Các hạt vôi non lửa và già lửa được gọi chung là các hạt sượng, chúng làm cho vôi kém dẻo. - Quá trình tôi vôi: Quá trình tôi vôi là quá trình vôi tiếp xúc với nước. Thành phần chủ yếu của vôi tôi là hydroxitcanxi Ca(OH)2 được tạo ra trong quá trình tôi vôi, diễn ra theo phương trình phản ứng hóa học sau:

104

CaO + H2O → Ca(OH)2 + t0 - Quá trình đóng rắn của vôi tôi: Sau khi vôi tôi tiếp xúc với không khí sẽ xảy ra quá trình cacbonat hóa; quá trình đóng rắn (hóa đá) của vôi tôi là quá trình Ca(OH)2 tiếp xúc với CO2 trong không khí để hóa đá và giải phóng ra nước; diễn ra theo phương trình phản ứng hóa học sau: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

3.3.2. Phân loại vôi trong xây dựng 3.3.2.1. Phân loại theo thành phần và cách chế tạo Theo thành phần và cách chế tạo có thể chia vôi thành 3 loại cơ bản là: vôi cục, vôi bột và vôi tôi. 1) Vôi cục là loại vôi mới ra lò, còn ở dạng nguyên cục, chưa tiếp xúc với nước, có thành phần hóa học chủ yếu là CaO. 2) Vôi bột là loại vôi ở dạng bột; bao gồm vôi nghiền và vôi bột chín: Vôi bột sống (bột vôi sống) là loại vôi được được tạo ra từ việc nghiền mịn vôi cục ở trạng thái khô với yêu cầu cơ bản: Thành phần 100% là CaO và hàm lượng hạt lọt qua sàng 0,08 mm phải lớn hơn 90%. Do đặc tính hút ẩm rất mạnh, vôi bột sống ngay sau khi nghiền phải được đóng thành bao, yêu cầu trong bảo quản và sử dụng giống như xi măng. Vôi bột chín (vôi hydrat - vôi ngậm nước) là loại vôi có thành phần hóa học chủ yếu là Ca(OH)2 (chiếm xấp xỉ 100%). Vôi bột chín được tạo ra khi vôi cục để ngoài không khí hút ẩm. 3) Vôi tôi là vôi canxi được tôi với một lượng nước cần thiết. Vôi tôi được chia thành 2 loại: vôi nhuyễn và vôi sữa. Vôi nhuyễn (dân gian thường gọi là vôi tôi) là loại vôi được tạo ra khi vôi cục tiếp xúc với nước. Trong vôi nhuyễn, hàm lượng Ca(OH)2 chiếm khoảng 50% và H2O chiếm khoảng 50%. Vôi sữa (có thể gọi là nước vôi hay vôi nước) là loại dung dịch vôi có hàm lượng Ca(OH)2 chiếm nhỏ hơn 50% và hàm lượng H2O chiếm lơn hơn 50%. Loại vôi bột sống có ưu điểm là rắn chắc nhanh hơn, cường độ vữa cao hơn so với vôi tôi (do tận dụng được nhiệt lượng tỏa ra khi tôi, nhiệt lượng này có tác dụng kích thích tốc độ các phản ứng thủy hóa); không bị ảnh hưởng của các hạt non lửa và già lửa; dễ thi công (dễ trộn); không mất thời gian tôi.

105

Nhược điểm của vôi bột sống là cần có thiết bị và công nghệ nghiền phức tạp, việc bảo quản khá khó khăn do nó có khả năng hút ẩm mạnh để tạo thành Ca(OH)2; trong quá trình sản xuất và sử dụng, bụi vôi có thể gây hại đến sức khỏe người lao động.

3.3.2.2. Phân loại theo chất lượng vôi Theo chất lượng, vôi cục và vôi bột nghiền được chia thành 3 loại: Vôi loại 1 (vôi có tốc độ tôi nhanh); Vôi loại 2 (vôi có tốc độ tôi trung bình) và Vôi loại 3 (vôi có tốc độ tôi chậm). Theo chất lượng, vôi hyđrat được phân làm 2 loại: Vôi loại 1 (vôi có chất lượng tốt) và Vôi loại 2 (vôi có chất lượng kém).

3.3.3. Tính chất cơ bản của vôi 3.3.3.1. Nhiệt độ và tốc độ tôi vôi Nhiệt độ tôi vôi là nhiệt độ tối đa đạt được trong quá trình tôi vôi; tốc độ tôi vôi là thời gian (tính bằng phút) từ lúc vôi tác dụng với nước đến khi đạt nhiệt độ tối đa. Vôi có cấu trúc hợp lý và độ hoạt tính cao (nhiều CaO) thì sẽ có nhiệt độ và tốc độ tôi lớn. Vôi tốt thường có nhiệt độ tôi là 700C và tốc độ tôi là 20 phút. Để xác định nhiệt độ và tốc độ tôi vôi, thì nghiệm với 10 g vôi cục được nghiền nhỏ cỡ 1 mm, cho vào bình tôi vôi; đổ 20 ml nước cất vào bình, đậy nhanh nắp có cắm nhiệt kế; qua sát nhiệt độ và đo thời gian.

3.3.3.2. Độ hoạt tính của vôi Độ hoạt tính của vôi là tỷ lệ phần trăm (%) của các ôxit (CaO và MgO) có trong vôi; được xác định bằng phương pháp thử tiêu chuẩn: Dùng dung dịch axit clohydric HCl 0,1 N; Lấy 1 g bột vôi sống cho vào bình tam giác dung tích 250 ml; Đổ 150 ml nước cất, đun nhẹ cho tan, nhỏ 2 ÷ 3 giọt pheenon 1%. Nhỏ từ từ dung dịch HCl 0,1 N vào cho đến khi mất màu hoàn toàn. Đo thể tích dung dịch axit đã dùng và tính độ hoạt tính của vôi. Nếu lượng dung dịch axit clohydric (HCl 0,1 N) dùng để thí nghiệm có thể tích là V (cm ) và khối lượng vôi đem thí nghiệm là gvs (gam) thì độ hoạt tính của vôi sẽ được xác định theo công thức (3-4). 3

106

(3-4) Vôi có độ hoạt tính cao khi độ hoạt tính từ 80% trở lên.

3.3.3.3. Độ nhuyễn của vôi tôi Độ nhuyễn của vôi tôi (sản lượng) là lượng vôi nhuyễn (lít) do 1 kg vôi sống sinh ra khi tôi. Vôi có độ hoạt tính càng cao (hàm lượng CaO lớn), nhiệt độ và tốc độ tôi lớn thì sản lượng vôi sẽ càng lớn; thể tích vôi khi tôi thường tăng 1,5 ÷ 3 lần. Xác định độ nhuyễn của vôi tôi bằng thí nghiệm: Dụng cụ để tôi vôi là một hộp gỗ trong có lót tôn tráng kẽm, đáy hộp tròn có diện tích 1.000 cm2, chiều cao hộp 40 cm. Hộp có nắp đậy và hai quai cầm. Dùng 5 kg mẫu vôi cục đã được nghiền mịn, rồi rải đều vào đáy hộp tôi vôi tiêu chuẩn. Đổ từ 8 ÷ 12 lít nước vào hộp, dùng thanh gỗ khuấy đều và san bằng mặt mẫu. Sau khi vôi hết sôi, nếu thiếu nước phải đổ thêm để mực nước cao hơn mặt mẫu không ít hơn 2 cm. Đậy nắp hộp lại để yên 24 giờ, sau đó hút hết nước thừa trên mặt hố vôi. Đo chiều cao hố vôi theo phương pháp thẳng đứng bằng nước có vạch sẵn. Mỗi cm chiều cao đo được tương ứng với 1 lít vôi tôi. Độ nhuyễn vôi tôi là lượng vôi nhuyễn thu được từ 1 kg vôi cục (lít).

3.3.3.4. Hàm lượng hạt sượng Hàm lượng hạt sượng (hàm lượng hạt không tôi) là tỉ lệ phần trăm lượng hạt không tôi được (già lửa, non lửa hoặc bã than) so với khối lượng vôi sống. Xác định độ nhuyễn hàm lượng hạt sượng của vôi bằng thí nghiệm: Khuấy đều vôi đã tôi (khoảng 1 ÷ 2 phút), rồi cân một lượng vôi tương ứng với 1 kg vôi chưa tôi; cho nước vào làm loãng thêm và khuấy đều; tiếp đó dùng nước rửa vôi tôi trên sàng có kích thước lỗ 0,063 mm đến khi nước qua sàng hết đục; sấy phần còn lại trên sàng ở nhiệt độ 105  50C đến khối lượng không đổi. Hàm lượng hạt không tôi (Kt), tính bằng phần trăm (%), theo công thức (3-5):

Kt 

G .100, % 1000

(3-5)

Trong đó: + G: Là khối lượng phần còn lại trên sàng, tính bằng g; + 1.000: Là 1 kg vôi chưa tôi, tính bằng g.

107

3.3.3.5. Độ mịn của vôi bột sống Bảng 3.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng vôi Vôi hydrat

Vôi cục và vôi bột sống

Loại 1

Loại 2

Loại 1

Loại 2

Loại 3

a: Tôi nhanh, không lớn hơn

b: Tôi trung bình, không lớn hơn

c: Tôi chậm, lớn hơn

Hàm lượng MgO, %, không lớn hơn

Hàm lượng (CaO, MgO) hoạt tính, %, không nhỏ hơn

Hàm lượng CO2, %, không lớn hơn

Hàm lượng mất khi nung, %, không lớn hơn

Lượng vôi nhuyễn do 1 kg vôi sống sinh ra, l, không nhỏ hơn

2,4

2,0

1,6

Hàm lượng các hạt sượng, %, không lớn hơn

Độ mịn của bột vôi, %, không lớn hơn: - Trên sàng 0,063 mm

- Trên sàng 0,008 mm

Độ ẩm, %, không lớn hơn

Tên các chỉ tiêu TT

Tốc độ tôi (Phút):

Độ mịn của vôi bột sống (M) là tỉ lệ phần trăm lượng hạt nằm trên các sàng có kích thước quy định; theo tiêu chuẩn Việt Nam là các sàng: 0,63 mm và 0,08 mm. Độ mịn phụ thuộc vào công nghệ sản xuất và nguồn gốc nguyên vật liệu sản xuất. Độ mịn càng lớn thì vôi càng dễ tác dụng với nước, tốc độ tôi càng nhanh, nhiệt độ tôi càng cao và sản lượng vữa vôi càng lớn.

108

Xác định độ mịn của vôi bột sống bằng thí nghiệm: Cân 50 g vôi bột đã được nghiền mịn và sấy khô ở 105 ± 50C đến khối lượng không đổi. Dùng sàng có kích thước lỗ 0,063 mm và 0,008 mm sàng mẫu đến khi lọt qua sàng không lớn hơn 0,1 g trong 1 phút. Cân phần còn lại trên mỗi sàng. Độ mịn của vôi bột, tính bằng phần (%) theo công thức (3.6):

M

G .100, % G1

(3-6)

Trong đó: + G: Là khối lượng phần còn lại trên mỗi sàng, tính bằng g; + G1: Là khối lượng mẫu đem sàng, tính bằng g. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng vôi được ghi ở Bảng 3.3 (theo TCVN 2231-89).

3.3.4. Công dụng và bảo quản vôi 3.3.4.1. Công dụng của vôi Trong xây dựng, vôi thường được dùng để sản xuất vữa xây - chát cho các bộ phận công trình ở môi trường khô và có yêu cầu chịu lực không cao. Ngoài ra, vôi còn được dùng để sản xuất gạch silicat hoặc quét trần, quét tường trang trí và bảo vệ.

3.3.4.2. Bảo quản vôi Với vôi cục, nên tôi ngay hoặc nghiền mịn và đóng bao, không nên dự trữ quá lâu. Với vôi nhuyễn, phải được ngâm trong hố ngập nước hoặc có lớp cát phủ trên bề mặt; nhằm mục đích ngăn cản vôi tác dụng với CO2 (vôi hóa đá) làm giảm chất lượng vôi.

3.4. Thạch cao 3.4.1. Khái niệm chung về thạch cao 3.4.1.1. Khái niệm thạch cao Thạch cao xây dựng (gọi tắt: thạch cao) là một loại chất kết dính vô cơ cứng rắn được trong không khí, chế tạo bằng cách nung thạch cao hai phân tử nước (CaSO4.2H2O) ở nhiệt độ 140 ÷ 1700C đến khi biến thành thạch cao nửa phân tử nước (CaSO4.0,5H2O) rồi nghiền thành bột nhỏ. Cũng có thể nghiền thạch cao hai nước trước rồi mới nung thành thạch cao nửa nước.

109

Hình 3.10. Thạch cao ở dạng bột Đá thạch cao (khoáng thạch cao - CaSO4.2H2O) là khoáng vật trầm tích mềm, với thành phần là muối canxi sunfat ngậm 2 phân tử nước. Thạch cao tự nhiên được khai thác từ mỏ dưới dạng các tảng đá giống như đá vôi. Đá thạch cao có nhiều ở Lào và Thái Lan. Vữa thạch cao được tạo thành từ bột thạch cao. Dùng bột thạch cao trộn với nước theo tỷ lệ khoảng 50/50 ta có vữa thạch cao. Vữa thạch cao đông rắn trong khoảng từ 3 đến 5 phút. Thời gian đông kết cũng như độ cứng của vữa phụ thuộc vào tỷ lệ nước còn lại trong bột thạch cao sau quá trình nung khoáng thạch cao (tỷ lệ nước tỷ lệ nghịch với thời gian đông rắn và độ cứng của vữa). Người ta dùng vữa thạch cao trong y tế (bó bột, khâu chế tạo chân tay giả, nha khoa), làm phấn viết, phấn trang điểm, trong mỹ nghệ kim hoàn (khuôn đúc, phôi xi mạ, độn ruột...), trong việc tạo hình, đổ khuôn, đúc tượng của ngành điêu khắc và các ngành ứng dụng khuôn mẫu (đúc nhựa, đúc đồng, làm gạch, men sứ, gốm...), ứng dụng trong xây dựng như vách ngăn, trần, phun tạo bề mặt tường, chi tiết trang trí công trình kiến trúc (trần, phào, chỉ, hoa văn...). Điều chế thiết bị lọc nước, chất lỏng trong gia dụng, công nghiệp.

3.4.1.2. Nguyên tắc chế tạo thạch cao Thạch cao là muối canxi sulfat ngậm nước. Nguyên liệu để sản xuất thạch cao là khoáng thạch cao. Nung đá thạch cao ở nhiệt độ 150 ÷ 1700C để khử bớt 1 phần nước (tạo ra thạch cao xây dựng): CaSO4.2H2O → CaO.SO4.0,5H2O (thạch cao khan) + 1,5 H2O - Q Nếu nhiệt độ nung cao 600 ÷ 7000C thì đá thạch cao hai nước biến thành thạch cao cứng CaSO4, loại này có tốc độ cứng rắn chậm hơn so với thạch cao xây dựng.

3.4.1.4. Nguyên tắc sử dụng thạch cao Thạch cao khan đem nghiền thành bột, nếu trộn bột này với nước thì thành vữa thạch cao. Đem vữa thạch cao ở trạng thái tươi đi đổ khuôn sau đó đợi ninh kết (sản phẩm thủy hóa lại là CaSO4.2H2O và một phần chưa thủy hóa vẫn là CaSO4.0,5H2O) thì nhận được vật liệu màu trắng có cường độ và độ ổn định nhất định.

110

Khi nhào trộn thạch cao với nước sẽ sinh ra một loại vữa dẻo có tính linh động tốt rồi dần dần sau một quá trình biến đổi lý, hóa, tính dẻo mất dần, quá trình đó gọi là quá trình đông kết, sau đó thạch cao trở thành cứng rắn, độ chịu lực tăng dần, đây là quá trình rắn chắc. Cả hai quá trình này được gọi chung là quá trình rắn chắc của thạch cao. Quá trình rắn chắc của thạch cao chia làm 3 thời kỳ: thời kỳ hòa tan, thời kỳ hóa keo, thời kỳ kết tinh. Hai thời kỳ đầu gọi là thời kỳ đông kết, thời kỳ thứ 3 gọi là thời kỳ rắn chắc và thạch cao có khả năng chịu lực. Ba thời kỳ của quá trình rắn chắc không phân chia tách biệt và xảy ra xen kẽ với nhau. Quá trình bột thạch cao tiếp xúc với nước và đóng rắn thành đá diễn ra theo phương trình sau: CaO.SO4.0,5H2O + 1,5 H2O → CaSO4.2H2O

3.4.2. Tính chất cơ bản của thạch cao 3.4.2.1. Độ mịn Thạch cao nung xong được nghiền thành bột mịn, thạch cao càng mịn thì quá trình thủy hóa càng nhanh, cứng rắn càng sớm và cường độ càng cao. Độ mịn của thạch cao phải đạt chỉ tiêu lượng sót trên sàng 918 lỗ/cm2 đối với thạch cao loại I không lớn hơn 25% đối với loại II không lớn hơn 35%.

3.4.2.2. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích Khối lượng riêng của thạch cao lớn tương ứng với loại đá thạch cao; khối lượng thể tích thì tương đối nhỏ (do thạch cao ở dạng bột mịn): - Khối lượng riêng: ρ = 2,6 ÷ 2,7 g/cm3; - Khối lượng thể tích: ρv = 0,8 ÷ 1,0 g/cm3.

3.4.2.3. Lượng nước tiêu chuẩn Khi nhào trộn thạch cao với nước để tạo ra vữa, nếu trộn ít nước quá thì vữa sẽ khô khó thi công, nếu lượng nước trộn nhiều quá thì vữa sẽ nhão dễ thi công nhưng nước thừa nhiều khi bay hơi đi để lại nhiều lỗ rỗng làm cho cường độ chịu lực của vữa giảm. Vì vậy phải nhào trộn với một lượng nước thích hợp nhằm đảm bảo hai yêu cầu vừa dễ thi công vừa đạt được cường độ chịu lực cao. Lượng nước đảm bảo cho vữa thạch cao đạt được hai yêu cầu trên gọi là lượng nước tiêu chuẩn. Lượng nước đó đảm bảo cho hồ thạch cao có độ đặc tiêu chuẩn và được biểu thị bằng tỷ lệ (hoặc tỉ lệ phần trăm) giữa khối lượng của nước (N) thạch cao (X); thông thường N/X = 0,5 ÷ 0,7.

111

3.4.2.4. Thời gian ninh kết Sau khi trộn thạch cao với nước, hồ thạch cao dần dần đông đặc lại. Thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn thạch cao với nước cho tới khi hồ thạch cao mất dẻo và bắt đầu có khả năng chịu lực gọi là thời gian ninh kết (đông kết). Thời gian đông kết của thạch cao bao gồm hai giai đoạn: thời gian bắt đầu đông kết và thời gian kết thúc đông kết. Thời gian bắt đầu đông kết là khoảng thời gian tính từ khi nhào trộn với nước đến khi hỗn hợp mất tính dẻo; ứng với lúc kim Vica có đường kính 1,1 mm lần đầu tiên cắm sâu cách tấm kính 0,5 mm. Để đảm bảo đủ thời gian thi công, yêu cầu: Thời gian bắt đầu ninh kết không nhỏ hơn 6 phút. Thời gian kết thúc đông kết là khoảng thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn thạch caovới nước đến khi hồ có cường độ nhất định, ứng với thí nghiệm kim Vica có đường kính 1,1 mm lần đầu tiên cắm sâu vào hồ 0,5 mm. Để đảm bảo thi công nhanh, yêu cầu: Thời gian kết thúc ninh kết không lớn hơn 30 phút. Dụng cụ thử thời gian đông kết của thạch cao cũng giống như dụng cụ thử thời gian đông kết của xi măng (dùng dụng cụ Vica - Hình 3.7). Dụng cụ gồm bộ phận chính là thanh chạy có gắn kim chỉ thị di chuyển theo phương thẳng đứng bên cạnh thước khắc độ từ 0 đến 40 mm gắn trên giá. Ở đầu dưới thanh chạy gắn một kim thép đường kính 1,1 mm, chiều dài 50 mm, khối lượng của thanh và kim bằng 120 g. Ngoài ra còn có một khâu hình côn làm bằng nhựa ebonit hoặc bằng đồng thau cao 40 mm, đường kính trên 65 mm, đường kính dưới 75 mm và một tấm kín vuông có kích thước 10x10 mm. Thời gian bắt đầu đông kết và thời gian kết thúc đông kết của thạch cao được xác định như sau: Đổ một lượng nước tương ứng với độ đặc tiêu chuẩn của hồ thạch cao vào một chậu bằng kim loại hoặc bằng sứ; Sau đó đổ vào chậu 200 g thạch cao, bắt đầu tính thời gian rồi trộn đều bằng tay. Phải đổ từ từ trong 30 giây cho hồ thạch cao vào khâu của máy đặt trên tấm kính, cắt hồ thừa bằng dao và miết bằng mặt. Sau đó đặt khâu dưới kim của máy cho đầu kim xuống sát mặt hồ, mở ốc hãm thanh chạy và kim tự do rơi xuống cắm vào hồ thạch cao. Cứ 30 giây cho kim rơi một lần, cắm ở các vị trí khác nhau, trước khi cho kim rơi phải lau sạch kim. Dùng đồng hồ theo dõi thời gian trong suốt quá trình trộn và thả kim rơi. Thời gian bắt đầu đông kết là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu trộn thạch cao với nước cho đến khi kim cắm cách tấm kính đáy không nhỏ hơn 0,5 mm. Thời gian kết thúc đông kết là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu trộn thạch cao với nước cho đến khi lần đầu tiên kim cắm sâu vào hồ thạch cao không nhỏ hơn 0,5 mm.

112

Sau khi đã bắt đầu đông kết hồ, vữa và bê tông thạch cao không được đổ vào khuôn hoặc dùng để trát bề mặt, đặc biệt sau khi thạch cao đã kết thúc đông kết, vì khi đó các thao tác của quá trình thi công sẽ phá vỡ cấu trúc mới được hình thành của hồ thạch cao làm cho cường độ chịu lực giảm đi nhiều. Chính vì vậy phải thi công vữa và bê tông thạch cao trong khoảng thời gian từ lúc trộn đến lúc bắt đầu đông kết. Các loại thạch cao có thời gian đông kết khác nhau. Nếu đông kết sớm quá thì việc thi công phải hết sức khẩn trương, có khi thi công không kịp nhưng cường độ lúc đầu cao và ngược lại. Với ý nghĩa như trên nên thời gian đông kết của hồ thạch cao phải được quy định: thời gian bắt đầu đông kết không nhỏ hơn 6 phút và thời gian kết thúc đông kết không lớn hơn 30 phút.Để có chế độ thi công hợp lý và đảm bảo chất lượng công trình, khi thi công thạch cao thời gian đông kết của thạch cao cần phải được xác định cụ thể. Có thể làm tăng nhanh hoặc làm chậm đông kết bằng cách: Pha vào hồ thạch cao chất làm chậm (hoặc làm nhanh) đông kết với liều lượng bằng 0,5 ÷ 2% khối lượng thạch cao để thay đổi thời gian đông kết của thạch cao. Chất làm chậm đông kết thường dùng là vôi (CaO) và chất làm nhanh đông kết thường dùng là natri sunfat (Na2SO4).

3.4.2.5. Cường độ Khi sử dụng trong công trình, đá thạch cao có thể chịu nén hoặc chịu kéo... Tuy nhiên, cường độ chịu nén vẫn là chủ yếu và nó đặc trưng cho cường độ của thạch cao, cường độ nén là một chỉ tiêu để đánh giá phẩm chất của thạch cao. Do đó, quy định cường độ nén sau 1,5 giờ đối với thạch cao loại 1 không nhỏ hơn 45 daN/cm2 và đối với thạch cao loại 2 không nhỏ hơn 35 daN/cm2. Để đánh giá cường độ nén của thạch cao, làm thí nghiệm đúc 3 mẫu hình lập phương cạnh 7,07 cm và đem nén sau 1,5 giờ bảo dưỡng. Cách tiến hành như sau: Trộn thạch cao với một lượng nước tương ứng với độ đặc tiêu chuẩn của hồ thạch cao cho tới khi đồng nhất, rồi đổ ngay vào các khuôn. Sau khi đổ đầy khuôn và miết phẳng mặt một giờ (tính từ lúc bắt đầu trộn thạch cao với nước) thì tháo mẫu ra khỏi khuôn. Để mẫu sau 1,5 giờ ngoài không khí thì làm thí nghiệm nén mẫu. Ngoài ra có thể xác định bằng cách thử uốn mẫu 4x4x16 cm và mẫu nén (sau khi uốn gãy); mẫu được đóng rắn trong điều kiện chuẩn ở tuổi 1,5 giờ. Giới hạn cường độ chịu nén của thạch cao bằng trị số trung bình cộng của các kết quả thí nghiệm trên 3 mẫu.

3.4.3. Công dụng và bảo quản thạch cao xây dựng Thạch cao là chất kết dính chỉ rắn và giữ được độ bền trong không khí, nhưng có độ bóng, mịn, đẹp do đó được dùng để chế tạo vữa trát ở nơi khô ráo, làm mô hình hay vữa trang trí.

113

Thạch cao ở dạng bột mịn, do đó nếu dự trữ lâu ngày và bảo quản không tốt thạch cao sẽ rất rễ bị hút ẩm làm giảm cường độ chịu lực. Để chống ẩm cho thạch cao ta phải bảo quản bằng cách chứa bột thạch cao trong các bao kín có lớp cách nước và để trong kho nơi khô ráo.

3.5. Bitum dầu mỏ 3.5.1. Khái niệm bitum dầu mỏ Bitum dầu mỏ (át phan, nhựa đường, bitum) là loại chất kết dính hữu cơ có thành phần chủ yếu là hydrô cácbon cao phân tử và một số hợp chất khác. Ở nhiệt độ thường, bitum dầu mỏ thường ở dạng cứng hoặc quánh; khi gia nhiệt trở nên lỏng, có khả năng trộn lẫn và dính kết các vật liệu khoáng. Bitum dầu mỏ thường được sử dụng làm chất kết dính xây dựng các loại mặt đường ô tô (nên thường gọi là nhựa đường).

3.5.2. Thành phần của bitum dầu mỏ Bitum dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hydrô cácbon (metan, naftalen, các loại mạch vòng) và một số dẫn xuất phi kim loại khác. Nó có màu đen, hòa tan được trong benzen (C6H6) và 1 số dung môi hữu cơ khác. Bitum dầu mỏ có thành phần chủ yếu là Cacbon (82 ÷ 88%) và hydro (8 ÷ 11%), cùng với nhiều nguyên tố hóa học khác: S = 0 ÷ 6%; N = 0,5 ÷ 1%; O = 0 ÷ 1,5%... Trên quan điểm về nhóm, thành phần hóa học của bitum, có thể chia thành các nhóm chất: Nhóm chất dầu (40 ÷ 60%); nhóm chất nhựa (20 ÷ 40%); nhóm asphalt (10 ÷ 38%); nhóm cacben và cacbonnit (1 ÷ 3%); nhóm axit asphalt và anhyđrit (1%). Nhóm chất dầu: Chiếm 40 ÷ 60%, gồm những chất có PTL thấp (300 ÷ 600 đvC), khối lượng riêng nhỏ (ρ = 0,91 ÷ 0,925 g/cm3); nhóm chất dầu làm cho bitum có tính lỏng. Nhóm chất nhựa: Chiếm 20 ÷ 40%, gồm những chất có PTL lớn hơn (600 ÷ 900 đvC), khối lượng riêng bằng với nước nguyên chất (ρ = 1,0g/cm3); nhóm chất nhựa làm cho bitum có tính dẻo. Nhóm át phan (asphalt): Chiếm 10 ÷ 38%, gồm những chất có PTL lớn hơn nữa (1.000 ÷ 6.000 đvC), khối lượng riêng lớn hơn nước (ρ = 1,1 ÷ 1,15g/cm3); nhóm át phan quyết định tính quánh của bitum. Việc phân loại bitum dầu mỏ theo hàm lượng các nhóm chất chính được thể hiện ở Bảng 3.4.

114

Bảng 3.4. Phân loại bitum dầu mỏ theo các nhóm chính Hàm lƣợng các nhóm chất, % Loại bitum Át phan

Nhựa

Dung dịch cacbon

Loại 1

> 25

< 24

> 50

Loại 2

> 18

> 36

< 48

Loại 3

21 ÷ 23

30 ÷ 34

45 ÷ 49

3.5.3. Tính chất của bitum dầu mỏ 3.5.3.1. Tính quánh

Hình 3.11. Dụng cụ đo độ lún kim nhựa đường 1. Đồng hồ đo; 2. Kim; 3. Vít; 4. Đầu kim; 5. Mẫu nhựa; 6. Nước Tính quánh là tính chất biểu thị mối liên kết nội tại trong bitum. Nó ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo các loại vật liệu có dùng bitum. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính quánh bao gồm: thành phần các nhóm chất và nhiệt độ môi trường. Thành phần các nhóm chất: Hàm lượng nhóm asphalt tăng, nhóm chất nhựa giảm thì độ quánh sẽ tăng. Nhiệt độ môi trường: Khi nhiệt độ tăng, làm nhóm chất nhựa chảy và độ quánh sẽ giảm.

115

Tính quánh được xác định qua chỉ tiêu độ cắm sâu của kim (độ lún kim); dùng dụng cụ tiêu chuẩn, có cấu tạo tương tự Vica (Hình 3.11); Độ kim lún xác định sau 5s, ở 250C; độ kim lún càng nhỏ, tính quánh càng cao. Độ lún kim của bitum được xác định theo các quy định của các tiêu chuẩn: TCVN 7495-2005, AATHTO T49-89, ASTM D36...

3.5.3.2. Tính dẻo Tính dẻo là tính chất đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum khi chịu tác dụng của ngoại lực. Nó phụ thuộc vào thành phần các nhóm chất và nhiệt độ của bitum. Tính dẻo được đánh giá bằng độ giãn dài, thể hiện ở Hình 3.12; độ kéo dài càng lớn, tính dẻo càng cao (TCVN 7496-2005, ASTM D597): dưỡng hộ mẫu bitum ở nhiệt độ 250C (trong nước); đặt mẫu vào máy kéo với tốc độ 5cm/phút (trong nước); đo chiều dài (L) khi mẫu bị đứt.

Hình 3.12. Dụng cụ đo độ kéo dài nhựa đường 1. Thước đo; 2, 3. Mẫu kéo; 4. Vít cố định

3.5.3.3. Tính ổn định nhiệt Tính ổn định nhiệt là chỉ tiêu đánh giá sự thay đổi trạng thái (rắn - quánh - lỏng) của bitum khi nhiệt độ thay đổi. Tính ổn định nhiệt của bitum thường được đánh giá bằng chỉ tiêu: nhiệt độ hóa mềm (Tm) và nhiệt độ hóa cứng (Tc), được xác định theo: TCVN 7497: 2005. Nhiệt độ hóa mềm là một chỉ tiêu quan trọng dùng để đánh giá chất lượng bitum xây dựng đường, là cơ sở để lựa chọn phạm vi sử dụng bitum trong các điều kiện nhiệt độ môi trường khác nhau.

116

Nhiệt độ hóa mềm được xác định bằng dụng cụ vòng và bi (Hình 3.13). Viên bi có khối lượng 3,5 g, đường kính 9,53 mm. Mẫu được dưỡng hộ ở nhiệt độ 50C. Dụng cụ thí nghiệm là ca thủy tinh, nắp ca có gắn một giá 2 tầng và có cắm nhiệt kế; đặt mẫu vào tầng trên của giá, để ngập nước rồi đem đun nước với tốc độ gia nhiệt là 50C/phút. Dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng của viên bị sẽ làm mẫu bitum bị kéo xuống. Nhiệt độ ứng với lúc viên bị chạm vào tầng dưới của giá là nhiệt độ hóa mềm của bitum.

Hình 3.13. Dụng cụ đo nhiệt độ hóa mềm nhựa đường Nhiệt độ hóa cứng xác định bằng dụng cụ đo độ kim lún (nhớt kế). Mẫu được chứa trong chén và để trong các môi trường nhiệt độ thấp dần. Nhiệt độ hóa cứng là nhiệt độ ứng với lúc độ cắm sâu của kim bằng 0,1 mm. Tính ổn định nhiệt của bitum quánh có thể được biểu thị bằng trị số khoảng cách nhiệt độ (ΔT) tính từ thời điểm bitum chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái quánh rồi sang trạng thái rắn và ngược lại (Hình 3.14).

Rắn

Lỏn g

Quá nh Tc

T m

ΔT, 0 C

Hình 3.14. Quan hệ giữa nhiệt độ và trạng thái của bitum T = Tm – Tc ; 0C Trong đó: + Tm: Nhiệt độ hóa mềm, là nhiệt độ khi bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thải lỏng, 0C;

117

+ Tc: Nhiệt độ hóa cứng, là nhiệt độ khi bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thải cứng, 0C. Khoảng cách nhiệt độ ΔT càng lớn thì tính ổn định nhiệt của bitum càng cao, nó phụ thuộc (theo tỷ lệ thuận) vào hàm lượng của nhóm atphan. Đối với các loại bitum thông dụng thì ΔT thường lớn hơn 500C. Tính ổn định nhiệt của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm chất: Hàm lượng nhóm atphan tăng thì tính ổn định nhiệt tăng, hàm lượng nhóm parafin tăng thì tính ổn định nhiệt giảm.

3.5.3.4. Tính ổn định thời tiết Tính ổn định thời tiết (tính hóa già) của bitum là khả năng chống lại tác dụng của môi trường xung quanh trong thời kỳ nó làm. Do ảnh hưởng của thời tiết mà tính chất và thành phần của bitum bị thay đổi (độ quánh tăng, độ dẻo giảm). Sự hóa già là sự biến đổi về thành phần hóa học và tính chất của bitum do tác động của thời tiết. Nguyên nhân chủ yếu của sự hóa già là do sự bay hơi của nhóm chất dầu làm thay đổi cấu tạo phân tử, tạo nên các hợp chất mới, làm cho hàm lượng của nhóm atphan tăng lên, dẫn đến tính quánh và tính giòn cũng tăng theo. Sự hóa già của bitum sẽ kéo theo sự hóa già của bê tông atphan, tính giòn tăng lên sẽ gây ra những vết nứt trên bề mặt bê tông, tăng mức độ phá hoại do ăn mòn. Quá trình hóa già của lớp phủ mặt đường có thể chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 (cường độ và tính ổn định chống biến dạng tăng lên); Giai đoạn 2 (Bitum bắt đầu già, cường độ và tính ổn định chống biến dạng bắt đầu giảm, sự phá hoại bắt đầu xuất hiện và tăng dần). Sự hóa già của bitum diễn ra chậm, thường sau 10 năm mới ở mức độ cao và sự phá hoại lớp phủ mặt đường mới phát triển mạnh. Sự hóa già do tác động của thời tiết của bitum do được xác định bằng việc lấy mẫu hiện trường hoặc tạo buồng thí nghiệm nhân tạo.

3.5.3.5. Nhiệt độ bắt lửa Nhiệt độ bắt lửa của bitum là nhiệt độ làm cho các chất dầu nhẹ trong bitum bốc hơi, hòa lẫn vào môi trường, tạo nên một hỗn hợp dễ cháy. Khi bị đun nóng, các chất dầu trong bitum sẽ bay hơi tạo nên một hỗn hợp dễ cháy. Nhiệt độ bắt lửa của bitum được xác định theo mô tả ở Hình 3.15: Đun bitum cách cát trong cốc mỏ hoặc cốc bạch kim, nhiệt kế cắm giữa chén đựng bitum. Khi nhiệt độ lớn hơn 1000C, đưa mồi lửa ngang trên mặt chén bitum; nếu xuất hiện ngọn lửa xanh và tắt

118

ngay, thì nhiệt độ tương ứng gọi là nhiệt độ bắt lửa; nếu xuất hiện ngọn lửa xanh và tồn tại trên 5 giây, thì nhiệt độ tương ứng lúc đó là nhiệt độ bốc cháy.

Hình 3.15. Mô tả thí nghiệm nhiệt độ bắt lửa Nhiệt độ bốc cháy là chỉ tiêu quan trọng về an toàn khi gia công bitum. Thông thường, nhiệt độ bốc cháy của bitum thường nhỏ hơn 2000C.

3.5.3.6. Tính dính bám Tính dính bám là tính chất đánh giá khả năng bám dính của bitum với các vật liệu khoáng. Sự liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có vai trò quan trọng trong việc tạo nên cường độ và tính ổn định nước, ổn định nhiệt độ của hỗn hợp bê tông nhựa. Khi nhào trộn với bitum, các hạt vật liệu khoáng được thấm ướt bitum tạo thành lớp hấp phụ, các phân tử trong bitum sẽ tương tác với các phân tử ở bề mặt của vật liệu khoáng bằng tương tác hóa học hay lý học. Trong đó lực liên kết hóa học lớn hơn nhiều so với lực liên kết lý học. Liên kết của bitum với vật liệu khoáng phục thuộc (theo tỷ lệ thuận) vào độ phân cực của các chất nhựa và vào tính chất của vật liệu khoáng. Hàm lượng các chất dầu trong bitum càng lớn, tính kiềm của vật liệu khoáng càng cao thì sự liên kết giữa bitum và vật liệu khoáng càng mạnh. Mức độ liên kết giữa bitum với bề mặt bitum khoáng được đánh giá theo độ bền của màng bitum trên bề mặt vật liệu khoáng, khi nhúng chúng vào nước sôi và xác định tỷ lệ diện tích bề mặt các hạt vật liệu khoáng vẫn giữ được màng bitum bao bọc, rồi so sánh với thang đánh giá chuẩn để xác định mức độ liên kết. Nếu sau khi thí nghiệm mà hơn 2/3 bề mặt các hạt vật liệu khoáng vẫn được bitum bao bọc thì mức độ liên kết được coi là tốt. Trong trường hợp độ hoạt tính của bitum thấp, mức độ liên kết với bề mặt vật liệu khoáng kém thì cần trộn thêm vào bitum chất phụ gia hoạt tính bề mặt.

119

Mức độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có thể được đánh giá theo độ bền của màng bitum trên mặt vật liệu khoáng khi nhúng trong nước sôi. Bitum có độ hoạt tính lớn (nhóm atphan tăng, độ quánh tăng) thì khả năng dính bám với vật liệu khoáng tăng. Vật liệu khoáng có bề mặt sạch, nhám thì sẽ dính bám tốt với bitum. Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7493 - 2005 - Yêu cầu kỹ thuật của bitum), yêu cầu kỹ thuật của các loại bitum dầu mỏ xây dựng đường; việc phân mác bitum và mục đích sử dụng được thể hiện ở Bảng 3.5 và Bảng 3.6. Bảng 3.5. Yêu cầu kỹ thuật của các loại bitum dầu mỏ xây dựng đường Quy định theo mác Các chỉ tiêu

1 2 (200/300) (130/200)

3 (90/130)

4 (60/90)

5 (40/60)

- Khi ở 250C, trong giới hạn

201 - 300

131 - 200

91 - 130

61 - 90

41 - 60

- Khi ở 00C, không nhỏ hơn

2. Độ kéo dài ở 250C, cm, không nhỏ hơn

Không quy định

3. Nhiệt độ hóa mềm,0C, không thấp hơn

1. Độ kim lún:

4. Thí nghiệm liên kết với đá hoa hay cát

Chịu được thí nghiệm (liên kết tốt với đá hoa)

5. Sự thay đổi nhiệt độ hóa mềm sau khi gia nhiệt, 0C, không lớn hơn

6. Hàm lượng các hợp chất hòa tan trong nước, không lớn hơn

0,2

0,3

7. Nhiệt độ bốc cháy, 0C, không thấp hơn

200

220

120

Bảng 3.6. Phạm vi sử dụng của các loại bitum dầu mỏ

121

Chương 4 BÊ TÔNG XI MĂNG 4.1. Khái niệm chung 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản Hỗn hợp bê tông (bê tông tươi) là hỗn hợp bao gồm: Cốt liệu, xi măng, nước và phụ gia (nếu có) được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn đồng đều, có tính dẻo, tính dính chưa rắn chắc, chưa có cường độ. Bê tông xi măng (bê tông) là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông. Bê tông có cấu trúc phức tạp, được hình thành từ ba thành phần cơ bản là cốt liệu, đá xi măng và hệ thống mao quản, lỗ rỗng có thể chứa nước, không khí và hơi nước... Bê tông cốt thép là loại bê tông có dùng cốt thép với cả mục đích chịu lực và mục đích cấu tạo. Bê tông cốt thép dự ứng lực: Khi chế tạo kết cấu bê tông cốt thép mà có tạo dự ứng lực trong bê tông và cốt thép (tạo dự ứng lực làm cho kết cấu có lợi về mặt chịu lực) thì ta gọi bê tông cốt thép dự ứng lực.

4.1.2. Vai trò của các thành phần vật liệu trong bê tông Các vật liệu cấu thành bê tông có tuy hàm lượng khác nhau nhưng đều có vai trò quan trọng của chúng: - Cốt liệu lớn (thường dùng là cấp phối đá dăm hoặc cấp phối sỏi sạn): Sau khi được hồ xi măng (hồ chất kết dính: Hỗn hợp của xi măng và nước) gắn kết lại, cốt liệu lớn sẽ đóng vai trò là bộ khung chịu lực; đồng thời, với hàm lượng chiếm đa số (thường trên dưới 50% theo theo cả khối lượng và thể tích đặc), cốt liệu lớn được coi là chất độn trong bê tông; - Cốt liệu nhỏ (thường dùng là cát tự nhiên hoặc cát nhân tạo): Có tác dụng lấp lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc; đồng thời, đảm bảo khả năng chống co ngót cho bê tông; - Chất kết dính và nước: Qua quá trình nhào trộn sẽ tạo ra hồ chất kết dính (hồ xi măng); đây là thành phần hoạt tính của bê tông, nó lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu; đồng thời, đóng vai trò chất bôi trơn, tạo độ dẻo cho hỗn hợp bê tông; trong quá trình

122

ngưng kết rắn chắc, hồ xi măng làm nhiệm vụ liên kết các hạt cốt liệu, tạo thành một khối rắn chắc; - Phụ gia: Là những chất cho thêm vào bê tông với hàm lượng nhỏ; nhằm mục đích cải thiện một số tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông, đáp ứng yêu cầu thi công và yêu cầu sử dụng.

4.1.3. Phân loại bê tông Việc phân loại bê tông xi măng có thể được thực hiện dựa trên một số căn cứ cơ bản như sau: 1. Phân loại theo cường độ và chất lượng bê tông Theo cường độ (cường độ chịu nén - Rb) và chất lượng, bê tông được phân thành các loại: Bê tông thường (Concrete, Cement Concrete) là loại có cường độ chịu nén nhỏ hơn 60 MPa; Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete) là loại có cường độ chịu nén nằm trong khoảng từ 60 ÷ 100 MPa; Bê tông cường độ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) là loại có cường độ chịu nén lớn hơn 100 MPa; Bê tông chất lượng cao (High Performance Concrete) là tên gọi chung cho các loại bê tông có cường độ cao và có một số tính chất khác được cải thiện. 2. Phân loại theo khối lượng thể tích Theo khối lượng thể tích (KLTT - ), bê tông được phân thành các loại: Bê tông đặc biệt nặng là loại có KLTT không nhỏ hơn 3,0 T/m3; Bê tông nặng (Heavyweight concrete) là loại có KLTT nằm trong khoảng từ 2,0 ÷ 3,0 T/m3; Bê tông nhẹ (Lightweight concrete) là loại có KLTT nằm trong khoảng từ 0,9 ÷ 2,0 T/m3; Bê tông đặc biệt nhẹ là loại có KLTT nhỏ hơn 0,9 T/m3. 3. Phân loại theo dạng cốt liệu Theo dạng cốt liệu sử dụng, bê tông được phân thành các loại: Bê tông cốt liệu đặc là loại bê tông dùng cốt liệu đặc thông thường như cấp phối đá dăm (cốt liệu lớn), cát vàng (cốt liệu nhỏ); Bê tông cốt liệu rỗng là loại bê tông dùng cốt liệu rỗng (có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo), thường là các loại bê tông nhẹ; Bê tông cốt liệu đặc biệt là các loại bê tông sử dụng cho các công trình đặc biệt, có thể có các khả năng chống hóa chất, chống ăn mòn... 4. Phân loại theo công dụng Theo công dụng, bê tông có thể được phân thành các loại: Bê tông thường là loại được sử dụng phổ biến trong xây dựng dân dụng và công nghiệp thông thường; Bê tông

123

thủy công là loại bê tông sử dụng trong xây dựng công trình thủy; Bê tông đường là loại bê tông sử dụng trong xây dựng đường ô tô, sân bay; Bê tông dùng cho kết cấu bao che thường là các loại bê tông nhẹ; Bê tông trang trí; Bê tông công dụng đặc biệt: chịu axit, chống phóng xạ… 5. Phân loại theo phương pháp thi công Theo phương pháp thi công, bê tông thể được phân thành các loại: Bê tông toàn khối là loại bê tông được đổ trực tiếp tại công trình; có ưu điểm cơ bản là tạo ra kết cấu có độ cứng lớn, liên kết chắc chắn, chịu tải trọng động tốt; nhưng lại có nhược điểm là tốn ván khuôn và vật liệu chống đỡ, đồng thời quá trình thi công phải thi công chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết. Bê tông lắp ghép là loại bê tông không được đổ trực tiếp tại công trình, mà dùng các cấu kiện đúc sẵn để lắp ghép lại; có ưu điểm cơ bản là giảm bớt ván khuôn và vật liệu chống đỡ, đồng thời ảnh hưởng nhiều của thời tiết trong quá trình thi công và tăng nhanh tiến độ thi công; nhưng lại có nhược điểm là phải xử lý với những chỗ ghép nối (khó khăn và tốn thép), kết cấu có độ cứng kém hơn, liên kết cũng kém chắc chắn hơn và khả năng chịu tải trọng động cũng kém hơn. Bê tông nửa lắp ghép là loại kết hợp cả 2 loại bê tông toàn khối và lắp ghép; tùy từng vị trí của công trình mà có thể thi công đổ tại chỗ hoặc lắp ghép; sao cho đảm bảo phát huy được những ưu điểm và hạn chế được những nhược điểm của cả hai loại.

4.1.4. Ưu và nhược điểm của bê tông Ngày nay bê tông (kết cấu bê tông, cũng như kết cấu bê tông cốt thép) được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm cơ bản sau: - Khả năng chịu lực lớn: Khả năng chịu lực của bê tông lớn hơn rất nhiều so với các dạng vật liệu khác như gạch, đá, gỗ... Hơn nữa, khác với các loại vật liệu xây dựng có nguồn gốc tự nhiên, bê tông là vật liệu nhân tạo nên thông qua việc chế tạo có thể lựa chọn các tính năng mong muốn; - Độ bền cao: Bê tông là một loại đá do đó có khả năng chịu ăn mòn, xâm thực từ môi trường cao hơn các vật liệu như thép, gỗ... Chi phí bảo dưỡng do đó cũng thấp hơn; - Giá thành thấp: Bê tông được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu tại chỗ (vật liệu địa phương) sẵn có như đá, sỏi, cát... Các vật liệu khác như xi măng, thép đắt tiền hơn nhưng chỉ chiếm tỷ trọng khoảng 1/6 đến 1/5 tổng khối lượng; - Khả năng tạo hình khối dễ dàng: Trước khi đông cứng thì bê tông ở dạng hỗn hợp lỏng và dẻo nên có khả năng tạo các hình khối phù hợp yêu cầu kiến trúc nhờ vào hệ thống ván khuôn;

124

- Khả năng chống cháy tốt: Trong ngưỡng dưới 400°C thì cường độ của bê tông không bị suy giảm đáng kể, hệ số dẫn nhiệt của bê tông cũng thấp nên giúp bảo vệ cốt thép ở nhiệt độ cao; - Khả năng hấp thụ năng lượng tốt: Các kết cấu làm bằng bê tông cốt thép thường có khối lượng lớn nên có khả năng hấp thụ lực xung kích tốt. Ngoài ra việc sử dụng vật liệu bê tông cũng còn nhiều thuận lợi khác như: Dễ cơ giới hóa và tự động hóa trong quá trình sản xuất; tạo được nhiều loại bê tông có tính chất khác nhau... Cùng với những ưu điểm, việc sử dụng vật liệu bê tông cũng tồn tại một số vấn đề cơ bản như sau: - Nặng nề: Các kết cấu xây dựng làm từ bê tông cốt thép thường có nhịp tương đối nhỏ, chi phí xây dựng nền móng cao. Nhược điểm này hiện được khắc phục đáng kể bằng việc sử dụng kết cấu bê tông dự ứng lực hoặc kết cấu bê tông cường độ cao kết hợp với các giải pháp xây dựng hợp lý; - Thời gian thi công lâu: Bê tông cần thời gian để đông cứng, trong thời gian này chất lượng bê tông chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết, môi trường... Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách sử dụng bê tông đúc sẵn lắp ghép hoặc bán lắp ghép; - Khả năng tái sử dụng thấp: Việc tháo dỡ, vận chuyển và tái sử dụng bê tông sau khi sử dụng rất tốn kém và tiêu hao nhiều công sức. Ngoài ra còn phải kể đến một số tồn tại khác như: khả năng cách âm, cách nhiệt của bê tông kém; cường độ chịu kéo nhỏ; trong thi công phải chi phí cho hệ thống ván khuôn lớn...

4.2. Vật liệu chế tạo bê tông 4.2.1. Xi măng Xi măng là một loại chất kết dính vô cơ để liên kết các hạt cốt liệu thành một khối cứng, tạo ra cường độ cho bê tông. Do đó, chất lượng xi măng và hàm lượng xi măng là yêu tố rất quan trọng quyết định cường độ của bê tông. Tùy thuộc vào yêu cầu của loại bê tông mà có thể dùng các loại xi măng khác nhau. Việc lựa chọn mác xi măng phải dựa trên yêu cầu kỹ thuật, đồng thời phải xét đến điều kiện sử dụng và đảm bảo tính kinh tế. Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng được quy định theo từng tiêu chuẩn; tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành: TCVN 2682 - 2009 Xi măng Poóclăng - Yêu cầu kỹ thuật.

125

4.2.1.1. Chọn mác xi măng Việc lựa chọn mác xi măng cần căn cứ vào mác (cấp, cường độ) bê tông cần chế tạo: Với bê tông có cường độ chịu nén không lớn hơn 30 MPa (Rb ≤ 30 MPa), nên chọn mác xi măng lớn hơn mác bê tông khoảng 1,2 đến 1,5 lần (RX = 1,2 ÷ 1,5 Rb); với bê tông có cường độ chịu nén không nhỏ hơn 35 MPa (Rb ≥ 35 MPa), nên chọn mác xi măng tối thiểu là 40 (PC40). Không sử dụng xi măng mác quá cao để chế tạo bê tông mác thấp và ngược lại, không sử dụng xi măng mác quá thấp để chế tạo bê tông mác cao. Nếu sử dụng xi măng mác quá cao để chế tạo bê tông mác thấp, thì lượng xi măng sẽ quá ít, sẽ không tạo được sự đồng nhất trong bê tông; còn khi dùng xi măng mác quá thấp, thì lượng xi măng dùng sẽ nhiều, không chỉ liên quan tới kinh phí mà lượng xi măng sử dụng quá nhiều sẽ gây ra các hiệu ứng không tốt tới chất lượng của bê tông. Trong thực tế, việc chọn mác xi măng phù hợp để chế tạo bê tông có thể tham khảo theo hướng dẫn ở Bảng 4.1. Bảng 4.1. Hướng dẫn chọn mác xi măng Mác/cấp bê tông

Mác xi măng

30 - 40

40 - 50

60 và lớn hơn 50 và lớn hơn

Quan hệ giữa cường độ của bê tông (Ryc, Rb), cường độ xi măng (RX) và tỷ lệ nước/xi măng (N/X) theo kết quả nghiên cứu của Bolomey và Skramtaev được thể hiện bằng các công thức (4-1ab). Đối với bê tông thường (X/N = 1,4 ÷ 2,5):

X R yc   0,5 N AR x

(4-1a)

Đối với bê tông cường độ cao (X/N > 2,5):

R X  yc  0,5 N A1R x Trong đó: A, A1 là các hệ số kể đến chất lượng cốt liệu (các Bảng 4.2ab).

126

(4-1b)

Bảng 4.2a. Hướng dẫn chọn hệ số A và A1 Chất lượng cốt liệu

Chất lượng cao

0,65

0,43

Chất lượng trung bình

0,60

0,40

Chất lượng thấp

0,55

0,37

Bảng 4.2b. Hướng dẫn lựa chọn hệ số A và A1

4.2.1.2. Lượng xi măng Lượng xi măng sử dụng để chế tạo bê tông cần đảm bảo không quá lớn hoặc không quá nhỏ theo quy định của từng tiêu chuẩn: Theo tiêu chuẩn ngành Giao thông vận tải của Việt Nam 22 TCN 272 - 05 (tiêu chuẩn thiết kế cầu), lượng xi măng tối đa Xmax ≤ 475 kg/m3; Theo TCVN 9346 - 2012 Kết cấu thép và BTCT - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn môi trường biển: Xmax ≤ 500 kg/m3.

127

Theo tiêu chuẩn Pháp, lượng xi măng tối thiểu (Xmin) phụ thuộc vào cường độ bê tông và đường kính lớn nhất của cốt liệu, được thể hiện theo công thức thực nghiệm (4-2):

X min 

250  Rb D

1 3

, kg / m3

(4-2)

Trong đó: + Rb: Cường độ bê tông, daN/cm2; + D: Đường kính lớn nhất của cốt liệu, cm. Theo tiêu chuẩn ASTM, lượng xi măng tối thiểu Xmin = 300 kg/m3. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, Xmin có thể xác định dựa theo điều kiện thi công và sử dụng công trình và được quy định theo từng tiêu chuẩn. Có thể tham khảo lượng xi măng tối thiểu phụ thuộc điều kiện thi công và sử dụng công trình, được ghi ở các Bảng 4.3ab. Bảng 4.3a. Quy định lượng xi măng tối thiểu theo phương pháp thi công Điều kiện làm việc của kết cấu công trình

Phƣơng pháp đầm chặt Bằng tay

Bằng máy

Trực tiếp tiếp xúc với nước

265

240

Bị ảnh hưởng của mưa gió không có phương tiện bảo vệ

250

220

Không bị ảnh hưởng của mưa gió

220

200

Theo TCVN 9346 - 2012 - Kết cấu thép và BTCT - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn môi trường biển: hàm lượng xi măng tối thiểu trong 1 m3 bê tông ở trong vùng khí quyển và vùng ngập nước là 350 kg/m3, trong vùng nước thay đổi là 400 kg/m3; Trong quá trình thiết kết, lượng xi măng sử dụng được tính toán theo các công thức (4-1ab). Sau khi tính toán, phải so sánh kết quả với lượng xi măng tối thiểu cho phép. Nếu lượng xi măng tính toán lớn hơn lượng xi măng tối thiểu, ta dùng lượng xi măng tính toán; nếu nhỏ hơn ta phải dùng lượng xi măng tối thiểu. Lưu ý: Loại xi măng sử dụng phải có chứng chỉ của nhà sản xuất; đồng thời phải làm thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý.

128

Bảng 4.3b. Quy định lượng xi măng tối thiểu theo theo cốt liệu và độ sụt Kích thƣớc hạt cốt liệu lớn nhất, mm

Lƣợng xi măng tối thiểu ứng với độ sụt, kg 1 ÷ 10 cm

10 ÷ 16 cm

220

240

200

220

180

210

160

180

4.2.2. Cốt liệu nhỏ 4.2.2.1. Kích thước và thành phần hạt cốt liệu nhỏ Kích thước và thành phần hạt (cấp phối hạt) của cốt liệu nhỏ phải được kiểm tra và lựa chọn theo quy định của từng tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570 2006), kích thước hạt cốt liệu nhỏ (cát) nằm trong khoảng từ 0,14 mm đến 5 mm và thành phần hạt của cốt liệu nhỏ được xác định bằng phương pháp sàng trên bộ sàng tiêu chuẩn: Thường sàng 01 kg cát khô với bộ sàng có kích thước lỗ lần lượt là: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 và 0,14 mm. Thành phần hạt của cốt liệu nhỏ có thể được thể hiện dưới dạng biểu đồ, được thể hiện ở Hình 4.1.

Hình 4.1. Biểu đồ cấp phối cho phép của cát dùng chế tạo bê tông

129

Từ khối lượng hạt sót lại trên từng mặt sàng (mi), xác định lượng sót riêng biệt (ai) và lượng sót tích lũy (Ai) theo các công thức (4-3) và (4-4):

ai 

mi .100, % m

(4-3)

Ai  a2,5  ...  ai ,%

(4-4)

Theo TCVN 7570 - 2006, cốt liệu nhỏ có thể được chia làm hai loại (cát thô và cát mịn) với cấp phối được quy định như ở Bảng 4.4. Bảng 4.4. Quy định cấp phối cốt liệu nhỏ Kích thƣớc lỗ sàng

Lƣợng sót tích luỹ trên sàng, % khối lượng Cát thô

Cát mịn

2,5 mm

Từ 0 đến 20

1,25 mm

Từ 15 đến 45

Từ 0 đến 15

630 μm

Từ 35 đến 70

Từ 0 đến 35

315 μm

Từ 65 đến 90

Từ 5 đến 65

140 μm

Từ 90 đến 100

Từ 65 đến 90

Lượng qua sàng 140 μm

≤ 10

≤ 35

4.2.2.2. Mô đun độ lớn của cát Từ kết quả lượng sót tích lũy của các mặt sàng, xác định Mô đun độ lớn của cát (Mđl, Mk) theo công thức (4-5). (4-5) Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570 - 2006), dựa vào Mô đun độ lớn của cát, có thể phân cát thành hai loại: Cát thô (Mđl = 2,0 ÷ 3,3) và Cát mịn (Mđl = 0,5 ÷ 2,0). Cát thô sử dụng để chế tạo cho tất cả các cấp bê tông và mác vữa; cát mịn có thể sử dụng vào những mục đích phù hợp với Mô đun độ lớn như sau: + Mđl = 0,5 ÷ 1: Có thể sử dụng chế tạo bê tông cấp thấp hơn B15; + Mđl = 1 ÷ 2: Có thể sử dụng chế tạo bê tông cấp từ B15 đến B25; + Mđl = 0,5 ÷ 1,5: Có thể sử dụng chế tạo vữa mác nhỏ hơn và bằng M5; + Mđl = 1,5 ÷ 2: Được sử dụng chế tạo vữa mác M7,5.

130

4.2.2.3. Độ sạch của cát Bảng 4.5. Quy định hàm lượng các tạp chất trong cát Hàm lƣợng tạp chất, % khối lượng , không lớn hơn Tạp chất

Bê tông cấp cao hơn B30

Bê tông cấp thấp hơn và bằng B30

Vữa

Không được có

0,25

0,50

1,50

3,00

10,00

Sét cục và các tạp chất dạng cục Hàm lượng bùn, bụi, sét

Độ sạch của cát là chỉ tiêu đánh giá hàm lượng tạp chất và bùn đất trong cát; hàm lượng này được quy định theo từng tiêu chuẩn. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570 2006) quy định với cát dùng làm cốt liệu được ghi ở Bảng 4.5. Lưu ý: Loại CLN sử dụng phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và phải làm thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý.

4.2.3. Cốt liệu lớn 4.2.3.1. Kích thước và đường kính lớn nhất Kích thước hạt và đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn (CLL) phải được kiểm tra và lựa chọn theo quy định của từng tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570 - 2006), kích thước hạt cốt liệu lớn (cấp phối đá dăm - đá dăm) nằm trong khoảng từ 5 mm đến 70 mm (d = 5 ÷ 70 mm) và đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn (đường kính danh định lớn nhất - D hoặc Dmax) là kích thước danh nghĩa tính theo kích thước mắt sàng nhỏ nhất mà không ít hơn 90% khối lượng hạt cốt liệu lọt qua (A < 10% và gần 10% nhất), được lựa chọn dựa theo cường độ bê tông: - Với bê tông thường (Rb < 60 MPa) nên chọn D = 12,5 ÷ 25 mm; - Với bê tông cường độ cao (Rb ≥ 60 MPa) nên chọn D = 9,5 ÷ 12,5 mm. Ngoài ra, việc lựa chọn đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn còn phải dựa trên cơ sở kích thước của kết cấu cần chế tạo: - D  1/3: Chiều dày nhỏ nhất của kết cấu thông thường; - D  1/2: Chiều dày nhỏ nhất đối với kết cấu dạng bản mỏng; - D  1/2: Bước cốt thép; - D  1/3: Đường kính vòi bơm (khi sử dụng bơm bê tông, ống dẫn).

131

4.2.3.2. Cường độ cốt liệu lớn Cường độ của cốt liệu lớn (cấp phối đá dăm, sỏi) được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu đá gốc hoặc được xác định bằng thí nghiệm nén giập (nén trong xi lanh kín) ở trạng thái bão hòa nước. Căn cứ vào tỷ lệ % hạt bị giập để định ra mác cốt liệu làm cơ sở cho việc lựa chọn làm cốt liệu cho bê tông. Mỗi một mác bê tông cần phải chọn một mác của đá dăm hoặc sỏi tương ứng. Nguyên tắc lựa chọn mác cốt liệu lớn phải lớn hơn 1,5 lần mác bê tông cần chế tạo. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570 - 2006, mác của cốt liệu lớn tương ứng với trị số độ nén dập trong xi lanh được thể hiện ở Bảng 4.6. Bảng 4.6. Tương quan mác đá dăm và độ nén dập Độ nén dập trong xi lanh ở trạng thái bão hòa nƣớc, % Mác đá dăm

Đá trầm tích

Đá macma xâm nhập và đá biến chất

Đá mac ma phun trào

140

≤ 12

≤9

120

≤ 11

13 ÷ 16

10 ÷ 11

100

12 ÷ 13

17 ÷ 20

12 ÷ 13

14 ÷ 15

21 ÷ 25

14 ÷ 15

16 ÷ 20

26 ÷ 34

21 ÷ 28

29 ÷ 38

39 ÷ 54

Bảng 4.7. Quy định độ nén dập cho phép với cấp bê tông

132

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570 - 2006, việc lựa chọn độ nén dập trong xi lanh của sỏi và đá dăm dùng làm cốt liệu phù hợp với các loại bê tông chế tạo được thể hiện ở Bảng 4.7.

4.2.3.3. Thành phần hạt của cốt liệu lớn Thành phần (cấp phối) hạt của cốt liệu lớn dùng chế tạo bê tông được quy định theo từng tiêu chuẩn. Theo TCVN 7572 - 2: 2006, thành phần hạt của cốt liệu lớn được xác định bằng thí nghiệm với bộ sàng có kích thước lỗ: 5; 10; 20; 40 và 70 mm; quy định về lượng sót tích lũy (Ai) trên tương ứng với các mặt sàng của cốt liệu lớn phù hợp được ghi ở Bảng 4.8. Bảng 4.8. Quy định thành phần hạt cốt liệu lớn tiêu chuẩn Việt Nam Lƣợng sót tích luỹ trên sàng, % khối lƣợng, ứng với kích thƣớc hạt liệu nhỏ nhất (Dmin) và lớn nhất (Dmax), mm

Kích thƣớc lỗ sàng, mm

5 - 10

5 - 20

5 - 40

5 - 70

10 - 40

10 - 70

20 - 70

100

0 - 10

40 - 70

0 - 10

40 - 70

0 - 10

40 - 70

…

40 - 70

…

90 - 100

0 - 10

40 - 70

…

90 - 100

Ghi chú: Dmax - Đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn ứng với cỡ sàng có A  10% và gần 10% nhất; Dmin - Đường kính nhỏ nhất ứng với A ≥ 90% và gần 90% nhất.

4.2.3.4. Hàm lượng hạt yếu trong cốt liệu lớn Hạt yếu là các loại hạt có hình dạng thoi, dẹt; hạt mềm yếu, phong hóa… Trong đó, chiếm đa số và xuất hiện phổ biến là các hạt thoi dẹt (hạt yếu). Hạt thoi dẹt là các loại hạt có kích thước nhỏ nhất - lớn nhất hơn kém nhau không dưới 3 lần. Phương pháp xác định và hàm lượng cho phép của hạt yếu trong cốt liệu lớn dùng chế tạo bê tông được quy định theo từng tiêu chuẩn. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7572 - 13 - 2006 và TCVN 7572 - 17 - 2006, quy định hàm lượng hạt yếu tối đa trong cốt

133

liệu lớn không lớn hơn 35% với bê tông cấp từ B30 trở xuống và không lớn hơn 15% với bê tông cấp từ B35 trở lên.

4.2.3.5. Đặc trưng bề mặt cốt liệu lớn Hình dạng và đặc trưng bề mặt của hạt cốt liệu lớn có ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu, ảnh hưởng đến cường độ bê tông: Loại hạt hình cầu, hình ovan và hình khối sẽ chịu lực tốt hơn; loại hạt hình thoi, dẹt (kích thước hơn kém nhau từ 1/3 lần) có cường độ chịu uốn nhỏ, làm ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu lực của bê tông; loại hạt mềm yếu, hạt dễ bị phong hóa có cường độ thấp, làm giảm cường độ bê tông; loại hạt có bề mặt nhám ráp, nhiều góc cạnh sẽ liên kết tốt hơn, làm tăng cường độ và độ bền của bê tông. Vì vậy, dùng đá dăm làm cốt liệu bê tông sẽ tạo ra bê tông có các tính chất cơ học tốt hơn dùng sỏi: Do sỏi có bề mặt tròn, nhẵn làm lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp hơn bê tông đá dăm; tuy nhiên, sỏi lại có độ rỗng và diện tích bề mặt nhỏ nên cần ít nước, ít xi măng mà vẫn dễ tạo hình và đầm chặt.

4.2.3.6. Độ sạch của cốt liệu lớn Trong cốt liệu thường có lẫn các tạp chất: sét, bùn... Các loại này sẽ bám thành màng mỏng trên bề mặt hạt cốt liệu, ngăn cản sự tiếp xúc của hạt cốt liệu với xi măng, làm giảm cường độ mối liên kết. Khi hàm lượng đáng kể, có thể thể gây ảnh hưởng đến cấu trúc và nhiều tính năng của bê tông. Việc xác định độ sạch (lượng ngậm tạp chất) được quy định theo từng tiêu chuẩn. Trong thực tế, để loại trừ tạp chất ta thường dùng phương pháp rửa cốt liệu. Theo TCVN 7572 - 8: 2006, hàm lượng bụi, bùn, sét: được xác định theo phương pháp gạn rửa; theo TCVN 7572 - 9: 2006, hàm lượng chất bẩn hữu cơ được xác định theo phương pháp so màu và so cường độ. Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN 7570 - 2006, quy định hàm lượng tạp chất trong cốt liệu được thể hiện ở Bảng 4.9. Bảng 4.9. Quy định hàm lượng bụi, bùn, sét trong cốt liệu lớn

134

Cấp bê tông

Hàm lƣợng bùn, bụi, sét, % khối lƣợng, không lớn hơn

Cao hơn B30

1,0

Từ B15 đến B30

2,0

Thấp hơn B15

3,0

4.2.4. Nước Nước là thành phần giúp cho xi măng phản ứng tạo ra các sản phẩm thủy hóa, tạo ra sự dính kết và tạo sự cứng chắc cho bê tông. Đồng thời, nước còn có tác dụng tạo ra độ linh động cần thiết cho hỗn hợp bê tông, đảm bảo thuận lợi cho việc thi công. Nước dùng chế tạo bê tông với 3 vai trò chính: Rửa cốt liệu, nhào trộn hỗn hợp và bảo dưỡng bê tông. Với cả 3 vài trò đều yêu cầu dùng nước sạch, không được ô nhiễm (như nước ao hồ tù đọng, nước cống rãnh, lẫn dầu mỡ…) để không ảnh hưởng xấu đến thời gian ninh kết và quá trình đóng rắn của xi măng, không gây ăn mòn đá xi măng cũng như ăn mòn cốt thép. Các thông số kỹ thuật của nước dùng chế tạo bê tông được quy định theo từng tiêu chuẩn; tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành là: TCVN 4506: 2012 - Nước cho bê tông và vữa Yêu cầu kỹ thuật.

4.2.5. Phụ gia Phụ gia là các chất khi cho vào hỗn hợp bê tông sẽ cải thiện được một số tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông theo yêu cầu. Phụ gia có tác dụng cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông theo mục đích sử dụng như tăng tính dẻo, tăng cường độ, khả năng chống thấm hoặc làm thay đổi thời gian đóng rắn. Thông thường có thể chia phụ gia thành 2 loại chính: loại đóng rắn nhanh và loại hoạt động bề mặt. Phụ gia đóng rắn nhanh thường là các loại muối gốc clo (CaCl2, NaCl2, HCl...) hoặc là hỗn hợp của chúng; do có khả năng làm tăng nhanh quá trình thủy hóa xi măng nên chúng sẽ làm rút ngắn quá trình đóng rắn của bê tông trong điều kiện tự nhiên, cũng như tăng cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày. Phụ gia hoạt động bề mặt có khả năng cải thiện đáng kể tính công tác của hỗn hợp bê tông (tăng độ dẻo). Trong công nghệ bê tông hiện nay còn sử dụng phụ gia đa chức năng, là hỗn hợp của phụ gia đóng rắn nhanh và phụ gia hoạt động bề mặt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8826 - 2011, dựa theo tính năng phụ gia được phân thành 7 loại (ký hiệu: A - G): 1- Phụ gia hóa dẻo giảm nước (Water reducing admixtures), ký hiệu loại A: Đây là loại phụ gia làm tăng độ sụt của hỗn hợp bê tông trong khi vẫn giữ nguyên tỉ lệ Nước/Xi măng, hoặc làm giảm lượng nước nhào trộn mà vẫn giữ nguyên độ sụt của hỗn hợp bê tông, qua đó cường độ của bê tông cao hơn; 2- Phụ gia chậm đông kết (Retarding admixtures), ký hiệu loại B: Đây là loại phụ gia làm giảm tốc độ phản ứng giữa xi măng và nước, qua đó kéo dài thời gian đông kết của bê tông;

135

3- Phụ gia đóng rắn nhanh (Accelerating admixtures), ký hiệu loại C: Đây là loại phụ gia làm tăng nhanh tốc độ phản ứng ban đầu giữa xi măng và nước, qua đó rút ngắn thời gian đông kết của bê tông và làm tăng nhanh cường độ bê tông trong những ngày đầu; 4- Phụ gia hóa dẻo - chậm đông kết (Water reducing and retarding admixtures), ký hiệu loại D: Đây là loại phụ gia kết hợp được các chức năng của phụ gia hóa dẻo và phụ gia chậm đông kết; 5- Phụ gia hóa dẻo - đóng rắn nhanh (Water reducing and accelerating admixtures), ký hiệu loại E: Đây là loại phụ gia kết hợp được các chức năng của phụ gia hóa dẻo và phụ gia đóng rắn nhanh; 6- Phụ gia siêu dẻo (giảm nước mức cao - Water reducing, high range admixtures), ký hiệu loại F: Đây là loại phụ gia cho phép giảm một lượng nước lớn không nhỏ hơn 12% mà vẫn giữ nguyên độ sụt của hỗn hợp bê tông, qua đó cường độ của bê tông cao hơn; 7- Phụ gia siêu dẻo - chậm đông kết (Water reducing, high range, and retarding admixtures), ký hiệu loại G: Đây là loại phụ gia kết hợp được các chức năng của phụ gia siêu dẻo và phụ gia chậm đông kết. Ngoài ra, cũng còn nhiều loại phụ gia khác: - Phụ gia khoáng hoạt tính: Là các loại phụ gia được chế tạo (nghiền rất mịn) từ các chất khoáng có độ hoạt tính cao: xỉ lò cao, tro nhẹ…; - Phụ gia trơ: Là các loại phụ gia được chế tạo bằng cách nghiền mịn quặng, đá vôi, đất sét; - Phụ gia có công dụng đặc biệt: Là các loại phụ gia được chế tạo có công dụng đặc biệt: phụ gia cuốn khí, tạo bọt khí, chống thấm, hạn chế ăn mòn cốt thép, hạn chế co nở, chống mài mòn… Khi sử dụng phụ gia cần lưu ý các nguyên tắc: Loại phụ gia phải phù hợp với mục đích sử dụng; tổng hàm lượng phụ gia hóa học phải không lớn hơn 5% khối lượng xi măng; chỉ sử dụng phụ gia khi có hướng dẫn của nhà sản xuất; các loại phụ gia phải được thí nghiệm trước khi sử dụng.

4.3. Tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông 4.3.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông Tính công tác (tính dễ tạo hình) là tính chất kỹ thuật của hỗn hợp bê tông, nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn, nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định. Tính công tác của hỗn hợp bê tông được đánh giá thông qua 2 chỉ tiêu là: độ sụt và độ cứng.

136

4.3.1.1. Độ sụt của hỗn hợp bê tông Độ sụt (độ sệt, độ dẻo, độ lưu động) là chỉ tiêu đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông, được xác định theo tiêu chuẩn; là khoảng lún sụt (cm) sau khi nhấc côn sụt ra khỏi hỗn hợp bê tông. Độ sụt (ký hiệu: S hoặc SN) của hỗn hợp bê tông được xác định theo từng tiêu chuẩn thí nghiệm: TCVN 3106-93, ASTM C143-90A... Độ sụt được đo giá bằng dùng cụ thí nghiệm hình nón cụt (côn sụt Abrams), được thể hiện ở Hình 4.2: Đổ hỗn hợp bê tông vào đầy khuôn nón cụt bằng 3 lớp, mỗi lớp đầm 25 lần, sau đó rút khuôn lên và đo độ sụt trung bình trong khoảng thời gian 1 phút (S1). Kích thước bên trong của các loại côn sụt Abrams phụ thuộc vào đường kính lớn nhất của cốt liệu, được thể hiện trong Bảng 4.10. Trong đó, kích thước N0 -1 dùng cho hỗn hợp bê tông có đường kính cốt liệu không lớn quá 40 mm, kích thước N0 -2 dùng cho hỗn hợp bê tông có đường kính cốt liệu 70 ÷ 100 mm.

Hình 4.2. Mô tả thí nghiệm đo độ sụt của hỗn hợp bê tông Trong quá trình thí nghiêm, nếu khối hỗn hợp bê tông sau khi nhấc côn bị đổ hoặc tạo thành hình khối khó đo, thì phải tiến hành lấy mẫu khác để đo lại. Để đánh giá thời gian giữ độ sụt của hỗn hợp bê tông, còn dùng chỉ tiêu độ sụt đo ở thời gian 30 phút kể từ khi kết thúc nhào trộn (S30). Tùy thuộc vào loại hỗn hợp bê tông và điều kiện môi trường mà độ sụt sau 30 phút sẽ giảm với tỉ lệ nhất định. Bảng 4.10. Quy định kích thước các loại côn sụt Kích thƣớc, mm

N0 -1

N0 -2

Đường kính đáy trên

100

150

Đường kính đáy trên

200

300

Chiều cao

300

450

137

4.3.1.2. Độ cứng của hỗn hợp bê tông Thông thường, khi không đo được độ sụt (S = 0) thì tính công tác của hỗn hợp bê tông được đặc trưng bằng độ cứng. Độ cứng được xác định bằng thời gian rung động cần thiết để san bằng và lèn chặt hỗn hợp bê tông trong nhớt kế kỹ kỹ thuật. Độ cứng (ký hiệu: Đ hoặc ĐC) của hỗn hợp bê tông được xác định theo tiêu chuẩn thí nghiệm: TCVN 3107-93, ASTM C143-90A... nó là khoảng thời gian rung động cần thiết (tính bằng giây) để san bằng và lèn chặt hỗn hợp bê tông trong nhớt kế kỹ kỹ thuật Vebe, thể hiện ở Hình 4.3.

Hình 4.3. Hình ảnh và sơ đồ nhớt kế kỹ thuật Đổ đầy và lèn chặt hỗn hợp bê tông vào côn Abrams trong nhớt kế (theo 3 lớp tương tự khi cho hỗn hợp vào côn thủ độ sụt), sau đó rút côn ra và cho rung động rồi tính thời gian cho đến khi san bằng hỗn hợp bê tông trong nhớt kế.

4.3.1.3. Phân loại hỗn hợp bê tông theo tính công tác Theo chỉ tiêu độ sụt và độ cứng, có thể chia hỗn hợp bê tông thành 8 loại, được thể hiện ở Bảng 4.11.

138

Bảng 4.11. Phân loại hỗn hợp bê tông theo tính công tác TT

Loại hỗn hợp

SN (cm)

C (giây)

Loại hỗn hợp

SN (cm)

C (giây)

Đặc biệt cứng

> 300

Kém dẻo

1-4

15 - 20

Cứng cao

150 - 200

Dẻo

5-8

0 - 10

Cứng

60 - 100

Siêu dẻo

10 - 20

Cứng vừa

30 - 45

4.3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác Tính công tác của hỗn hợp bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là: Lượng nước nhào trộn và tỷ lệ nước/xi măng; loại cốt liệu và thành phần hạt của cốt liệu; loại và lượng xi măng; tác dụng của phụ gia và tác động của chấn động… 1. Lượng nước nhào trộn (N) và tỷ lệ N/X Tính công tác của hỗn hợp bê tông phụ thuộc vào độ nhớt và thể tích của hồ xi măng. Trong hồ xi măng, lượng nước sẽ quyết định độ lưu biến và do đó quyết định độ lưu động và độ cứng của hỗn hợp bê tông. Lượng nước nhào trộn là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Nó bao gồm lượng nước để thủy hóa và tạo độ dẻo cho hồ xi măng, lượng nước để bôi trơn cốt liệu (phụ thuộc độ cần nước của cốt liệu) và nước tự do. Lượng nước trong hồ xi măng quyết định độ linh động của hồ và do đó quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông - Độ sụt và độ cứng. Khi lượng nước quá ít, xi măng có thể không được thủy hóa hoàn toàn; nước chỉ có thể bọc các hạt cốt liệu bằng một màng rất mỏng, màng nước này sẽ liên kết chặt với bề mặt các cốt liệu bằng lực hút phân tử; vì vậy, chưa tạo ra được độ dẻo cho hỗn hợp bê tông. Khi lượng nước nhào trộn hợp lý, sẽ xuất hiện một lượng nước tự do vừa đủ lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu và làm cho màng nước hấp phụ trên bề mặt dày thêm, tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt cốt liệu dịch chuyển. Khi đó nội ma sát của hỗn hợp sẽ giảm, hỗn hợp bê tông sẽ có độ dẻo hợp lý. Lượng nước ứng với lúc hỗn hợp bê tông có độ lưu động tốt nhất mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp. Đối với hỗn hợp bê tông xi măng Pooclăng thì khả năng giữ nước thường bằng khoảng 1,65N tc (Ntc - là lượng nước tiêu chuẩn của xi măng).

139

2. Loại cốt liệu và thành phần hạt của cốt liệu

Hình 4.4. Thể tích hồ xi măng 1. Nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu; 2. Bồi trơn các hạt cốt liệu; 3. Tổng cộng

Hình 4.5. Đồ thị sự ảnh hưởng của hàm lượng cát đến độ dẻo

Khả năng hấp thụ nước (độ cần nước) của cốt liệu là một đặc tính công nghệ quan trọng. Khi thành phần hạt của cốt liệu thay đổi thì tổng diện tích bề mặt của các hạt và thể tích các lỗ rỗng giữa các hạt sẽ thay đổi theo, dẫn đến độ cần nước của hỗn hợp bê tông cũng thay đổi.

140

Để đảm bảo cho bê tông có cường độ yêu cầu thì tỷ lệ nước - xi măng N/X cần phải giữ ở giá trị không đổi. Do đó, nếu độ cần nước của cốt liệu tăng lên sẽ dẫn đến chi phí xi măng cũng phải tăng lên. Để đảm bảo tỷ lệ xi măng trong hỗn hợp bê tông nhỏ nhất thì cần lựa chọn thành phần hạt của cốt liệu tối ưu để cho các hạt cốt liệu nhỏ lấp bớt các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn (Hình 4.4 và Hình 4.5). 3. Loại xi măng và lượng xi măng Sự ảnh hưởng của xi măng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông được thể hiện ở loại xi măng và lượng dùng xi măng. Nếu trong hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nước lấp đầy các lỗ rỗng, đủ bọc và bôi trơn các hạt cốt liệu thì độ lưu động sẽ tăng lên: Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nước lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt cốt liệu thì độ dẻo sẽ tăng; nếu tăng lượng xi măng, nhưng vẫn giữ nguyên lượng nước nhào trộn, thì độ dẻo của hỗn hợp sẽ giảm. Với mỗi loại xi măng có các thông số kỹ thuật như độ mịn, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian ninh kết... khác nhau. Khi cùng một lượng nước nhào trộn nhất định, nếu dùng xi măng có lượng nước tiêu chuẩn cao, thì độ dẻo của hỗn hợp bê tông sẽ giảm xuống; và ngược lại. 4. Phô gia Để tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông người ta có thể dùng các loại phụ gia hoạt động bề mặt. Nhờ có hoạt động bề mặt của các chất phụ gia, độ trơn trượt của các hạt cốt liệu tăng lên sẽ làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Dùng phụ gia hoạt tính bề mặt (phụ gia tăng dẻo) có thể cho phép giảm lượng dùng nước từ tới 20% trong khi độ dẻo vẫn đạt yêu cầu (không thay đổi so với khi không dùng phụ gia và lượng nước nhào trộn không giảm). Đồng thời, cường độ bê tông sẽ tăng do lượng nước tự do giảm; nên nếu giữ nguyên cường độ yêu cầu thì sẽ tiết kiệm được xi măng. Tuy nhiên, khi dùng phụ gia hoạt tính bề mặt sẽ làm kéo dài quá trình thủy hóa của xi măng, làm chậm sự phát triển cường độ của bê tông. Vì vậy, trong thực tế khi dùng phụ gia hoạt tính bề mặt thường kết hợp dùng thêm phụ gia làm tăng nhanh quá trình rắn chắc cho bê tông. 5. Gia công chấn động Đây là phương pháp hữu hiệu để nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Chấn động sẽ làm cho các phần tử của hỗn hợp bê tông bị dao động cưỡng bức, làm cho nội ma sát giảm, dẫn đến cấu trúc của hỗn hợp bê tông bị thay đổi và phân tách theo độ lớn và hình dạng của các hạt cốt liệu. Sự phân tách này sẽ làm cho độ cứng của hỗn hợp bê tông giảm, dẫn đến tính lưu động tăng lên.

141

6. Thời gian Độ sụt của hỗn hợp bê tông sẽ giảm dần theo thời gian. Sự ảnh hưởng của thời gian đến độ sụt, được thể hiện ở đồ thị Hình 4.6. Độ sệt của hỗn hợp bê tông giảm dần theo thời gian từ khi kết thúc nhào trộn vì các nguyên nhân sau: - Nguyên nhân vật lý: Trong hỗn hợp bê tông xảy ra sự phân tầng, giảm lượng nước do bốc hơi và do sự hút nước của cốt liệu; - Nguyên nhân hóa học: Các phản ứng thủy hóa xảy ra trong hỗn hợp bê tông tạo nên các hợp chất mới làm thay đổi thành phần và cấu trúc của hỗn hợp bê tông.

Hình 4.6. Quan hệ giữa độ sụt và thời gian 7. Nhiệt độ môi trường Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông. Với cùng một loại hỗn hợp (cùng công thức thành phần), nếu chế tạo ở nhiệt độ cao, độ sụt sẽ nhanh chóng giảm đi và ngược lại. Nguyên nhân là do, khi nhiệt độ cao, tốc độ các phản ứng thủy hóa sẽ tăng nhanh, đồng thời lượng nước tự do cũng giảm đi; làm mất đi dần đi sự linh động của hỗn hợp. Vì vậy, khi thi công trong môi trường nhiệt độ cao cần dùng thêm phụ gia làm chậm đông kết.

4.3.1.5. Lựa chọn tính công tác Tính công tác của hỗn hợp bê tông được lựa chọn căn cứ vào đặc điểm điều kiện thi công; hình dáng, kích thước của cấu kiện thi công; mật độ cốt thép... Có thể lựa chọn tính công tác theo các hướng dẫn trong các Bảng 4.12abc.

142

Bảng 4.12a. Hướng dẫn lựa chọn Độ cứng/Độ sụt theo loại kết cấu Kết cấu và phương pháp chế tạo

C (giây)

S (cm)

Cấu kiện bê tông cốt thép tháo khuôn sớm

20 - 10

Tấm phủ đường ô tô

10 - 6

1-2

Bê tông toàn khối ít cốt thép

6-4

2-4

Cột, dầm, xà tấm bằng bê tông cốt thép

≤4

4-8

Bê tông nhiều cốt thép

8 - 10

Các chi tiết lắp ghép nhà

12 - 18

Bê tông rất dày cốt thép

18 - 24

Bảng 4.12b. Hướng dẫn lựa chọn Độ sụt theo loại kết cấu

Bảng 4.12c. Hướng dẫn lựa chọn Độ cứng/Độ sụt theo loại kết cấu và phương pháp thi công

143

4.3.2. Cường độ của bê tông Cường độ là một đặc trưng cơ bản, biểu thị khả năng chống lại sự phá hoại của bê tông dưới tác dụng của ngoại lực. Tùy thuộc vào loại lực tác dụng mà bê tông có các loại cường độ tương ứng (nén, kéo…). Cường độ tiêu chuẩn của bê tông là cường độ khi mẫu được chế tạo, dưỡng hộ và thử ở điều kiện tiêu chuẩn.

4.3.2.1. Cường độ chịu nén Khả năng làm việc chịu nén của bê tông là tốt nhất. Vì vậy, cường độ chịu nén là chỉ tiêu tính chất quan trọng nhất của bê tông. Ký hiệu: Rb, Rn, f’c. Đơn vị: MPa (N/mm2), daN/cm2, KG/cm2. Cường độ chịu nén của bê tông được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu bê tông theo điều kiện tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 3118 - 1993) quy định dùng mẫu hình lập phương cạnh 15 cm, dưỡng hộ 28 ngày ở ĐKTC (t0 = 27 ± 20C, Wkk = 90 ÷ 100%). Đúc các viên mẫu hình lập phương cạnh 15 cm, hoặc mẫu hình trụ và lăng trụ. Kích thước cạnh nhỏ nhất của viên mẫu tùy theo cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu dùng để chế tạo bê tông theo quy định ghi ở Bảng 4.13. Bảng 4.13. Quy định kích thước mẫu theo cỡ hạt cốt liệu Cỡ hạt danh định lớn nhất của cốt liệu - Dmax, mm

Kích thước nhỏ nhất của mẫu (cạnh mẫu lập phương hoặc đường kính mẫu trụ), mm

10 và 20

100

150

200

100

300

Khi thí nghiệm với mẫu khác mẫu chuẩn, phải chuyển đổi về trị số cường độ của mẫu tiêu chuẩn theo công thức (4-6).

Rb  K

P , MPa F

Trong đó: + P: Tải trọng phá hoại mẫu, N; + F: Diện tích chịu lực nén (mặt cắt ngang) của mẫu, mm2; + K: Hệ số chuyển đổi cường độ, Bảng 4.14.

144

(4-6)

Bảng 4.14. Hệ số điều chỉnh K khi kích thước mẫu không tiêu chuẩn Kích thước mẫu, cm

Hệ số K khi cường độ nén của bê tông, MPa 15

20 x 20 x 20

1,06

1,05

1,04

15 x 15 x 15

1,00

10 x 10 x 10

0,96

0,94

0,92

0,90

4.3.2.2. Cường độ chịu kéo Cường độ chịu kéo của bê tông không cao, nó sẽ tăng lên khi cường độ độ chịu nén tăng, nhưng mức độ tăng của cường độ chịu kéo sẽ giảm dần. Ký hiệu: Rbt, Rk, ft. Đơn vị: MPa (N/mm2), daN/cm2, KG/cm2. Cường độ chịu kéo của bê tông được xác định theo quy định của từng tiêu chuẩn (Việt Nam dùng TCVN 3105 - 93). Tùy theo các tiêu chuẩn, để xác định cường độ chịu kéo của bê tông có thể làm thí nghiệm theo các sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 4.7.

Hình 4.7. Các kiểu mẫu thử cường độ chịu kéo của bê tông a. Ép chẻ; b. Kéo dọc trục; c. Kéo khi uốn

145

Ghi chú: hình 4.7a – Sơ đồ thí nghiệm ép chẻ; hình 4.7b – Sơ đồ thí kéo trực tiếp (kéo dọc trục); hình 4.7c – Sơ đồ thí nghiệm kéo khi uốn. Theo kết quả của một số nghiên cứu trên thế giới, quan hệ giữa cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén phụ thuộc vào loại bê tông. Thông thường, Rb = (8 ÷ 20)Rbt (từ bê tông thường tới bê tông chất lượng cao). Theo Viện nghiên cứu bê tông Mỹ (ACI): Quan hệ giữa cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén phụ thuộc vào loại bê tông và phương pháp thí nghiệm, thể hiện ở công thức (4-7):

f t  k. f c

(4-7)

Trong đó: + ft: Cường độ chịu kéo; + fc: Cường độ chịu nén.  k = 3 ÷ 5 khi kéo trực tiếp;  k = 6 ÷ 8 khi ép chẻ;  k = 8 ÷ 12 khi uốn. Theo quy định của Pháp, quan hệ giữa cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén phụ thuộc vào loại bê tông, thể hiện ở các công thức (4-8) và (4-9): Quan hệ đường thẳng Rb ≤ 60 Mpa (với bê tông thường): Rbt = 0,6 + 0,06Rb

(4-8)

Quan hệ đường cong với bê tông cường độ cao:

R bt 

R b  150 Rb 60R b  1300

(4-9)

Trong đó: + Rbt: Cường độ chịu kéo; + Rb: Cường độ chịu nén.

4.3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ 1. Thời gian (tuổi bê tông) Trong quá trình đóng rắn, cường độ của bê tông không ngừng tăng lên và tăng nhanh trong những ngày đầu (tuổi 7 đến 14 ngày), sau đó tăng chậm dần. Tùy loại bê tông, cường độ 7 ngày có thể đạt 50% đến 70% cường độ tiêu chuẩn ở 28 ngày. Sau 28 ngày tuổi,

146

cường độ bê tông vẫn tăng nhưng tốc độ tăng chậm, và có thể tiếp tục tăng chậm đến hàng chục năm sau. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào thời gian gần như tuân theo quy luật logarit, thể hiện qua công thức (4-11).

Rn lg n  R28 lg 28

(4-11)

Trong đó: + Rn và R28: Cường độ của bê tông ở tuổi n ngày và 28 ngày; + n: Số ngày tuổi của bê tông, với điều kiện: 3 < n < 90. 2. Mác xi măng và tỉ lệ N/X (cường độ đá xi măng) Khi mác xi măng cao thì cường độ đá xi măng tăng, dẫn đến cường độ bê tông cũng tăng theo và ngược lại. Khi tỉ lệ nước/xi măng hợp lý, thì đá xi măng có độ rỗng bé nhất, nên có cường độ đá xi măng cao, do đó cường độ bê tông cũng cao. Khi tỉ lệ nước/xi măng quá nhỏ, thì không đủ nước để xi măng thủy hóa hoàn toàn, nên cường độ đá xi măng giảm; mặt khác, khi đó hỗn hợp bê tông sẽ có độ sụt nhỏ, gây khó khăn trong quá trình thi công. Khi tỉ lệ nước/xi măng quá cao, thì nước tự do sẽ tồn tại nhiều, khi bay hơi sẽ để lại nhiều lỗ rỗng trong đá xi măng, làm cường độ đá xi măng giảm, do đó cường độ bê tông cũng giảm; ngoài ra, nếu lượng nước sử dụng quá nhiều, sẽ làm hỗn hợp bê tông dễ bị phân tầng, ảnh hưởng tới việc thi công và tính đồng đều của chất lượng bê tông. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào mác xi măng và tỉ lệ N/X được thể hiện qua công thức (4-1a) và (4-1b). Quan hệ giữa cường độ bê tông và tỉ lệ X/N khi dùng các mác xi măng khác nhau có thể được mô tả dưới dạng đồ thị thể hiện ở Hình 4.8.

Hình 4.8. Quan hệ cường độ nén và tỉ lệ X/N khi mác xi măng khác nhau

147

3. Loại cốt liệu và cấp phối cốt liệu Các đặc điểm của cốt liệu như hình dạng, cường độ, độ rỗng, khả năng bám dính (độ nhám bề mặt) với hồ xi măng và thành phần hạt của cốt liệu sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc (độ lấp đầy vữa xi măng trong các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu) và mức độ liên kết toàn khối của bê tông. Cấu trúc của bê tông càng chặt, lực liên kết toàn khối và cường độ của cốt liệu càng cao thì cường độ của bê tông càng lớn. Bình thường, hồ xi măng lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu và đẩy chúng ra xa nhau với khoảng cách bằng hai đến ba lần đường kính hạt xi măng. Khi đó vai trò của các hạt cốt liệu được phát huy tốt nên cường độ của bê tông khá cao. Vì vậy, để đảm bảo cho cường độ bê tông đạt được mác thiết kế thì cường độ của cốt liệu yêu cầu phải lớn hơn cường độ của bê tông 1,5  2,0 lần. Cường độ bê tông còn phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của cốt liệu. Nếu bề mặt cốt liệu nhám, sạch thì độ dính kết với vữa xi măng sẽ tăng, làm cường độ bê tông cũng tăng. Ngược lại, nếu bề mặt cốt liệu trơn, bẩn thì độ dính kết với vữa xi măng sẽ giảm, và cường độ bê tông cũng sẽ giảm. Ngoài ra, nếu đường kính cốt liệu nhỏ tăng, thì lớp hồ xi măng bao bọc sẽ dày lên, tao khả năng dính kết tốt hơn, và sẽ làm tăng cường độ bê tông. Nếu sử dụng cốt liệu đặc chắc thì khi lượng dùng cốt liệu tăng lên thì cường độ bê tông cũng tăng; ngược lại, nếu dùng cốt liệu rỗng thi khi lượng dùng tăng, cường độ bê tông cũng sẽ giảm. 4. Chất lượng và tỉ lệ các thành phần nguyên vật liệu (cấu tạo bê tông) Cấu tạo của bê tông (được biểu thị bằng độ đặc của nó) có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông. Thông thường, cường độ của cốt liệu luôn lớn hơn cường độ của đá xi măng. Nếu các hạt cốt liệu xếp xít vào nhau tạo nên bộ khung chịu lực, hồ xi măng đủ để lấp các chỗ trống giữa các hạt cốt liệu và tạo được độ đặc, độ liên kết toàn khối tốt (Hình 4.9a) thì cường độ của bê tông sẽ gần bằng cường độ của cốt liệu. Khi hồ xi măng quá nhiều, nó sẽ đẩy các hạt cốt liệu ra xa nhau nên không tạo được bộ khung chịu lực, cường độ của bê tông lúc này sẽ do cường độ của đá xi măng quyết định (Hình 4.9b).

148

Hình 4.9. Các dạng cấu tạo bê tông Nếu hỗn hợp bê tông được đầm nén kỹ, lượng nước thừa sẽ bị đẩy ra ngoài, độ đặc của bê tông sẽ càng cao và cường độ của bê tông sẽ càng lớn. Đối với mỗi hỗn hợp bê tông, ứng với một điều kiện đầm nén nhất định, sẽ có một tỷ lệ nước thích hợp nhất. Với lượng nước đó, bê tông sẽ có độ đặc cao nhất và cường độ bê tông sẽ đạt cực đại. Trường hợp do ít nước, hỗn hợp bị khô không lèn ép được tốt; trường hợp do nhiều nước, đá xi măng sau khi đông cứng sẽ tồn tại nhiều lỗ rỗng do nước tự do bay hơi để lại. Nếu tăng công lèn chặt thì trị số hàm lượng nước thích hợp sẽ giảm xuống và cường độ bê tông sẽ tăng lên. Đồ thị sự ảnh hưởng của mức độ lèn chặt đến lượng nước thích hợp và cường độ bê tông được thể hiện ở Hình 4.10.

Hình 4.10. Đồ thị sự ảnh hưởng của mức độ lèn chặt đến lượng nước thích hợp và cường độ 1. Lèn ép mạnh; 2. Lèn ép vừa

149

Cường độ bê tông phụ thuộc vào mức độ lèn chặt thông qua hệ số lèn ép Kl được xác định theo công thức (4-12). Tùy loại bê tông, thông thường hệ số lèn ép nằm trong khoảng 0,9 đến 0,98.

Kl 

 tt 0

(4-12)

Trong đó: + γtt: Khối lượng thể tích thực tế của hỗn hợp bê tông sau khi lèn chặt; + γ0: Khối lượng thể tích tính toán của hỗn hợp bê tông, bằng tổng khối lượng vật liệu dùng trong 1 m3 bê tông. 5. Ảnh hưởng của phụ gia Phụ gia đóng rắn nhanh có tác dụng đẩy nhanh quá trình thủy hóa của xi măng nên sẽ đẩy nhanh sự phát triển cường độ của bê tông dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên cũng như dưỡng hộ nhiệt. Ngoài ra, phụ gia đóng rắn nhanh còn có tác dụng làm tăng tính chống thấm nước của bê tông. Phụ gia đóng rắn nhanh thường dùng là CaCl2, nó chỉ được sử dụng với một hàm lượng cho phép trong một số điều kiện nhất định. Phụ gia tăng dẻo có tác dụng làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, nên có thể giảm bớt lượng nước nhào trộn, do đó cường độ bê tông sẽ tăng lên đáng kể. Ngoài ra lượng nước giảm, nên sẽ tồn tại ít lỗ rỗng do nước tự do bay hơi, làm tăng khả năng chống thấm của bê tông. 6. Điều hiện sản xuất và điều kiện thí nghiệm Bê tông là loại vật liệu phát triển cường độ trong điều kiện nhiệt ẩm. Vì vậy, ngay sau khi chế tạo, nếu bảo dưỡng bê tông trong điều kiện nhiệt ẩm, thì cường độ bê tông sẽ tăng rất nhanh trong vài ngay đầu. Với điều kiện môi trường nhiệt độ cao và độ ẩm cao, sự tăng cường độ của bê tông có thể kéo dài trong nhiều năm; còn với điều kiện khô hoặc nhiệt độ thấp, sự tăng cường độ theo thời gian sẽ là không đáng kể. Ngoài ra, kết quả xác định cường độ bê tông phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thí nghiệm như: máy móc thiết bị, dụng cụ; môi trường; phương pháp và kỹ năng làm thí nghiệm...

4.3.2.4. Giá trị trung bình và đặc trưng của cường độ Giá trị trung bình (Rm) là giá trị trung bình cộng cường độ của 3-5 mẫu mà sự sai lệch giữa mỗi giá trị thử với giá trị trung bình không lệch quá 15%. Rm = (R1 + R2 + … + Rn)/n

150

(4-13)

Giá trị đặc trưng (Rch) là giá trị cường độ mà trong tổng các kết quả thử (30 mẫu) chỉ có 5% không đạt. Quan hệ giữa giá trị đặc trưng (Rch) và giá trị trung bình (Rm) của cường độ bê tông được thể hiện qua công thức (4-14): Rch = β.Rm

(4-14)

β = (1 – Sυ) = (1−1,64υ) Trong đó: + S: Hệ số phụ thuộc xác xuất đảm bảo: với xác xuất 95%, lấy S = 1,64; + υ: Hệ số biến động của cường độ các mẫu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình độ công nghệ sản xuất bê tông: Bê tông chịu nén: + Tiêu chuẩn quốc tế: υ = 0,12; + TCVN: υ = 0,135.

4.3.2.5. Phân mác - cấp bê tông theo cường độ chịu nén 1. Phân mác theo cường độ chịu nén trung bình (Rm) Đây là cách phân mác dựa theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574 - 1991; mác bê tông tương ứng là con số lấy bằng cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn (kG/cm2). Ký hiệu: M… Các loại mác: M50, M75, M100, M150, M200…, M600. Trong đó: + M: Mác xác định theo cường độ chịu nén; + 50, 75…: Tương ứng cường độ chịu nén trung bình (kG/cm2, daN/cm2). 2. Phân mác theo cường độ chịu nén đặc trưng (Rch) Cường độ đặc trưng về nén (cường độ chịu nén đặc trưng) là giá trị cường độ với xác xuất bảo đảm 0,95 khi nén mẫu lập phương tiêu chuẩn (TCVN 5574 - 2012). Cường độ đặc trưng là giá trị cường độ bê tông thường được thực hiện với 30 kết quả của các mẫu thí nghiệm đầu tiên với mỗi loại bê tông; cường độ đặc trưng (X0) được xác định theo công thức (4-15).

X 0  X  kS

(4-15)

151

Trong đó: + X : Giá trị trung bình của các kết quả thử cường độ ở tuổi 28 ngày; + k: Hệ số quy đổi cường độ đặc trưng và cường độ trung bình, phụ thuộc vào tỷ lệ % các kết quả nhỏ hơn cường độ đặc trưng; được lấy theo Bảng 4.17. + S: Hệ số độ lệch chuẩn, được xác định theo phương trình (4-16): 1

  (Xi  X ) 2  2 S  N  1  

(4-16)

Trong đó: + Xi: Kết quả thí nghiệm cá biệt; + N: Tổng số kết quả thí nghiệm. Bảng 4.17. Hệ số k dùng quy đổi cường độ đặc trưng và cường độ trung bình Tỉ lệ % các kết quả nhỏ hơn giá trị đặc trƣng

Giá trị của hệ số k

0,1

3,09

0,6

2,50

1,0

2,33

2,5

1,96

5,0

1,64

Bảng 4.16. Phân mác bê tông theo cường độ chịu nén đặc trưng

152

Mác bê tông

Cƣờng độ chịu nén đặc trƣng ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn, N/mm2

M15

M20

M25

M30

M35

M40

M45

M60

M80

Phân mác theo cường độ chịu nén đặc trưng là cách phân mác dựa theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6025 - 1995 và chủ yếu được dùng trong ngành giao thông; mác bê tông tương ứng là con số lấy bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử tiêu chuẩn (MPa, N/mm2). Ký hiệu: M…. Các loại mác: M15, M20, M25…, M80 (Bảng 4.16). Trong đó: + M: Mác xác định theo cường độ chịu nén; + 15, 20…: Tương ứng cường độ chịu nén đặc trưng (MPa). 3) Phân cấp theo cường độ chịu nén đặc trưng Cấp bê tông là con số lấy bằng cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu thử tiêu chuẩn (Rch - MPa, N/mm2). Ký hiệu: B… Các loại cấp (cấp độ bền nén): B3.5, B5, B7.5, B10, B12.5, B15, B20, B25, B30, B35, B40, B45, B50, B55, B60. Trong đó: + B: Cấp xác định theo cường độ chịu nén; + 10, 12.5…: Tương ứng cường độ chịu nén đặc trưng (MPa). 4) Tương quan Mác và Cấp Tương quan giữa Mác (theo cường độ chịu nén trung bình) và Cấp độ bền của bê tông được thể hiện qua công thức quan hệ (4-17): B = α×β× M

(4-17)

Trong đó: + M: Mác bê tông xác định theo cường độ chịu nén trung bình (kG/cm2, daN/cm2); + B: Cấp bê tông (MPa, N/mm2); + α: Hệ số chuyển đổi đơn vị từ kG/cm2 sang MPa, α = 0,1; + β: Hệ số chuyển từ cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng: β = (1−1,64υ) + υ: Hệ số biến động của cường độ các mẫu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình độ công nghệ sản xuất bê tông:

153

 υ = 0,135 ứng với trường hợp chịu nén;  υ = 0,165 ứng với trường hợp chịu kéo.

4.3.3. Biến dạng của bê tông 4.3.3.1. Khái niệm chung về biến dạng Biến dạng là tính chất của bê tông có thể thay đổi hình dạng và kích thước dưới ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện môi trường. Theo tính chất và thời điểm biến dạng, biến dạng tổng thể của bê tông (εb) theo thời gian có thể phân thành 3 loại: biến dạng ban đầu (bđ), biến dạng tức thời (ε0) và biến dạng sau - từ biến (φ).

b = bđ + 0 + φ

(4-17)

Biến dạng ban đầu: Xuất hiện ngay khi hình thành bê tông do hiện tượng co và sẽ giảm dần theo thời gian. Biến dạng tức thời: Là biến dạng đàn hồi và tuân theo định luật Huc. Biến dạng đàn hồi xảy ra khi tải trọng tác dụng rất nhanh và tạo ra ứng suất nhỏ hơn 50% cường độ giới hạn của bê tông. Biến dạng sau - từ biến: Là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian trong khi ứng xuất (tải trọng tác dụng) không tăng; tải trọng càng lớn thì từ biến càng rõ rệt. Khi tải trọng tác gây ứng suất lớn hơn 50% cường độ giới hạn của bê tông, sẽ xuất hiện biến dạng dẻo, và trị số biến dạng sẽ tăng dần theo thời gian. Theo nguyên nhân gây biến dạng, biến dạng tổng thể của bê tông (εb) theo thời gian gồm có 2 loại: biến dạng do tải trọng và biến dạng do co nở (do thay đổi nhiệt độ và độ ẩm). Trị số biến dạng co tương đối lớn nhất của bê tông: co = (2  4).10-4; trị số biến dạng giãn nở tương đối của bê tông nhỏ hơn nhiều trị số co (khoảng bằng 1/10 lần). Biến dạng cực hạn của bê tông là trị số biến dạng tương đối lớn nhất khi bê tông bị phá hoại; phụ thuộc vào trạng thái chịu lực: Khi chịu nén đúng tâm, b = 1  3 mm/m; khi bê tông chịu kéo, khả năng chịu biến dạng bằng 1/10  1/20 khi chịu nén. Khi chịu lực tức thời, bê tông là vật liệu đàn hồi - dẻo; biến dạng của bê tông (b) bao gồm cả biến dạng đàn hồi (đh) và biến dạng dẻo (d): b = đh + d Bê tông là vật liệu giòn, nên tổng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (dư) không lớn (tổng biến dạng tương đối chỉ khoảng 0,5 ÷ 1,5 mm/m đã xuất hiện vết nứt).

154

4.3.3.2. Biến dạng do co nở Co nở là khả năng thay đổi (tăng hoặc giảm) thể tích của bê tông dưới tác dụng của các điều kiện môi trường. Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường bị biến dạng thể tích: Nở ra trong nước và co lại trong không khí; trong đó độ co lớn hơn khoảng 10 lần độ nở; trị số co nở tương đối tối đa của bê tông: 2 ÷ 4.10-4. Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân khác nhau, trước hết là do sự mất nước trong các gen xi măng. Sự mất nước làm cho các mầm tinh thể đá xi măng xích lại gần nhau, đồng thời các gen cũng dịch chuyển làm cho bê tông bị co lại. Có 5 loại co là co bề mặt, co hóa, co nhiệt, co nước, co cacbonat hóa. Sự co ngót gây nên ứng suất nén trong cốt liệu và ứng suất kéo trong đá xi măng, tạo nên nội ứng suất trong bê tông và có thể gây nên các vết nứt làm giảm cường độ, độ chống thấm và độ ổn định của bê tông. Vì vậy, đối với các công trình có chiều dài lớn, người ta thường tiến hành phân đoạn, tạo các khe co dãn để tránh sự hình thành các vết nứt trong bê tông. Độ co ngót phát triển mạnh trong giai đoạn đầu và tỷ lệ thuận với độ mất nước tự do (do bay hơi, do thủy hóa xi măng). Trị số co ngót phụ thuộc vào lượng xi măng, lượng nước và tỷ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu. Độ co ngót của đá xi măng lớn hơn của vữa và của bê tông (Hình 4.11).

Hình 4.11. Độ co ngót của các thành phần bê tông 1. Đá xi măng; 2. Vữa; 3. Bê tông

155

Ngoài ra, độ co ngót còn phụ thuộc vào chế độ dưỡng hộ. Khi tiến hành dưỡng hộ nhiệt ẩm thì sự co ngót xảy ra nhanh hơn so với chế độ dưỡng hộ thường, nhưng trị số co ngót cuối cùng lại nhỏ hơn 10  15%. Nhiệt độ chưng hấp càng cao thì độ co ngót cuối cùng sẽ càng nhỏ.

4.3.3.3. Biến dạng do tác dụng của tải trọng ngắn hạn - mô đun đàn hồi

Hình 4.12. Biến dạng do tác dụng của tải trọng ngắn hạn - mô đun đàn hồi Khi tải trọng ngừng tác dụng: một phần biến dạng phục hồi được (∆1), được gọi là biến dạng đàn hồi; một phần không phục hồi được (∆2), được gọi là biến dạng dẻo, thể hiện ở Hình 4.12. Vì vậy, có thể nói bê tông là vật liệu đàn hồi - dẻo; biến dạng của bê tông (εb) gồm 2 phần: Biến dạng đàn hồi tương đối (εel = ∆1/l) và biến dạng dẻo tương đối (εpl = ∆2/l). Tương quan giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của bê tông có thể có thể đánh giá bằng hệ số đàn hồi (υ): υ = εel /εpl Với bê tông nặng: ν = 0,1 ÷ 0,45 (Bảng 34 TCVN 5574: 2012). Để đánh giá tính đàn hồi của bê tông, ta thường dùng chỉ tiêu “mô đun đàn hồi”. Trị số mô đun đàn hồi lớn hay nhỏ phụ thuộc tuổi bê tông; thông thường được xác định ở tuổi 28 ngày. Cùng với cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi là chỉ tiêu quan trọng thứ hai được sử dụng làm cơ sở đánh giá chất lượng bê tông và tính toán thiết kế kết cấu công trình sử dụng vật liệu bê tông. Theo các kết quả nghiên cứu và tiêu chuẩn, mô đun đàn hồi của bê tông (Eb, EC, Eđh) được tính bằng các công thức thực nghiệm (4-18), (4-19ab) và (4-20): - Công thức 01:

Eb  0,043 b1,5 Rb0,5 , MPa 156

(4-18)

Trong đó: + γb: Khối lượng thể tích của bê tông, g/cm3; + Rb: Cường độ chịu nén của bê tông, MPa. - Công thức 02: Theo ACI 363R92 Với bê tông có cường độ chịu nén nhỏ hơn 80 MPa:

EC  3.32( fC' )0,5  6.9 , GPa

(4-19a)

Với bê tông có cường độ chịu nén từ 80-140MPa:

EC  3.65( fC' )0,5 , GPa

(4-19b)

- Công thức 03:

(4-20)

Trong đó: Rb28 là cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày, daN/cm2.

4.3.3.4. Biến dạng tác dụng của tải trọng dài hạn - từ biến Từ biến là hiện tượng biến dạng tăng theo thời gian khi ứng suất trong vật liệu không tăng, được thể hiện ở Hình 4.13a. Qua các kết quả nghiên cứu, người ta thấy từ biến trong bê tông có một số đặc điểm cơ bản như: Tuổi bê tông càng nhỏ thì từ biến càng nhiều (vài tháng đầu, dưới tác dụng của tải trọng từ biến trong bê tông thường lớn, nhưng sau đó chậm dần). Khi tải trọng gây ứng suất tác dụng trong vật liệu không lớn hơn 70% (σb ≤ 70%) thì từ biến có giới hạn (đường tiệm cận - hình b); nhưng khi tải trọng gây ứng suất tác dụng trong vật liệu lớn hơn 70% (σb > 70%) thì từ biến tăng không ngừng và dẫn đến phá hoại kết cấu.

Hình 4.13. Biến dạng do tác dụng của tải trọng dài hạn - từ biến

157

4.3.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng biến dạng của bê tông Tính biến dạng (mô đun đàn hồi) của bê tông phụ thuộc một số yếu tố cơ bản như: Tỉ lệ các thành phần vật liệu, loại và hàm lượng cốt liệu, loại và hàm lượng xi măng, tỉ lệ nước/xi măng. Mô đun đàn hồi của bê tông sẽ tăng khi sử dụng cốt liệu lớn có chất lượng tốt và hàm lượng lớn; mô đun đàn hồi của bê tông sẽ giảm khi sử dụng hàm lượng xi măng quá lớn, tỷ lệ N/X lớn; và ngược lại. Hàm lượng các vật liệu thành phần: Mô đun đàn hồi của bê tông sẽ tăng khi sử dụng cốt liệu lớn với hàm lượng lớn; hàm lượng xi măng nhỏ (hợp lý), tỷ lệ N/X nhỏ... Chất lượng các vật liệu thành phần: Cường độ và mô đun đàn hồi của cốt liệu lớn: Mô đun đàn hồi của bê tông sẽ tăng khi sử dụng các vật liệu thành phần có chất lượng tốt, sử dụng cốt liệu lớn có cường độ và mô đun đàn hồi cao...

4.3.4. Tính thấm nước của bê tông Dưới áp lực thủy tĩnh nước có thể thấm qua các lỗ rỗng mao quản trong bê tông. Thực tế cho thấy, nước chỉ có thể thấm qua được các lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1 m, vì chiều dày màng nước hấp phụ trong các lỗ mao quản đã có chiều dày đến 0,5 m. Đối với các kế cấu công trình có yêu cầu về độ chống thấm nước thì cần phải xác định khả năng chống thấm theo áp lực thủy tĩnh thực dụng. Tính chống thấm là khả năng của bê tông không cho nước thấm qua dưới một áp lực thủy tĩnh nhất định. Mác chống thấm là khả năng chịu được áp suất (atm hay daN/cm2) mà mẫu thí nghiệm không để nước thấm qua. Theo Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 3116 - 93, bê tông được phân ra các loại mác chống thấm: B2; B4; B6; B8; B10 và B12.

Hình 4.11. Sơ đồ thí nghiệm thấm bê tông 1. Bơm; 2. Thùng đẳng áp; 3. Đồng hồ áp lực; 5. Mẫu thử; 6. Áo mẫu Xác định khả năng chống thấm của bê tông (TCVN 3116 - 93) bằng thí nghiệm dùng 6 mẫu hình trụ có d = h = 150 mm. Sau khi lắp các mẫu vào thiết bị thí nghiệm (Hình 4.11)

158

sẽ bơm nước tạo áp lực tăng dần theo từng cấp, mỗi cấp là 2 daN/cm2. Thời gian giữ ở mỗi cấp áp lực là 16 giờ. Tiến hành tăng cấp áp lực cho tới khi thấy trên bề mặt viên mẫu nào xuất hiện nước thấm qua thì khóa van và ngừng thử viên mẫu đó; các mẫu khác vẫn tiếp tục thử. Độ chống thấm nước của bê tông được xác định bằng áp lực nước tối đa (atm) mà ở cấp áp lực đó có 4 trong 6 mẫu thử chưa bị nước thấm qua. Khả năng chống thấm nước của bê tông có thể cải thiện bằng cách nâng cao độ đặc chắc của bê tông thông qua tính toán cấp phối bê tông hợp lý nhằm đạt được tỷ lệ N/X nhỏ nhất và tỷ lệ C/(C + Đ) hợp lý. Đồng thời có thể sử dụng phụ gia hóa học, hoặc chọn phương pháp thi công phù hợp.

4.4. Thiết kế thành phần bê tông xi măng 4.4.1. Khái niệm về thiết kế thành phần bê tông Thiết kế thành phần bê tông là tính toán và lựa chọn tỉ lệ hợp lý các vật liệu thành phần cho hỗn hợp chế tạo bê tông sao cho đảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật. Kết quả tính toán thường được biểu thị bằng khối lượng (hay thể tích) các vật liệu thành phần cho 1m3 bê tông hoặc tỉ lệ các vật liệu thành phần trên 1 đơn vị khối lượng (hay thể tích) xi măng: X : C : § : N = 1 : 2 : 3 : 0,35. Các phương pháp thường được sử dụng để thiết kế thành phần bê tông có thể được phân thành 3 nhóm: tra bảng hoàn toàn, thực nghiệm hoàn toàn và tính toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Phương pháp tra bảng hoàn toàn: Là phương pháp dựa vào các bảng biểu đã lập sẵn. Căn cứ vào mác xi măng, cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu, độ sụt của mác bê tông cần chế tạo, tra bảng để xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông. Phương pháp này đơn giản, thuận lợi cho người sản xuất nhưng không bám sát thực tế vật liệu. Do đó, phương pháp này chỉ nên áp dụng khi khối lượng bê tông ít, mác bê tông thấp và thông thường được dùng để lập dự toán xây dựng. Phương pháp thực nghiệm hoàn toàn: Là phương pháp dựa vào vật liệu sẵn có, tiến hành chế tạo mẫu với các cấp phối khác nhau; đem các mẫu đi kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật và lập bảng cấp phối ứng với cường độ tương ứng cho riêng loại vật liệu đó; từ đó chọn ra cấp phối thiết kế tối ưu. Phương pháp này tốn kém cho công tác thí nghiệm và phạm vi sử dụng hạn hẹp (vì chỉ áp dụng được đối với loại vật liệu đã thí nghiệm) nhưng cho kết quả chính xác và phù hợp với thực tế vật liệu. Người ta dùng phương pháp này khi khối lượng bê tông lớn hoặc khi thiết kế cấp phối một loại bê tông đặc biệt chưa có trong tiêu chuẩn. Phương pháp tính toán kết hợp thực nghiệm: Là phương pháp dựa vào một số bảng tra có sẵn, tiến hành tính toán cấp phối bê tông, đồng thời làm thí nghiệm kiểm tra lại một số chỉ tiêu tính chất để hiệu chỉnh các thành phần vật liệu. Trong thực tế thưởng sử dụng

159

nhiều phương pháp thiết kế này bởi nó có nhiều ưu điểm hơn, vì vừa kết hợp tính toán vừa kết hợp thực tế vật liệu, lại không tốn kém nhiều chi phí thí nghiệm. Trình tự các bước thực hiện bao gồm: - Bước 1: Lựa chọn các thành phần định hướng; - Bước 2: Chế tạo mẫu, kiểm tra và điều chỉnh lại cấp phối cho hợp lý; - Bước 3: Lựa chọn thành phần chính thức; - Bước 4: Chuyển thành phần chính thức sang thành phần bê tông hiện trường.

4.4.2. Số liệu cần thiết khi thiết kế Cường độ bê tông: Tùy theo tiêu chuẩn và chỉ định của công trình, có thể thiết kế theo thành phần bê tông theo cường độ tối thiểu (Rb) hoặc cường độ yêu cầu (Ryc). Cường độ tối thiểu là cường độ tiêu chuẩn quy định với từng cấp (mác) bê tông và tương ứng với trị số cường độ trung bình; Cường độ yêu cầu là trị số cường độ có kể đến hệ số an toàn: Ryc = (1,25 ÷ 1,3) Rb Độ sụt và thời gian giữ độ sụt: Yêu cầu độ sụt cũng như việc lựa chọn độ sụt và thời gian giữ độ sụt phụ thuộc vào đặc điểm tính chất công trình. Điều kiện thi công: Khi thiết kế phải biết được bê tông dùng cho công trình nằm trong môi trường khô hay ướt, chịu các loại tải trọng gì...; hình dáng, kích thước cấu kiện, mật độ cốt thép; công nghệ thi công (dùng bơm hay không, yêu cầu thi công nhanh hay không... Điều kiện nguyên vật liệu: Các số liệu cơ bản về xi măng, cốt liệu, nước và phụ gia.

4.4.3. Trình tự và phương pháp thiết kế thành phần bê tông Theo phương pháp Bolomey - Skramtaev, thể tích bê tông được coi là hoàn toàn đặc; tổng thể tích đặc của các vật liệu thành phần dùng chế tạo bê tông chính bằng thể tích của bê tông. Có nghĩa là, nếu xét 1 m3 (1.000 lít) bê tông có:

Vab 1000  VaD  VaC  VaX  VaN Trong đó: Vab, VaĐ, VaC, VaX và VaN là thể tích tuyệt đối của bê tông, đá dăm, cát, xi măng và nước.

4.4.3.1. Xác định lượng nước nhào trộn Lượng nước nhào trộn (N) phụ thuộc vào tính công tác của loại hỗn hợp bê tông (Độ sụt hoặc Độ cứng), và có thể xác định từ bảng tra được lập sẵn.

160

Bảng 4.12a. Hướng dẫn lựa chọn Độ cứng/Độ sụt theo loại kết cấu Kết cấu và phƣơng pháp chế tạo

C (giây)

S (cm)

Cấu kiện bê tông cốt thép tháo khuôn sớm

20 - 10

Tấm phủ đường ô tô

10 - 6

1-2

Bê tông toàn khối ít cốt thép

6-4

2-4

Cột, dầm, xà tấm bằng bê tông cốt thép

≤4

4-8

Bê tông nhiều cốt thép

8 - 10

Các chi tiết lắp ghép nhà

12 - 18

Bê tông rất dày cốt thép

18 - 24

Bảng 4.12b. Hướng dẫn lựa chọn Độ sụt theo loại kết cấu

Tính công tác của hỗn hợp bê tông thiết kế có thể lựa chọn theo hướng dẫn được ghi trong các Bảng 4.12abc. Khi thời gian thi công kéo dài thêm 30 ÷ 45 phút, độ sụt có thể chọn cao hơn so với giá trị ghi trong bảng từ 2 ÷ 3 cm. Khi cần kéo dài hơn nữa thì nên sử dụng phụ gia. Bảng 4.12c. Hướng dẫn lựa chọn Độ cứng/Độ sụt theo loại kết cấu và phương pháp thi công

161

Căn cứ yêu cầu về Độ sụt hoặc Độ cứng, có thể xác định lượng nước nhào trộn hỗn hợp bê tông dựa vào loại cốt liệu lớn và đường kính lớn nhất, được ghi ở Bảng 4.18a. Lượng nước xác định được từ Bảng 4.18a tương ứng với cốt liệu nhỏ là cát hạt trung có độ ẩm 7% và cốt liệu lớn có độ ẩm không đáng kể; nếu là cát hạt nhỏ thì lượng nước cần tăng lên 7 ÷ 10%; nếu độ ẩm của cát lớn hơn hoặc nhỏ hơn 7% thì sẽ phải hiệu chỉnh lại lượng nước: thông thường độ ẩm của cát cứ tăng hoặc giảm 1% thì lượng nước sẽ giảm hoặc tăng 5 lít; cần hiệu chỉnh lượng nước theo độ ẩm cốt liệu lớn. Bảng 4.18a. Lượng nước dùng trộn bê tông Độ cứng (ĐC) (giây)

Độ sụt (SN) (cm)

150 - 200 90 - 120 60 - 80 30 - 50 20 - 30 15 - 20

0 0 0 0 0 -1 1 - 1,5 2 - 2,5 3-4 5 7 8 10 - 12

Lƣợng nƣớc (lít) ứng với loại cốt liệu lớn và Dmax Sỏi Đá dăm 10 20 40 10 20 40 145 130 120 155 145 130 150 135 125 160 150 135 160 145 130 170 160 145 165 150 135 175 165 150 175 160 145 185 175 160 185 170 155 195 185 170 190 175 160 200 190 175 195 180 165 205 195 180 200 185 170 210 200 185 205 190 175 215 205 190 210 195 180 220 210 195 215 200 190 225 215 200

Ngoài ra, có thể xác định lượng nước nhào trộn theo Độ sụt hoặc Độ cứng, loại cốt liệu lớn và mô đun độ lớn của cát, thể hiện ở Bảng 4.18b. Bảng 4.18b. Lượng nước dùng trộn bê tông, l/m3

162

4.4.3.2. Xác định tỉ lệ xi măng/nước Việc xác định tỉ lệ xi măng/nước nhào trộn (X/N), được sử dụng dựa vào công thức Bolomey - Skramtaev: Đối với bê tông thường (X/N = 1,4 ÷ 2,5):

X R yc   0,5 N AR x

(4-1a)

Đối với bê tông cường độ cao (X/N > 2,5):

R X  yc  0,5 N A1R x

(4-1b)

Trong đó : + Rx: Cường độ (mác) của xi măng; + Ryc: Cường độ chịu nén yêu cầu của bê tông 28 ngày tuổi; + A và A1: Hệ số chất lượng vật liệu, được lựa chọn theo các Bảng 4.2ab. Trong thực tế, để nâng cao và đảm bảo chất lượng bê tông, thường tính toán thành phần bê tông với cường độ yêu cầu (Ryc) lớn hơn cường độ tối thiểu (Rb): Ryc = (1,2 ÷ 1,3)Rb

4.4.3.3. Xác định lượng xi măng và phụ gia Việc xác định lượng xi măng (X) được dựa vào tỷ lệ X/N đã xác định được ở bước thực hiện trước. Từ lượng nước (N) và tỷ lệ X/N, xác định được lượng xi măng sử dụng cho 1 m3 bê tông theo công thức (4-22):

X

X .N;kg N

(4-22)

Sau khi xác định được lượng xi măng từ tính toán, cần so sánh với lượng xi măng tối thiểu Xmin và tối đa (Xmax) theo quy định từng tiêu chuẩn thiết kế. Nếu lượng xi măng tính toán lớn hơn lượng xi măng tối thiểu, ta dùng lượng xi măng tính toán; nếu nhỏ hơn ta phải dùng lượng xi măng tối thiểu. Khi lượng xi măng xác định được lớn hơn Xmax, cần xem lại việc lựa chọn vật liệu sử dụng: Chất lượng xi măng, chất lượng cốt liệu; đồng thời kiểm tra lại mức độ tin cậy của các kết quả tính toán. Theo ASTM: Xmin = 300 kg/m3 bê tông. Theo TC Pháp: Xmin = (250 + Rb)/D1/3 .

163

Theo TCVN: Xmax = 475 kg/m3 bê tông (TCVN 272-05). Xmin ∈ phương pháp thi công và điều kiện làm việc của kết cấu công trình (Bảng 4.3ab). Bảng 4.3a. Lượng xi măng tối thiểu theo phương pháp thi công Phương pháp đầm chặt

Điều kiện làm việc của kết cấu công trình

Bằng tay

Bằng máy

Trực tiếp tiếp xúc với nước

265

240

Bị ảnh hưởng của mưa gió không có phương tiện bảo vệ

250

220

Không bị ảnh hưởng của mưa gió

220

200

Bảng 4.3b. Lượng xi măng tối thiểu theo theo kích thước cốt liệu và độ sụt Kích thước hạt cốt liệu lớn nhất, mm

Lượng xi măng tối thiểu ứng với độ sụt, kg 1 ÷ 10 cm

10 ÷ 16 cm

220

240

200

220

180

210

160

180

Phụ gia thường được dùng theo chỉ dẫn của nhà sản xuất; tuy nhiên cần lưu ý các nguyên tắc: Sử dụng đúng loại phụ gia (đúng mục đích); tổng lượng dùng không quá 5% khối lượng xi măng; chỉ sử dụng phụ gia khi có hướng dẫn của nhà sản xuất, các loại phụ gia phải được thí nghiệm khi sử dụng.

4.4.3.4. Xác định lượng cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ Lượng cốt liệu lớn (D) được xác định trên cơ sở lý thuyết về thể tích tuyệt đối, nghĩa là: Thể tích 1 m3 (1.000 dm3) hỗn hợp bê tông sau khi đầm chặt bằng tổng thể tích đặc của cốt liệu, xi măng và nước: VaBT = VaD +VaC + VaX + VaN

164

(4-23)

Với 1 m3 bê tông có:

Trong đó: + VaX, VaN,VaC, VaD: Thể tích đặc của X, N, C, D dùng trong 1 m3 bê tông, dm3; + γaX, γaC, γaD: Khối lượng riêng của xi măng, CLN, CLL, g/cm3; + X, N, C và D: Khối lượng xi măng, nước, CLN, CLL dùng trong 1 m3 bê tông, kg. Quan niệm rằng xi măng khi tương tác với nước tạo thành hồ xi măng, và sẽ lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu nhỏ, đồng thời bao bọc quanh cốt liệu nhỏ tạo thành vữa xi măng (co như vữa xi măng hoàn toàn đặc). Vữa xi măng lại lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn và bao quanh chúng với một lớp có bề dày nhất định để tạo độ dẻo cho hỗn hợp. Như vậy, thể tích vữa xi măng (Vvữa) phải lớn hơn tổng thể tích lỗ rỗng cốt liệu lớn để lại (VrD): Vvữa = kd. VrD với kd là hệ số dư vữa hợp lý, chọn theo Bảng 4.19. Bảng 4.19. Hệ số dư vữa

Lượng XM trong 1 m3 bê tông

Hệ số dư vữa kd Đá dăm

Sỏi

250

1.30

1.34

300

1.36

1.42

350

1.42

1.48

400

1.47

1.52

Từ phân tích ở trên, ta có: VaX + VaN + VaC = kd. VrD ↔

 aX



 kd .rD .

D

 aN D

 0D

 

 aC D

 aD

 kd .rD .V0 D  kd .rD .

 0D

 1000

1000 , kg kd .rD . 1 

 0D

(2-24)

 aD

165

Trong đó: + rD: Độ rỗng của cốt liệu lớn; + γ0D, γaD: Khối lượng thể tích và khối lượng riêng của CLL, g/cm3. Sau khi xác định được lượng nước nhào trộn (N), lượng xi măng (X) và lượng đá dăm (D), việc các định lượng cát (C) cho 1 m3 bê tông có thể được thực hiện theo công thức (4-25):

  X  D C  1000     N   . aC ;kg   aX  aD  

(4-25)

Trong đó: γaX, γaD và γaC là khối lượng riêng của xi măng, đá dăm và cát, g/cm3.

4.4.3.5. Tổng hợp kết quả tính toán lý thuyết Kết quả tính toán các thành phần vật liệu chế tạo bê tông có thể được tổng hợp theo dạng bảng (Bảng 4.20) hoặc được biểu diễn theo khối lượng xi măng: Bảng 4.20. Kết quả tính toán lý thuyết các thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông D (kg)

C (kg)

X (kg)

N (lít)

Phụ gia

1200

681

290

200

1168

696

300

205

Kết quả tính toán biểu diễn theo tỉ lệ với khối lượng xi măng, ví dụ:

X C D N : : :  1: 2, 0 : 3,5 : 0, 7 X X X X Theo tỉ lệ này, khi nhào trộn hỗn hợp chế tạo bê tông theo thiết kế, tỷ lệ nhào trộn sẽ là: 1 kg xi măng; 2 kg cốt liệu nhỏ; 3,5 kg cốt liệu lớn và 0,7 lít nước.

4.4.3.6. Kiểm tra bằng thực nghiệm và hiệu chỉnh Bước tính toán bằng lý thuyết đã xác định được lượng X, N, C và D cho 1 m3 hỗn hợp bê tông. Song trong quá trình tính toán đã phải dựa vào một số bảng tra, biểu đồ, công thức mà điều kiện thành lập các bảng tra, biểu đồ, công thức đó có thể khác với điều kiện thực tế. Vì vậy, cần phải có bước kiểm tra lại bằng thực nghiệm để xem với hàm lượng vật liệu tính toán, hỗn hợp bê tông và bê tông có thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu hay không.

166

Trình tự và nội dung thực hiện việc hiệu chỉnh thường bao gồm: Nhào trộn hỗn hợp với thành phần vật liệu đã tính lý thuyết (V lít); kiểm tra độ tính công tác (độ sụt) và kiểm tra cường độ. Khi kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông, sẽ có thể xảy ra các trường hợp đòi hỏi phải xử lý như sau: - Độ sụt nhỏ hơn độ sụt yêu cầu: Lúc này cần phải tăng lượng dùng X vµ N, nhưng phải đảm bảo tỷ lệ N/X không đổi để không phải tính lại lượng CLL và CLN; - Độ sụt lớn hơn độ sụt yêu cầu: Lúc này cần phải tăng lượng CLL và CLN, sao cho tỉ lệ C/Đ không đổi; - Độ sụt bằng độ sụt yêu cầu: Chấp nhận kết quả và chuyển sang kiểm tra cường độ. Kiểm tra cường độ bê tông được thực hiện bằng việc lấy hỗn hợp bê tông đã thử độ sụt để đúc mẫu thử; bảo dưỡng trong ĐKTC sau 28 ngày; nén mẫu để xác định cường độ ở tuổi 28 ngày. Tương tự như kiểm tra độ sụt, khi kiểm tra cường độ cũng sẽ có thể xảy ra các trường hợp đòi hỏi phải xử lý như sau: - Cường độ nhỏ hơn cường độ yêu cầu: Lúc này phải tính toán lại từ đầu với việc phải chọn lại mác xi măng, hoặc chọn lại cả các loại vật liệu khác có chất lượng tốt hơn...; - Cường độ lớn hơn hoặc bằng cường độ yêu cầu: Lúc này cũng cần cân nhắc, nếu cường độ lớn hơn quá 15% thì phải giảm X (để đảm bảo tính kinh tế - tiết kiệm); còn nếu cường độ cường độ lớn hơn không quá 15% thì có thể chấp nhận kết quả. Sau khi hiệu chỉnh thành phần chế tạo các mẫu đạt yêu cầu về cường độ, cần xác định lại lượng vật liệu cho 1 m3 bê tông. Việc hiệu chỉnh lại lượng vật liệu cho 1 m3 bê tông được thực hiện dựa vào các công thức hiệu chỉnh như sau: D1 = 1000. Dmau /V (kg/m3) C1 = 1000. Cmau /V (kg/m3) X1 = 1000. Xmau /V (kg/m3) N1 = 1000. Nmau /V (kg/m3) Trong đó: + Dmau, Cmau, Xmau, Nmau: Lượng dùng đá, cát, xi măng, nước (Đ, C, X, N) cho mẫu thử bê tông có thể tích V (lít) sau khi đã kiểm tra cường độ (kg); + Đ1, C1, X1, N1: Lượng dùng Đ, C, X, N cho 1 m3 bê tông sau khi đã kiểm tra đạt cường độ.

167

4.4.4. Xác định lượng vật liệu cho một mẻ trộn máy Khi dùng thùng trộn có dung tích là V0, dung tích này chỉ do CLL, CLN và xi măng chiếm chỗ, còn nước chỉ nằm trong các lỗ rỗng: V0 = V0x + V0c + V0đ Trong thực tế khi chế tạo bê tông vật liệu được sử dụng ở trạng thái tự nhiên. Thể tích hỗn hợp bê tông (Vb) sau khi nhào trộn luôn nhỏ hơn tổng thể tích tự nhiên của các loại vật liệu thành phần cộng lại (V0X + V0C + V0D): Vb < V0X + V0C + V0D Sự chênh lệch về thể tích đó được đánh giá bằng “hệ số sản lượng” () và được tính theo công thức (4-26).



Vb 1000  V0 V0 X  V0C  V0 D

(4-26)

Khi đã biết được khối lượng vật liệu để chế tạo 1 m3 bê tông thì hệ số sản lượng được tính theo công thức (4-27).



1000 X C D  

x

C

(4-27)

D

Trong đó: + X, C và D: Lượng xi măng, lượng cốt liệu nhỏ và lượng cốt liệu lớn dùng cho 1 m3 bê tông tại hiện trường, kg; + γx, γC và γD: Khối lượng thể tích xốp của xi măng, của cốt liệu nhỏ và của cốt liệu lớn, g/cm3. Tùy thuộc vào độ rỗng của các vật liệu thành phần mà giá trị của hệ số sản lượng bê tông thường nằm trong khoảng 0,55 ÷ 0,75. Dựa vào hệ số sản lượng bê tông, để tính lượng vật liệu cho một mẻ trộn của máy có dung tích thùng trộn là V0 (dm3) theo các công thức (4-28).

X0   X C0   C 168

V0 , kg 1000

(4-28a)

(4-28b)

D0   D

V0 , kg 1000

(4-28c)

N0   N

V0 , lit 1000

(4-28d)

Trong đó: X0, C0, D0, N0: lượng xi măng, CLN, CLL và nước để đổ vào thùng trộn có dung tích V0.

4.5. Thi công bê tông Quy trình thi công bê tông hay chế tạo các cấu kiện bê tông được tiến hành theo các bước công việc cơ bản bao gồm: Chuẩn bị; Trộn; Vận chuyển; Đổ khuôn; Đầm nén; Dưỡng hộ và Kiểm tra chất lượng. 1. Chuẩn bị Các công việc chuẩn bị có thể chia thành hai mảng lớn, đó là chuẩn bị về vật lực và chuẩn bị về nhân lực. Chuẩn bị vật lực bao gồm: nguyên vật liệu, máy móc, thiết bị, dụng cụ...; chuẩn bị nhân lực bao gồm: cán bộ kỹ thuật, công nhân… 2. Trộn (chế tạo hỗn hợp) Việc cân đong các vật liệu thành phần để chế tạo bê tông có thể tiến hành bằng biện pháp thủ công hoặc tự động. Đối với xi măng: Sai số cho phép là ± 1%; đối với cốt liệu: Sai số cho phép là ± 3%. Cốt liệu, xi măng và phụ gia bột cân đong theo khối lượng; nước và phụ gia lỏng được cân đong theo thể tích. Khi cân đong, cần phải điều chỉnh khối lượng theo độ ẩm thực tế của cốt liệu. Công tác nhào trộn hỗn hợp bê tông có thể tiến hành bằng thủ công hay bằng các máy trộn bê tông khác nhau. Hỗn hợp bê tông sau khi nhào trộn phải đảm bảo độ đồng nhất. Thời gian trộn được xác định theo dung tích thùng trộn và độ sụt yêu cầu cảu hỗn hợp. 3. Vận chuyển Sau khi nhào trộn hỗn hợp cần vận chuyển đến vị trí đổ khuôn. Thực tế thường dùng ô tô chuyên dụng (khi cự ly vận chuyển lớn hơn 200 m); hoặc dùng băng truyền, xe cút kít, xe goòng (khi cự ly vận chuyển không lớn hơn 200 m). Để đảm bảo độ đồng nhất và độ dẻo cho hỗn hợp bê tông khi đổ khuôn định hình cấu kiện, thời gian vận chuyển hỗn hợp bê tông không vượt quá giới hạn cho phép, tùy theo nhiệt độ của hỗn hợp bê tông: Không quá 30 phút khi nhiệt độ của hỗn hợp bê tông trong

169

khoảng 30 ÷ 200C; không quá 60 phút khi nhiệt độ của hỗn hợp bê tông 19 ÷ 100C; không quá 120 phút khi nhiệt độ của hỗn hợp bê tông 9 ÷ 50C. Nếu sử dụng loại xe chuyên dụng có thùng tự quay để vận chuyển hỗn hợp bê tông thì thời gian vận chuyển cho phép có thể lớn hơn. 4. Đổ khuôn Để tránh phân tầng, chiều cao đổ hỗn hợp bê tông không nên vượt quá 1 m. Nếu sử dụng máy phun áp lực thì có thể phun lên cao, nhưng không nên quá 60 m. Lưu ý: Trong quá trình đổ khuôn không làm sai lệch vị trí cốt thép; đảm bảo độ đồng đều và tránh hiện tượng phân tầng. 5. Đầm nén Công tác đầm nén (đầm lèn) hỗn hợp bê tông có thể tiến hành bằng biện pháp thủ công hay cơ giới và phải đầm lèn đến độ chặt theo yêu cầu. Thực tế việc đầm lèn bê tông hiện nay thường tiến hành bằng cơ giới với các loại máy như: đầm bàn, đầm dùi, đầm rung ép, rung cán, tạo hình ép ly tâm… Mức độ đầm chặt được đánh giá bằng hệ số lèn chặt K; hỗn hợp bê tông được coi là chặt hoàn toàn khi K ≥ 0,98. Lưu ý: Trong quá trình đầm lèn không làm sai lệch vị trí cốt thép; đảm bảo độ đồng đều và tránh hiện tượng phân tầng. 6. Dưỡng hộ Dưỡng hộ (bảo dưỡng) bê tông là đảm bảo các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm để cho quá trình thủy hóa của xi măng được thuận lợi và ngăn ngừa các ảnh hưởng có hại từ môi trường xung quanh. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể mà ta có thể sử dụng các biện pháp khác nhau như phủ cát, phủ bao tải, rơm rạ lên cấu kiện bê tông rồi tưới nước định kỳ, hoặc sử dụng biện pháp chưng hơi ở áp lực thường, biện pháp chưng áp... Thời gian bảo dưỡng phụ thuộc loại xi măng, điều kiện nhiệt độ và tốc độ bốc hơi; thông thường từ 8 ÷ 10 ngày. 7. Kiểm tra chất lượng bê tông Sau khi thi công cần tiến hành kiểm tra chất lượng bê tông; đây là khâu hết sức quan trọng, thường bao gồm các công việc như: Kiểm tra nguyên vật liệu chế tạo bê tông (cát, đá, xi măng…); kiểm tra tính chất của hỗn hợp bê tông và cường độ bê tông trong thi công (độ sụt, độ cứng, cường độ chịu nén…); kiểm tra các khâu công việc khi thi công (cân đong, nhào trộn, đổ khuôn, đầm chặt và dưỡng hộ); kiểm tra tính năng kỹ thuật của bê tông

170

sau thi công (cường độ theo các mức ngày tuổi quy định của bê tông…); kiểm tra các thông số khác theo yêu cầu.

4.6. Một số loại bê tông đặc biệt 4.6.1. Bê tông chất lượng cao Bê tông chất lượng cao (HPC - High Performence Concrete) là loại bê tông có cường độ chịu nén trung bình ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn 60 MPa (Rb ≥ 60 MPa) và có một số tính năng được cải thiện, đảm bảo có độ bền cao dưới tác dụng của môi trường khai thác. Thành phần của HPC được thiết kế hợp lý; dùng các nguyên vật liệu có chất lượng cao; dùng phụ gia: muội silic siêu mịn, các chất khoáng siêu mịn, các loại sợi… Các loại bê tông chất lượng cao thường có chung đặc tính cường độ tăng rất nhanh trong 3 ngày đầu sau khi chế tạo (có thể đạt 80 ÷ 85% so với cường độ chuẩn - R28). Bê tông chất lượng cao thường được dùng cho các công trình cấp cao.

4.6.2. Bê tông tự đầm a) Khái niệm chung Bê tông tự đầm (Self Compacting Concrete) là loại bê tông khi thi công có khả năng tự đặc, không cần đầm nén. Bê tông tự đầm xuất hiện đầu tiên ở Nhật Bản; là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản trên cơ sở phát triển phụ gia siêu dẻo Polyme thế hệ mới. Nó được ứng dụng ở Nhật từ những năm của thập kỷ 80 của thế kỷ trước, ngày nay được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Bê tông tự đầm là bê tông có độ linh động rất cao, có thể tự chảy dưới tác dụng của trọng lượng bản thân để lấp đầy hoàn toàn ván khuôn ngay cả khi có mật độ bố trí cốt thép dày đặc mà không cần đầm, rung động; đồng thời, các thành phần bê tông vẫn giữ nguyên tính đồng nhất trong suốt quá trình vận chuyển và thi công. Bê tông tự đầm thường được dùng trong việc xây dựng mố cầu, đập thủy lợi... ở những kết cấu công trình nhiều cốt thép. Bê tông tự đầm có những ưu điểm cơ bản như: đảm bảo hiệu quả kinh tế (thi công nhanh, giảm chi phí hoàn thiện bề mặt, giảm chi phí nhân công, thiết bị); dễ dàng lấp đầy ván khuôn hẹp, cho phép chế tạo những cấu kiện mỏng cho nên giảm lượng bê tông; cải thiện chất lượng bê tông và nâng cao độ bền lâu (bề mặt bê tông đồng nhất và phẳng); không cần đầm rung giảm khả năng bị thấm nước, tăng sức kháng thâm nhập của Clo, giảm mức độ cacbonat hóa và những ảnh hưởng khắc nghiệt khác; tăng tuổi thọ công trình; cải thiện điều kiện thi công (Giảm tiếng ồn, ít gây ảnh hưởng sức khoẻ và an toàn; giảm ảnh hưởng tới môi trường xung quanh).

171

Bê tông tự đầm chỉ có nhược điểm cơ bản là chi phí vật liệu cao; nhưng do giá trị gia tăng cao, cho nên vẫn bù đắp được phần chi phí này. b) Đặc trưng cơ bản của bê tông tự đầm Đặc trưng của bê tông tự đầm được thể hiện qua hai chỉ tiêu cơ bản là độ sụt chảy và thời gian chảy qua phễu. Độ sụt chảy: Rót bê tông vào một khuôn hình chóp cụt, đáy dưới có đường kính 32 cm, mặt đỉnh có đường kính 16 cm. Khi nhấc khuôn lên bê tông tụt xuống và tràn xòe ra với đường kính tối thiểu 65 cm. Thời gian chảy qua phễu: Phễu hình V (Hình 4.12), miệng phễu có kích thước 490x75 mm sau đó vuốt một đoạn 425 mm với độ dốc 1:1 và cuốn phễu dài 150 mm có mặt cắt 65x75 mm. Khi rót bê tông đầy phễu này, mở đáy dưới thời gian chảy khoảng 6 giây là đạt tiêu chuẩn.

Hình 4.12. Thiết bị V - funnel c) Thành phần của bê tông tự đầm Yêu cầu đối với cốt liệu của bê tông tự đầm cần phải có kích thước hạt nhỏ, mịn. Ví dụ: Loại hạt đường kính 0 ÷ 4 mm chiếm 53%, đường kính hạt 4 ÷ 8 mm: 15%; đường kính hạt 8 ÷16 mm: 32%. Bê tông tự đầm thường phải dùng thêm tro bay, bột đá vôi; dùng thêm phụ gia siêu dẻo (1,5 ÷ 2 lít/100 kg xi măng). Cốt liệu thô: Khi sản xuất bê tông tự đầm (BTTĐ), nên sử dụng cỡ hạt cốt liệu thô lớn nhất trong khoảng 12 ÷ 20 mm. Trong đó, hàm lượng cốt liệu điển hình lấy như sau:

172

+ BTTĐ loại 0/4 mm - cốt liệu thô chiếm 50%; + BTTĐ loại 4/8 mm - cốt liệu thô chiếm 15%; + BTTĐ loại 8/16 mm - cốt liệu thô chiếm 35%. Thành phần hạt mịn: Cỡ hạt mịn lấy không nên lớn quá 1,125 mm. Hàm lượng hạt mịn phụ thuộc vào kích cỡ cốt liệu thô lớn nhất, và mục đích ứng dụng của bê tông tự đầm. Cụ thể, hàm lượng hạt mịn điển hình trong sản xuất được quy định như sau: + BTTĐ loại 0/4 mm - hàm lượng hạt mịn ≥ 650 kg/m3; + BTTĐ loại 4/8 mm - hàm lượng hạt mịn ≥ 550 kg/m3; + BTTĐ loại 8/16 mm - hàm lượng hạt mịn ≥ 500 kg/m3; + BTTĐ loại 16/32 mm - hàm lượng hạt mịn ≥ 475 kg/m3. Xi măng: Hàm lượng xi măng sử dụng được xác định dựa theo các yêu cầu về tính chất của bê tông tự đầm trong các công trình cụ thể. Hàm lượng xi măng mang tính điển hình có thể tham khảo như sau: + BTTĐ loại 0/4 mm - hàm lượng xi măng 500 ÷ 650 kg/m3; + BTTĐ loại 4/8 mm - hàm lượng xi măng 450 ÷ 500 kg/ kg/m3; + BTTĐ loại 8/16 mm - hàm lượng xi măng 400 ÷ 450 kg/m3; + BTTĐ loại 16/32 mm - hàm lượng xi măng 375 ÷ 425 kg/m3. Nước: Lượng nước sử dụng trong quá trình sản xuất bê tông tự đầm có ảnh hưởng rất lớn đến các đặc trưng chất lượng của loại bê tông này khi đã hóa cứng. Cụ thể: Nếu là BTTĐ có chất lượng thấp, hàm lượng nước khoảng 200 lít/m3 bê tông; nếu là BTTĐ có chất lượng trung bình, hàm lượng nước khoảng 180 ÷ 200 lít/m3 bê tông; nếu là BTTĐ có chất lượng cao, hàm lượng nước nhỏ hơn 180 lít/m3 bê tông. Phụ gia: Phụ gia sử dụng được quy định riêng cho từng loại bê tông tự đầm.

4.6.3. Bê tông nhẹ Bê tông nhẹ là loại bê tông có khối lượng thể tích (KLTT - ) nằm giới hạn trong khoảng từ 0,5  1,8 g/cm3; loại dùng phổ biến thường có  = 0,9  1,4 g/cm3. Cường độ nén trung bình thường không lớn và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và phương pháp chế tạo: Rb = 1,5  50 MPa (loại thông dụng: Rb = 5  20 MPa).

173

Bê tông nhẹ thường được sử dụng để làm tường ngoài, tường ngăn, trần ngăn và các kết cấu khác nhằm giảm bớt trọng lượng bản thân của công trình, đồng thời tăng cường khả năng cách nhiệt của các kết cấu bao che. Thời gian gần đây, bê tông nhẹ còn được sử dụng trong cả các kết cấu và công trình thủy. Theo cấu tạo, bê tông nhẹ được phân thành 3 loại: Bê tông nhẹ cấu tạo đặc (lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu được nhét đầy vữa xi măng, còn độ rỗng của bê tông chính là độ rỗng của cốt liệu); bê tông nhẹ cấu tạo xốp (dùng vữa xi măng xốp; lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu được nhét đầy vữa xi măng xốp); bê tông nhẹ hốc lớn (vữa xi măng không đủ để lấp đầy các lỗ rỗng mà chỉ bọc xung quanh các hạt cốt liệu và gắn kết chúng với nhau), loại bê tông này không CLN hoặc ít CLN. Theo công dụng, bê tông nhẹ phân thành 3 loại: Bê tông nhẹ chịu lực (chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của loại bê tông này là cường độ chịu nén); bê tông nhẹ chịu lực - cách nhiệt (các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng là cả cường độ chịu nén và khối lượng thể tích), loại bê tông này thường được sử dụng trong các kết cấu nhà dân dụng chịu lực hay chỉ chịu trọng lượng bản thân; bê tông nhẹ cách nhiệt (chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để đánh giá loại bê tông này là khối lượng thể tích). Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của các loại bê tông nhẹ được ghi ở Bảng 4.21. Bảng 4.21. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhẹ  ở trạng thái khô, g/cm3

Mác theo cƣờng độ Rn, daN/cm2

Hệ số dẫn nhiệt , kCal/m.0C.h

Chịu lực

1,4  1,8

150, 200, 250, 300, 400

Chịu lực - cách nhiệt

0,5  1,4

35, 50, 75, 100

0,50

Cách nhiệt

0,3  0,5

10, 25, 35

0,25

Loại bê tông

4.6.4. Bê tông cốt thép a) Khái niệm bê tông cốt thép Bê tông cốt thép là loại vật liệu xây dựng gồm hai thành phần chủ yếu là bê tông xi măng và cốt thép. Hai thành phần này cùng làm việc trong một thể đồng nhất. Bê tông là loại vật liệu giòn, cường độ chịu kéo chỉ vào khoảng 1/10 ÷ 1/20 cường độ chịu nén; trong khi đó thép là vật liệu dẻo, chịu kéo tốt nên việc bổ sung cốt thép cùng làm việc với bê tông ở vùng chịu kéo trong các cấu kiện chịu uốn sẽ làm tăng thêm đáng kể khả năng chịu uốn của cấu kiện.

174

Bê tông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu xây dựng hỗn hợp, trong đó bê tông và cốt thép cùng phối hợp làm việc với nhau như một thể thống nhất. Nguyên tắc cấu tạo: Bố trí cốt thép để chịu ứng suất kéo trong cấu kiện; đồng thời, bố trí cốt thép ở vùng nén của cấu kiện để trợ lực cho bê tông hoặc do cấu tạo. Việc sử dụng được thép phối hợp cùng làm việc với bê tông là do những lý do cơ bản như sau: - Thứ nhất, bê tông có khả năng liên kết tốt với thép (lực dính lớn), nên chúng có thể cùng làm việc với nhau như một thể đồng nhất về mặt chịu lực; - Thứ hai, bê tông còn bao bọc kín và bảo vệ những thanh cốt thép tránh được các tác nhân gây ăn mòn từ môi trường; - Thứ ba, thép và bê tông có hệ số co giãn nhiệt xấp xỉ nhau, nên tính toàn khối của bê tông cốt thép được đảm bảo. b) Bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép dự ứng lực Tùy theo trạng thái ứng suất của cốt thép trong bê tông mà có thể chia bê tông cốt thép thành hai loại: bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép dự ứng lực (bê tông cốt thép ứng suất trước). Trong các cấu kiện bê tông cốt thép thường, đặc biệt là các cấu kiện kích thước lớn, khó tránh khỏi việc xuất hiện các vết nứt trong bê tông ở vùng chịu kéo vì bê tông là vật liệu nặng và giòn, độ giãn dài trước khi bị phá hủy của bê tông rất nhỏ; trong khi độ giãn dài trước khi bị phá hủy của thép lại quá lớn so với bê tông, nên khi ứng suất kéo trong bê tông đã đạt giới hạn thì ứng suất kéo trong cốt thép vẫn còn ở mức độ quá thấp. BTCT thường: Cách đặt cốt thép có thể được xác định từ sơ đồ Hình 4.13:

Hình 4.13. Các loại cốt thép trong kết cấu 1. Cốt chịu kéo; 2. Cốt chịu nén; 3. Cốt nhiệt; 4. Cốt xiên chống cắt; 5. Cốt đai Đặt cốt thép vào các vùng chịu kéo để tăng cường khả năng chịu kéo của cấu kiện; ta gọi là “cốt thép chịu kéo - cốt chịu kéo”. Đặt cốt thép vào các vùng chịu nén để tăng cường hơn nữa khả năng chịu nén của cấu kiện; ta gọi là “cốt thép chịu nén - cốt chịu nén”.

175

Đặt cốt thép vào các vùng chịu cắt để tăng cường khả năng chịu cắt của cấu kiện; ta gọi là “cốt thép xiên - cốt xiên” và “cốt thép đai - cốt đai”. Đặt cốt thép vào kết cấu để nhằm mục đích định vị, tạo hình, chống co ngót... cho cấu kiện; ta gọi là “cốt thép cấu tạo - cốt cấu tạo, cốt nhiệt”. BTCT dự ứng lực: Kết cấu bê tông dự ứng lực là một dạng kết cấu bê tông cốt thép, trong đó bê tông đã được nén trước để cải thiện khả năng chịu lực. Cụ thể, khi chế tạo, người ta căng cốt thép để nén vùng kéo của cấu kiện (bê tông được nén trước và cốt thép được kéo trước) nhằm khống chế sự xuất hiện và hạn chế bề rộng vết nứt. Nguyên lý chế tạo và sử dụng của hai loại bê tông cốt thép được thể hiện ở các Hình 4.14.

Hình 4.14. a. Sơ đồ nguyên lý chế tạo và sử dụng của hai loại bê tông cốt thép; b. Sơ đồ mô tả vị trí cốt thép dự ứng lực

176

Có 2 phương pháp đặt cốt thép dự ứng lực: Phương pháp căng trước và Phương pháp căng sau, được thể hiện trên các sơ đồ Hình 4.15.

Căng trước (trên bệ)

Căng sau (trên BT)

Hình 4.15. Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực Tóm lại: Bê tông có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén, nhưng lại có cường độ thấp và giòn khi chịu kéo; để cải thiện sự làm việc của nó, người ta sử dụng biện pháp nén trước những vùng bê tông sẽ chịu kéo dưới tác dụng của lực căng cốt thép. Việc nén trước bê tông như vậy đã tạo ra một dạng kết cấu bê tông mới - kết cấu bê tông dự ứng lực.

177

Chương 5 VỮA XÂY DỰNG 5.1. Khái niệm chung về vữa xây dựng 5.1.1. Khái niệm vữa Vữa xây dựng là một loại vật liệu đá nhân tạo, nhận được bằng cách cho đóng rắn hỗn hợp có thành phần bao gồm chất kết dính (xi măng, thạch cao, vôi…), dung môi (nước), cốt liệu hạt nhỏ (cát) và phụ gia. Vữa xây dựng được sử dụng để xây hoặc trát, cho nên khác với bê tông, cốt liệu của vữa chỉ có kích thước hạt nhỏ (cát) để có thể dàn thành lớp mỏng. Khi sử dụng, vữa xây dựng sẽ tiếp xúc với mặt nền xây, mặt khối trát và với không khí. Do diện tích bề mặt các lớp vữa lớn nên nước dễ bay hơi và xảy ra hiện tượng mất nước. Vì vậy, lượng nước nhào trộn của vữa cần lớn hơn của bê tông để có thể bù đắp sự mất nước nêu trên và đảm bảo đủ nước cho quá trình thủy hóa và đóng rắn của chất kết dính.

5.1.2. Phân loại vữa Trong thực tế, vữa xây dựng thường được phân loại theo các căn cứ như: chất kết dính sử dụng, theo khối lượng thể tích và theo công dụng của vữa. Theo dạng chất kết dính sử dụng, vữa xây dựng có thể phân thành các loại: vữa xi măng (chất kết dính là xi măng); vữa vôi (chất kết dính là vôi); vữa thạch cao (chất kết dính là thạch cao); vữa tổng hợp (sử dụng chất kết dính hỗn hợp: xi măng + vôi, xi măng + đất sét, xi măng + thạch cao...). Theo khối lượng thể tích, vữa xây dựng có thể phân thành các loại: vữa nặng (khối lượng thể tích  > 1,5 g/cm3) và vữa nhẹ (khối lượng thể tích  ≤ 1,5 g/cm3). Theo công dụng (mục đích sử dụng), vữa xây dựng có thể phân thành các loại: vữa xây (dùng để xây gạch, xây đá; thường sử dụng cát hạt trung); vữa trát (dùng để trát hoàn thiện bề mặt các khối xây; thường sử dụng cát hạt mịn); vữa ốp lát, trang trí (dùng để hoàn thiện công trình; thường sử dụng vữa có chất lượng cao, độ dẻo - độ dính bám lớn; thạch cao là chất kết dính thường được lựa chọn); vữa đặc biệt (dùng cho các công dụng đặc biệt: vữa phun cáp dự ứng lực, vữa cách âm - cách nhiệt...).

178

5.2. Nguyên liệu chế tạo vữa 5.2.1. Chất kết dính Chất kết dính sử dụng để chế tạo vữa xây dựng thường là chất kết dính vô cơ, trong đó được dùng phố biến là các loại xi măng, vôi... Loại chất kết dính được lựa chọn trên cơ sở yêu cầu phải đảm bảo cường độ và độ ổn định của vữa xây dựng trong những điều kiện sử dụng cụ thể. Trong điều kiện môi trường khô ráo nên dùng vữa mác 2  4. Nếu không có yêu cầu gì đặc biệt thì để đảm bảo cường độ và độ dẻo của vữa thì nên dùng vữa mác 10  75. Trong môi trường ẩm ướt nên dùng vữa xi măng mác 100  200. Xi măng sử dụng để chế tạo vữa nên chọn loại có mác lớn gấp 3  4 lần mác của vữa. Vôi rắn trong không khí sử dụng để chế tạo vữa thường là dạng vôi nhuyễn, còn thạch cao là thạch cao xây dựng.

5.2.2. Cốt liệu - cát Cát có nhiệm vụ tạo bộ khung cứng và giảm độ co ngót. Có thể dùng cát tự nhiên hoặc cát nhân tạo; các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng cát bao gồm: kích thước hạt, thành phần hạt và lượng ngậm tạp chất. 1) Kích thước hạt Việc lựa chọn đường kính lớn nhất danh định của cát (Dmax) phụ thuộc vào loại vữa cần chế tạo: - Vữa xây đá: Dmax hạt cát ≤ 1/4  1/5 chiều dày mạch xây; - Vữa xây gạch: Dmax hạt cát ≤ 5 mm; - Vữa hoàn thiện: Dmax hạt cát ≤ 2,5 mm. 2) Mô đun độ lớn và thành phần hạt Cũng như cát dùng cho bê tông, cát dùng cho vữa cũng phải là hỗn hợp bao gồm các cấp hạt khác nhau (cấp phối). Việc lựa chọn mô đun độ lớn (Mk) cũng như thành phần hạt của cát phụ thuộc vào loại vữa: - Cát có Mk = 0,7 ÷ 1,5: Có thể sử dụng chế tạo vữa mác ≤ M5; - Cát có Mk = 1,5 ÷ 2,0: Có thể sử dụng chế tạo vữa mác M7,5. Hàm lượng hạt có d > 5 mm không lớn hơn 5%. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570 - 2006, cấp phối hạt phải đảm bảo theo quy định được thể hiện ở Bảng 5.1.

179

Bảng 5.1. Quy định thành phần hạt của cát chế tạo vữa Lƣợng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng

Kích thƣớc lỗ sàng

Cát thô

Cát mịn

2,5 mm

Từ 0 đến 20

1,25 mm

Từ 15 đến 45

Từ 0 đến 15

630 μm

Từ 35 đến 70

Từ 0 đến 35

315 μm

Từ 65 đến 90

Từ 5 đến 65

140 μm

Từ 90 đến 100

Từ 65 đến 90

Lượng qua sàng 140 μm, không lớn hơn

3) Hàm lượng tạp chất Chất lượng của cát có ảnh hưởng lớn đến cường độ của vữa. Yêu cầu đối với cát dùng để chế tạo vữa là phải đảm bảo lượng chất bẩn như sét, bùn, bụi... không được vượt quá các quy định. Yêu cầu về hàm lượng chất bẩn (sét, bùn, bụi...) lẫn trong cát không lớn hơn 10% (theo TCVN 7570 - 2006), cụ thể được thể hiện ở Bảng 5.2. Bảng 5.2. Quy định hàm lượng tạp chất trong cát chế tạo vữa Hàm lƣợng tạp chất, % khối lượng, không lớn hơn Tạp chất

Sét cục và các tạp chất dạng cục Hàm lượng bùn, bụi, sét

Bê tông cấp cao hơn B30

Bê tông cấp thấp và bằng B30

Vữa

Không có được

0,25

0,50

1,50

3,00

10,00

5.2.3. Phụ gia Trong vữa xây dựng có thể sử dụng tất cả các loại phụ gia như đối với bê tông. Phụ gia được dùng với mục đích cải thiện tính chất của vữa, cũng như để tiết kiệm lượng dùng chất kết dính.

5.2.4. Nước Nước dùng cho việc chế tạo vữa cũng phải là nước sạch; các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cũng giống như yêu cầu với nước dùng cho việc chế tạo bê tông.

180

5.3. Tính chất cơ bản của vữa 5.3.1. Độ dẻo của hỗn hợp vữa Độ dẻo của hỗn hợp vữa là một tính chất quan trọng, có ảnh hưởng quyết định đến năng suất lao động và chất lượng của khối xây. Độ dẻo đặc trưng cho khả năng dễ hay khó nhào trộn (thi công). Do vữa phải làm việc ở trạng thái dàn mỏng nên yêu cầu độ dẻo phải lớn. Độ dẻo được đánh giá bằng độ cắm sâu vào vữa của một quả chùy kim loại hình côn (côn thử độ dẻo), có khối lượng 300 g, góc ở đỉnh bằng 300 (Hình 5.1). Tương tự như đối với bê tông, độ dẻo của vữa xây dựng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng nước nhào trộn, độ lớn và hình dạng của các hạt cát, mức độ nhào trộn...

Hình 5.1. Sơ đồ dụng cụ thử độ dẻo vữa 1. Chùy hình nón; 2. Chậu vữa; 3. Bảng đo Côn thử độ dẻo là dụng cụ kim loại có dạng hình nón, góc ở đỉnh bằng 300, cao 145 mm, nặng 300 ± 2 g, đường kính đáy 75 mm. Phễu đựng vữa hình nón cụt cao 180 mm, đường kính đáy nhỏ là 20 mm, đường kính đáy lớn là 150 mm. Hỗn hợp sau khi trộn xong được đổ ngay vào phễu, dùng chày đầm 25 cái, sau đó lấy bớt vữa ra sao cho mặt vữa thấp hơn miệng phễu 1 cm. Dằn nhẹ trên mặt bàn hay nền cứng 5 ÷ 6 lần cho mặt vữa phẳng đều, rồi đặt vào giá dưới côn và hạ mũi côn vừa chạm sát vào mặt vữa ở tâm đáy phễu. Thả vít cho côn rơi tự do vào trong vữa và sau 10 giây đọc trị số độ lún trên bảng đo. Độ dẻo của hỗn hợp vữa xây dựng được lựa chọn dựa trên cơ sở điều kiện làm việc của khối xây và phương pháp thi công như ở Bảng 5.3.

181

Bảng 5.3. Lựa chọn độ dẻo của hỗn hợp vữa xây dựng Trời nóng hoặc gạch, đá kém đặc chắc

Trời ẩm ƣớt, lạnh hoặc gạch, đá đặc chắc

Khối xây gạch

8  10

68

Khối xây đá hộc

67

45

Khối xây đá hộc bằng phương pháp chấn động

23

12

Loại khối xây

5.3.2. Tính giữ nước của hỗn hợp vữa Để đảm bảo có đủ nước cho chất kết dính thủy hóa và đóng rắn, ít bị mất nước do khối xây hút, do bay hơi hoặc do tách nước trong quá trình vận chuyển thì đòi hỏi vữa xây dựng phải có tính giữ nước tốt. Tính giữ nước được đánh giá bằng độ phân tầng (PT) và xác định theo hai phương pháp là: phương pháp lắng và phương pháp chấn động. a) Phương pháp lắng Hỗn hợp vữa mới trộn được đổ đầy vào một chiếc thùng có đường kính 15 cm, cao 30 cm rồi tiến hành đo độ cắm sâu S1 của chùy. Sau đó để yên tĩnh trong 30 phút rồi lấy đi 2/3 khối lượng vữa trong thùng một cách nhẹ nhàng và không làm xáo trộn phần vữa còn lại. Trộn đều phần vữa còn lại đó rồi cho vào thùng có đường kính 15 cm, cao 15 cm và xác định độ cắm sâu S2. Độ phân tầng (PT) được xác định theo công thức (5-1). PT = S1 – S2, cm

(5-1)

b) Phương pháp chấn động Theo phương pháp chấn động, vữa được cho vào dụng cụ có 3 thớt hình trụ rỗng bằng kim loại (Hình 5.2), đậy nắp rồi đặt lên bàn rung và tiến hành rung trong thời gian 30 giây. Trượt thớt 1 và thớt 2 trên tấm trượt 4 và 5 để tách khối vữa ban đầu ra thành 3 phần. Lấy phần 1 và phần 3 ra trộn riêng lại trong 30 giây rồi tiến hành đo độ cắm sâu S1 và S3 cho từng phần vữa đã trộn lại. Độ phân tầng được xác định theo công thức (5-2).

Hình 5.2. Sơ đồ dụng cụ thử độ phân tầng của vữa

182

PT = S1 – S3, cm

(5-2)

Vữa có độ giữ nước càng tốt khi có độ phân tầng (PT) càng nhỏ. Đối với vữa xây dựng, độ phân tầng được lựa chọn theo điều kiện thi công như ở Bảng 5.4. Bảng 5.4. Lựa chọn độ phân tầng của hỗn hợp vữa xây dựng Độ phân tầng, cm

Phạm vi sử dụng thích hợp

0 (Không phân tầng)

Thi công mùa hè, nhưng không dùng để trát mặt (vì dễ nứt)

< 0,25 (phân tầng ít)

Vữa xây thủy công

1 2 (phân tầng vừa)

Khi trời khô ráo, gạch đá đã được nhúng nước

> 2 (phân tầng mạnh)

Không dùng được trong điều kiện bình thường

5.3.3. Tính chống thấm của vữa Vữa thường ở mặt ngoài công trình nên cần có tính chống thấm thích hợp. Đánh giá tính chống thấm của vữa bằng việc làm thí nghiệm: Cho mẫu vữa dày 2 cm chịu áp lực nước ban đầu là 0,5 at, sau mỗi giờ tăng thêm 0,5 at cho đến khi nước thấm qua (hình thành giọt nước); mác chống thấm là áp lực nước lớn nhất (at) mà nước chưa thấm qua. Nếu sau 24h mà nước không thấm được qua mẫu vữa thí nghiệm, thì vữa đó được coi là có tính chống thấm tốt.

5.3.4. Cường độ vữa Với các loại vữa xây chát thông thường, ta chủ yếu quan tâm tới cường độ chịu nén. Cường độ chịu nén là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng vữa. Cường độ chịu nén của vữa xây dựng được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu thử hình khối lập phương cạnh 7,07 cm hoặc các nửa mẫu vữa sau khi chịu uốn mẫu dầm có kích thước 4x4x16 cm, ở tuổi được tiêu chuẩn hóa, hoặc với các điều kiện kỹ thuật đã được quy định cho từng loại vữa. Khuôn đúc mẫu thí nghiệm là khuôn bằng thép có đáy hoặc không có đáy tùy theo điều kiện làm việc của vữa, cụ thể: Khuôn có đáy sử dụng cho vữa đóng rắn trên nền không hút nước; khuôn không có đáy (đáy lót bằng giấy ẩm) sử dụng cho vữa đóng rắn trên nền hút nước. Cường độ của vữa xi măng ở tuổi 28 ngày (R28) có thể xác định bằng các công thức thực nghiệm của N.A. Popov: Với vữa đóng rắn trên nền không hút nước phụ thuộc vào cường độ xi măng (Rx), và tỷ lệ nước/xi măng (N/X), được thể hiện ở công thức (5-3a).

183

Bảng 5.5. Cường độ của vữa xi măng phụ thuộc vào nhiệt độ đóng rắn Cƣờng độ vữa đóng rắn ở các nhiệt độ khác nhau, % R28 đóng rắn ở 150C

Tuổi, ngày

10C

50C

100C

150C

200C

250C

300C

350C

400C

450C

500C

1,5

100

105

100

106

102

106

102

106

109

100

106

110

X  R28  0,4.Rx   0,3  N 

(5-3a)

Với vữa đóng rắn trên nền xốp hút nước (gạch xây) chỉ phụ thuộc vào lượng dùng xi măng (X) mà không phụ thuộc vào tỷ lệ X/N, vì lượng nước còn lại trong vữa sau khi bị nền hút hầu như bằng nhau, được thể hiện ở công thức (5-3b):

R28  K .Rx . X  0,05  4

(5-3b)

Trong đó: + R28: Cường độ vữa ở tuổi 28 ngày (mác vữa), daN/cm2; + RX: Mác xi măng, daN/cm2; + X: Lượng xi măng dùng cho 1 m3 cát, kg; + N: Lượng xi măng dùng cho 1 m3 vữa, lít; + K: Hệ số phụ thuộc vào chất lượng cát; nếu mác xi măng được xác định bằng phương pháp mềm thì hệ số K có các trị số như sau:

184

 Đối với cát hạt lớn: K = 2,2;  Đối với cát hạt trung bình: K = 1,8;  Đối với cát hạt nhỏ: K = 1,4. Tốc độ phát triển cường độ của vữa dùng xi măng Pooclăng ở các tuổi khác nhau phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, được thể hiện ở Bảng 5.5. Trên cơ sở cường độ chịu nén của vữa ở tuổi 28 ngày R28 (daN/cm2), vữa xây dựng được chia thành các mác: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 và 200.

5.4. Lựa chọn thành phần vữa Thành phần (cấp phối) vữa là tỉ lệ về thể tích giữa các thành phần vật liệu với nhau. Tính chất và cường độ của vữa phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng nguyên liệu và cấp phối của vữa.

5.4.1. Cấp phối vữa vôi Đối với vữa vôi, thường không cần tính toán mà thành phần thường chỉ được lựa chọn phụ thuộc vào chất lượng vôi; từ chất lượng vôi sẽ xác định theo tỷ lệ về thể tích của vôi và cát: - Vôi cấp 1: Tỉ lệ vôi/cát thường là V : C = 1 : 4; - Vôi cấp 2: Tỉ lệ vôi/cát thường là V : C = 1 : 3; - Vôi cấp 3: Tỉ lệ vôi/cát thường là V : C = 1 : 2.

5.4.2. Cấp phối vữa hỗn hợp xi măng - vôi Cấp phối của vữa hỗn hợp xi măng - vôi - cát thường được tra từ bảng lập sẵn (Bảng 5.6) hoặc tính toán theo công thức thực nghiệm. Cấp phối của vữa hỗn hợp thường được biểu thị bằng tỷ lệ theo thể tích giữa xi măng với vôi và cát, ví dụ: X : V : C = 1 : V : C. Việc tính toán cấp phối vữa hỗn hợp theo các công thức thực nghiệm được tiến hành theo trình tự như sau: - Bước 1: Tính lượng xi măng. Lượng xi măng (X) sử dụng ứng với 1 m3 cát (hoặc 1 m3 vữa) được xác định theo công thức (5-4).

X 

Rv .1000 , kg K .R x

(5-4)

185

Trong đó: + RX: Mác xi măng, daN/cm2; + K: Hệ số chất lượng vật liệu, lấy theo Bảng 5.7. Bảng 5.6. Cấp phối của vữa hỗn hợp xi măng - vôi Tỷ lệ phối hợp theo thể tích X : V : C của các mác vữa

Mác xi măng

100

600

1: 0,4: 4,5

1: 0,7: 6

1: 0,7: 8

500

1: 0,3: 4

1: 0,5: 4

1: 1: 9

400

1: 0,2: 3

1: 0,3: 4

1: 0,7: 8

300

1: 0,2: 3

1: 1: 8

1: 1: 10

250

1: 0,7: 6

1: 0,7: 8

200

1: 0,4: 5

1: 1: 10

150

1: 0,2: 3

1: 0,7: 6

1: 0.7: 8

100

1: 0,1: 2,5

1: 0,5: 5

1: 1: 9

Ghi chú: 1. Với công trình thủy có thể dùng tăng thêm hàm lượng xi măng; 2. Khối lượng thể tích  của xi măng được quy định như sau: - Xi măng mác 300  600:  = 1,1 kg/lít; - Xi măng mác 150  250:  = 0,9 kg/lít; - Xi măng mác 100:  = 0,7 kg/lít; 3. Cát sử dụng ở trạng thái xốp có độ ẩm W = 1  3%. Khi độ ẩm cát nhỏ hơn 1% thì lượng dùng cát giảm đi 10%. Khi độ ẩm của cát lớn hơn 3% thì lượng dùng cát tăng thêm 10%; 4. Các số liệu trên ứng với vôi cấp II có  = 1.400 kg/m3. Khi dùng vôi cấp I thì lượng dùng vôi giảm đi 10%. Khi dùng vôi cấp III thì lượng dùng vôi tăng thêm 10%.

186

Bảng 5.7. Hệ số chất lượng vật liệu

Mô đun độ lớn của cát

Xi măng Pooclăng thƣờng

Xi măng Pooclăng puzơlan

0,7  1,0

0,71

0,80

1,1  1,3

0,73

0,82

1,31  1,5 > 1,51

0,79

0,89

0,88

1,00

Hệ số K

- Bước 2: Tính lượng vôi nhuyễn. Lượng dùng vôi nhuyễn (V) được xác định theo lượng dùng xi măng, thể hiện ở công thức (5-5). V = 170.(1 – 0,002.X), lít (5-5) - Bước 3: Tính lượng nước nhào trộn. Lượng nước nhào trộn vữa (N) có thể được xác định bằng thực nghiệm theo yêu cầu về độ dẻo của vữa (độ cắm sâu của quả chùy), hoặc có thể tính toán bằng công thức gần đúng (5-6). (5-6)

N = 0,65.(X + V.) , lít

Trong đó:  là khối lượng thể tích của vôi nhuyễn, g/cm . Sau khi tính toán lượng dùng nước theo công thức trên cần tiến hành làm thí nghiệm để điều chỉnh lại lượng dùng nước nhằm đạt được độ dẻo yêu cầu của vữa. 3

5.4.3. Cấp phối vữa xi măng Cấp phối vữa xi măng - cát thường được lựa chọn bằng cách tra bảng đã lập sẵn (Bảng 5.7) với tỉ lệ X/C khác nhau tùy thuộc mác xi măng, yêu cầu về cường độ và KLTT của vữa. Bảng 5.7. Cấp phối vữa xi măng

Mác xi măng 600 500 400 300 250 200

Cấp phối vữa xi măng (theo thể tích X : C) cho các mác 100 75 50 25 1 : 4,5 1:6 1:4 1:5 1:3 1:4 1:6 1:3 1 : 4,5 1:3 1:6 -

1 : 2,5

1:5

Lượng xi măng dùng cho vữa xi măng - cát thường lớn hơn khoảng 2 lần lượng xi măng dùng cho bê tông.

187

Chương 6 VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ VẬT LIỆU GỖ 6.1. Vật liệu kim loại 6.1.1. Khái niệm và ưu, nhược điểm 6.1.1.1. Khái niệm vật liệu kim loại Vật liệu xây dựng bằng kim loại (gọi tắt: Vật liệu kim loại) là loại vật liệu được chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim của chúng. Ở dạng nguyên chất, kim loại thường có cường độ, đô cứng thấp, độ dẻo cao nên phạm vi sử dụng rất hạn chế. Vì vậy, trong xây dựng chúng thường được sử dụng dưới dạng hợp kim. Hợp kim của sắt (thép, gang) được gọi là kim loại đen, hợp kim của các kim loại còn lại được gọi là kim loại màu. Vật liệu kim loại thường được sử dụng trong các công trình giao thông như cầu, đường sắt, công trình thủy lợi, công trình công nghiệp cũng như các công trình dân dụng, công trình văn hóa thể thao.

6.1.1.2. Ưu và nhược điểm của vật liệu kim loại So với các vật liệu xây dựng khác, sử dụng vật liệu kim loại có một số ưu và nhược điểm nổi bật như: Cường độ chịu lực cao; kết cấu gọn nhẹ hơn, nên có thể vượt được khẩu độ lớn và an toàn trong khai thác sử dụng. Tuy nhiên, vật liệu kim loại cũng có những nhược điểm là giá thành cao, dễ bị ăn mòn dưới tác dụng của các tác nhân môi trường, nên cần phải được chăm sóc, bảo dưỡng thường xuyên.

6.1.2. Tính chất của vật liệu kim loại Vật liệu xây dựng có nhiều tính chất khác nhau. Tùy thuộc vào phạm vi, điều kiện và mục đích sử dụng mà người ta có thể nghiên cứu tính chất này hoặc tính chất khác nhằm mục đích sử dụng chúng một cách phù hợp và hiệu quả nhất. Đối với vật liệu kim loại sử dụng trong xây dựng thì những tính chất cơ học của chúng cần được quan tâm nghiên cứu một cách đầy đủ.

6.1.2.1. Tính biến dạng Dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại sẽ bị biến dạng. Biến dạng của kim loại sẽ xảy ra theo ba giai đoạn: Giai đoạn biến dạng đàn hồi, giai đoạn biến dạng dẻo và giai đoạn phá hủy (Hình 6.1).

188

Hình 6.1. Biểu đồ kéo của kim loại Giai đoạn biến dạng đàn hồi xảy ra khi tải trọng tác dụng nhỏ và thường là nhỏ hơn nhiều so với khả năng chịu lực của vật liệu (P  PP). Khi đó độ biến dạng (l) có quan hệ bậc nhất với tải trọng (vùng I). Giai đoạn biến dạng dẻo xảy ra khi tải trọng tác dụng tiền gần tới giới hạn bền của vật liệu (PP  P  Pmax). Khi đó độ biến dạng không còn quan hệ bậc nhất với tải trọng (vùng II). Nguyên nhân gây ra biến dạng dẻo là do hiện tượng trượt của các phần tử trong mạng tinh thể của kim loại. Biến dạng dẻo là đặc trưng quan trọng của kim loại, nó làm cho kim loại có thể gia công cơ - nhiệt để tạo ra các sản phẩm với hình dạng và tính chất yêu cầu. Giai đoạn phá hủy xảy ra khi tải trọng tác dụng đã đạt đến hoặc vượt qua giá trị cực đại (P  Pmax). Khi đó sẽ xuất hiện các vết nứt và mẫu kim loại bị phá hoại (vùng III). Đặc trưng cho tính biến dạng của vật liệu kim loại là độ giãn dài tương đối và mô đun đàn hồi: Độ dãn dài tương đối (): Là tỉ lệ phần trăm giữa độ giãn dài tuyệt đối (Δl) sau khi kéo và độ dài ban đầu (l0) của mẫu thử, được xác định theo công thức (6-1).

 

l 100% l0

(6-1)

Trong đó: + l: Độ giãn dài tuyệt đối khi kéo mẫu thử; + l0: Chiều dài ban đầu của mẫu thử.

189

Mô đun đàn hồi (E) là chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu lực trong giai đoạn đàn hồi của vật liệu. Trị số mô đun đàn hồi phụ thuộc từng loại thép và thường nằm trong khoảng 170.000 ÷ 210.000 MPa; có thể xác định theo thí nghiệm hoặc tra cứu từ các tiêu chuẩn, quy trình (TCVN 5574 - 2012). Dưới tác dụng của tải trọng, quan hệ giữa biến dạng đàn hồi và ứng suất trong vật liệu thép ở giai đoạn biến dạng đàn hồi được thể hiện ở công thức (6-2).

 

 E

(6-2)

Trong đó: + : Ứng suất trong mẫu thử dưới tác dụng của tải trọng, MPa; + E: Mô đun đàn hồi của thép, MPa.

6.1.2.2. Cường độ Cường độ là đặc trưng cơ bản của vật liệu kim loại và thường được đánh giá qua các chỉ tiêu cơ bản sau: - Giới hạn đàn hồi (p) là ứng suất lớn nhất ứng với tải trọng (Pp) mà biến dạng dẻo không vượt quá 0,05%.

p 

Pp F0

, daN/cm2, Mpa

(6-3)

- Giới hạn chảy (c) là ứng suất giới hạn ứng với tải trọng (Pc) khi mẫu thử (thanh thép) bị chảy (tải trọng không đổi nhưng độ giãn dài tiếp tục tăng), ứng với biến dạng dư (biến dạng dẻo) không vượt quá 0,2% (giới hạn chảy quy ước - 0,2).

c 

Pc F0

, daN/cm2, Mpa

(6-4)

- Giới hạn bền (b) là ứng suất giới hạn ứng với tải trọng (Pmax) khi mẫu thử bị phá hoại, được xác định theo công thức (6-5).

b 

Pmax F0

, daN/cm2, Mpa

(6-5)

- Cường độ tiêu chuẩn (trị số tiêu chuẩn của cường độ - gọi tắt: Cường độ tiêu chuẩn) là trị số đo đếm thực tế hoặc lấy theo tiêu chuẩn; cường độ tiêu chuẩn được dùng trong tính toán theo điều kiện sử dụng (tính toán theo trạng thái giới hạn 2).

190

Bảng 6.1. Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của một số loại thép thông dụng Nhóm thép

Giá trị, MPa

CI, A-I

235

CII, A-II

295

CIII, A-III

390

CIV, A-IV

590

A-V

788

A-VI

980

AT-VII

1175

A-IIIB

540

Bảng 6.2. Cường độ tính toán của một số loại thép thông dụng

Cƣờng độ chịu kéo, MPa Nhóm thép thanh

CI, A-I CII, A-II A-III có đường kính, mm CIII, A-III có đường kính, mm CIV, A-IV A-V A-VI AT-VII

A-IIIB

68 10  40

Có kiểm soát độ giãn dài và ứng suất Chỉ kiểm soát độ giãn dài

Cƣờng độ chịu nén RSC

Cốt thép dọc Rs 225 280

Cốt théo ngang (cốt thép đai, cốt thép xiên) RSW 175 225

355

285*

355

365

290*

365

510 680 815 980

405 545 650 785

450** 500** 500** 500**

490

390

200

450

360

200

225 280

191

Cường độ tính toán (trị số tính toán của cường độ - gọi tắt: Cường độ tính toán) là trị số được lấy từ cường độ tiêu chuẩn và có kể đến độ tin cậy và điều kiện làm việc; cường độ tính toán được dùng trong tính toán theo điều kiện về cường độ (tính toán theo trạng thái giới hạn 1). Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán được xác định dựa trên cơ sở giới hạn chảy và giới hạn bền của các loại thép: Bảng 6.1 và Bảng 6.2 (TCVN 5574 - 2012).

6.1.2.3. Các tính chất khác của vật liệu kim loại Độ bền xung kích (độ bền va chạm) là khả năng của vật liệu kim loại chống lại tác dụng của lực va chạm (daN/cm2); được xác định bằng thí nghiệm trên mẫu thử có kích thước 1x1 cm. Độ cứng của vật liệu kim loại sử dụng trong xây dựng được xác định bằng phương pháp Brinen. Trong thực tế, các loại thép xây dựng có độ cứng HB = 300  400 daN/mm2. Hệ số giãn nở nhiệt (α) của vật liệu kim loại thường tương đối lớn. Đối với thép xây dựng, hệ số giãn nở nhiệt vào khoảng 11,7x10-6 mm/mm/0C. Độ dẻo và tính hàn được là tính chất nhằm đảm bảo khả năng gia công và tạo khung cho cốt thép: uốn, hàn nối cốt thép...

6.1.3. Vật liệu kim loại đen và màu Cũng như kim loại, vật liệu kim loại được chia thành hai loại: vật liệu kim loại đen và vật liệu kim loại màu.

6.1.3.1. Vật liệu kim loại đen Vật liệu kim loại đen thường dùng trong xây dựng là thép và gang; đây là hỗn hợp với thành phần chính là sắt (Fe), có lẫn cacbon (C) và một số nguyên tố hóa học khác như Si, Mn, P, S... Việc chia kim loại đen thành thép và gang chủ yếu dựa vào hàm lượng cacbon (C) có trong nó. Thép là hợp kim có thành phần chủ yếu là sắt (Fe), có lẫn cacbon (C) với hàm lượng nhỏ hơn 2% và một số nguyên tố hóa học khác như Si, Mn, P, S... Thép là vật liệu kim loại được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng. Theo hàm lượng cacbon, thép được chia thành ba loại. Gang là hợp kim bao gồm thành phần chính là sắt (Fe) và cacbon (C) với hàm lượng không nhỏ hơn 2%; ngoài ra, cũng còn có các chất khác như mangan (Mn), silic (Si) và các tạp chất P và S... Theo cấu trúc vi mô, có thể chia gang thành 4 loại: trắng, xám, cầu và dẻo; trong xây dựng sử dụng chủ yếu là gang xám và gang cầu. So với thép, gang có một số đặc điểm khác biệt cơ bản là:

192

- Độ bền chịu kéo của (bK max) gang chỉ bằng (1/3  1/5) của thép; - Độ bền chịu nén của (bN max) gang tương đương của thép; - Độ dẻo, độ đặc của gang thấp hơn thép rất nhiều. Gang trong xây dựng thường được sử dụng làm gối cầu và các chi tiết cấu tạo không đòi hỏi độ dẻo. Thực tế, chỉ sử dụng gang có hàm lượng cacbon không lớn hơn 6%.

6.1.3.2. Vật liệu kim loại màu Kim loại màu được chia thành hai loại là loại nặng và loại nhẹ. Loại nhẹ gồm có nhôm (Al), magiê (Mg) và hợp kim của chúng; loại nặng gồm có đồng (Cu), thiếc (Sn) và hợp kim của chúng. Trong xây dựng, vật liệu kim loại màu được sử dụng rộng rãi nhất là hợp kim nhôm. Kim loại màu loại nặng chỉ được sử dụng trong các công trình đặc biệt với mục đích chống ăn mòn. Vật liệu kim loại màu có nhiều tính chất ưu việt hơn vật liệu kim loại đen như khả năng chống ăn mòn, cường độ, độ dẻo, tính mỹ thuật cao... nên chúng được sử dụng khá rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt là sử dụng cho các chi tiết kiến trúc. Nhược điểm cơ bản của vật liệu kim loại màu là giá thành cao.

6.1.4. Thép cacbon và thép hợp kim 6.1.4.1. Thép cacbon Thép cacbon là loại thép có chứa các nguyên tố khác (ngoại trừ C) trong thép với hàm lượng không đáng kể và được lẫn vào do điều kiện nguyên vật liệu và công nghệ. Theo hàm lượng C, thép các bon được chia thành 3 loại: - Thép cacbon thấp: Hàm lượng cacbon C  0,25%; - Thép cacbon trung bình: Hàm lượng cacbon C = 0,25  0,6%; - Thép cacbon cao: Hàm lượng cacbon C = 0,6  2%. Hàm lượng cacbon có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của thép. Khi hàm lượng cacbon trong thép tăng thì độ dẻo của thép sẽ giảm và độ giòn tăng. Vì vậy, trong các kết cấu xây dựng chịu tải trọng động thì nên dùng loại thép cacbon thấp. Trong xây dựng thường dùng ở dạng đã qua cán nóng, chế tạo thành dạng tấm, thanh, dây, chữ U, I, thép góc...; được chia thành ba loại là A, B, C dựa theo thành phần hóa học, tính chất cơ học.

193

6.1.4.2. Thép hợp kim Để tăng cường tính chất kỹ thuật của thép phù hợp với mục đích sử dụng, người ta có thể thêm một số nguyên tố kim loại khác: Mn, Cr, Ni, Al, Cu... ta gọi là thép hợp kim. Thép hợp kim là loại thép có chứa thêm các nguyên tố đặc biệt khác với hàm lượng đáng kể và thích hợp, nhằm làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép phù hợp với mục đích sử dụng. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu. Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như: độ bền cao; các tính chất vật lý và hóa học khác như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn… hơn hẳn. Dựa vào tổng lượng các nguyên tố hợp kim được đưa vào, thép hợp kim được chia thành ba loại: thép hợp kim thấp (có tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5%); thép hợp kim trung bình (có tổng lượng các nguyên tố hợp kim khoảng từ 2,5  10%) và thép hợp kim cao (có tổng lượng các nguyên tố hợp kim lớn hơn 10%). Trong xây dựng thường chỉ sử dụng thép hợp kim thấp.

6.1.5. Hợp kim nhôm So với một số kim loại khác, nhôm nguyên chất có độ bền thấp (0,15  0,25 Rthép) nên không được sử dụng trong xây dựng. Hợp kim nhôm là hợp kim của nhôm với các nguyên tố khác như: đồng, thiếc, mangan, silic, magiê... Hợp kim nhôm có ưu điểm cơ bản là: cường độ cao, nhẹ, chống ăn mòn tốt hơn các loại thép. Chính vì vậy, hiện nay hợp kim nhôm được ứng dụng rất rộng rãi cả trong xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp, xây dựng cầu đường...

6.1.6. Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép 6.1.6.1. Yêu cầu với cốt thép cho kết cấu BTCT Cốt thép dùng trong bê tông cũng cần có các yêu cầu cơ bản như vật liệu thép xây dựng thông thường. Ngoài ra, để đảm bảo sự phối hợp làm việc chung với bê tông, cốt thép cần đảm bảo tính dính bám, khả năng chịu biến dạng và độ bền ở mức độ cao. Tính dính bám: Một trong những đặc tính quan trọng nhất của cốt thép dùng trong bê tông là khả năng dính bám, nó là yếu tố đảm bảo sự phối hợp làm việc chung giữa bê tông và cốt thép. Nhờ có sự dính bám tốt mà ứng suất trong hai loại vật liệu mới truyền qua lại

194

cho nhau, để cùng phối hợp làm việc và cùng biến dạng. Để tăng cường lực dính bám, ta sử dụng cốt thép có gờ, uốn neo đầu thép; đồng thời chế tạo bê tông có thành phần hợp lý với độ chặt cao. Tính biến dạng: Từ khi đặt cốt thép vào trong bê tông, cũng như trong quá trình làm việc, cốt thép luôn phải chịu sự tác động từ khối bê tông bao bọc xung quanh, gây nên sự biến dạng. Vì vậy khả năng chịu biến dạng (cũng như khả năng biến dạng) của cốt thép phải tương đồng với bê tông, để đảm bảo không gây ứng suất cục bộ và gây nứt. Tính bền lâu: Tính bền lâu (hay độ bền - tuổi thọ) của các công trình bằng bê tông cốt thép phụ thuộc nhiều vào độ bền của cốt thép. Một khi cốt thép bị phá hủy, thì kết cấu bê tông cốt thép cũng sẽ bị phá hủy.

6.1.6.2. Phân loại cốt thép sử dụng trong kết cấu BTCT Cốt thép dùng trong kết cấu bê tông cốt thép có thể phân loại dựa trên một số căn cứ như sau: Theo hình dạng bề mặt (TCVN 1651 - 1985), cốt thép được phân thành hai loại: Cốt thép tròn trơn (ký hiệu: CI hoặc AI); Cốt thép có gờ (ký hiệu: CII, CIII và CIV hoặc AII, AIII và AIV). Theo phương pháp chế tạo, cốt thép được phân thành ba loại: Cốt thép cán nóng, (ký hiệu: CI, CII, CIII và CIV hoặc AI, AII, AIII và AIV); Cốt thép kéo nguội (ký hiệu: A-IIB, A-IIIB); Cốt thép sợi cường độ cao (ký hiệu: B-I, Bp-II). Theo thành phần hóa học, cốt thép được phân thành hai loại: Thép các bon (là loại thép có thành phần chính là sắt và cacbon với hàm lượng không quá 2%; các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể và được lẫn vào tùy thép điều kiện nguyên vật liệu và công nghệ); Thép hợp kim (là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép). Theo độ cứng (khả năng gia công), cốt thép được phân thành hai loại: Cốt cứng (là các loại thép cứng, chất tạo định hình với các dạng: chữ U, chữ I, chữ L... Loại thép này không thể uốn, cắt... bằng các phương pháp thông thường); Cốt mềm (các loại thép sợi tròn thông thường; khi thi công rất dẽ dàng uốn, cắt bằng thủ công và máy móc thông thường).

6.1.7. Hư hỏng và biện pháp bảo vệ vật liệu kim loại Trong quá trình làm việc, các kết cấu công trình chế tạo từ vật liệu kim loại sẽ chịu tác động của các nhân tố môi trường, gây nên hiện tượng ăn mòn kim loại. Sự ăn mòn kim loại sẽ làm cho vật liệu kim loại bị biến dạng, giảm chất lượng và cường độ, dẫn đến hư

195

hỏng, mất khả năng làm việc của kết cấu và phá hủy công trình. Vì vậy, đối với các kết cấu từ vật liệu kim loại cần có những biện pháp bảo vệ chống ăn mòn một cách phù hợp và hiệu quả. Việc chống ăn mòn cho kim loại có thể thực hiện bằng các phương pháp chủ yếu như sau: - Sử dụng các loại hợp kim đặc biệt: Đối với những công trình quan trọng, những công trình có thời gian sử dụng lâu dài hay các công trình làm việc trong môi trường khắc nghiệt thì cần phải sử dụng những loại hợp kim đặc biệt, có khả năng ổn định chống lại những tác động có hại của các nhân tố gây ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, các loại hợp kim đặc biệt thường có giá thành cao nên chỉ sử dụng trong những điều kiện đặc biệt; - Cách ly kim loại với môi trường: Để cách ly kim loại với môi trường có thể sử dụng các loại sơn chống gỉ, trong một số trường hợp có thể sử dụng nhựa epoxy để sơn phủ lên bề mặt kim loại. Các lớp sơn phủ loại này có độ bền hóa học và độ bền nhiệt cao nên có khả năng chống ăn mòn cho kim loại khá hiệu quả. Trong các trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng lớp sơn phủ phi kim loại (một số loại men, thủy tinh, chất dẻo...) hoặc lớp phủ kim loại (niken, crom, kẽm, đồng...) để phủ lên bề mặt kim loại. Phương pháp này đạt hiệu quả cao nhưng chi phí cũng cao; - Gia công nhiệt hóa bề mặt kim loại: Phương pháp gia công nhiệt hóa bề mặt kim loại được tiến hành bằng cách tạo các lớp phủ phân tán (lớp phủ crom, lớp phủ kẽm, lớp phủ hợp kim nhôm...) thông qua gia công nhiệt hóa để tạo thành các dung dịch rắn hay các hợp chất hóa học có khả năng chống ăn mòn trên bề mặt kim loại. Các phương pháp oxy hóa hay photphat hóa bề mặt kim loại cũng đạt được những hiệu quả tốt. Ví dụ: Nung thép ở nhiệt độ 350  4500C trong vòng 20 phút. Ngoài ba phương pháp chủ yếu nêu trên, những năm gần đây người ta đã sử dụng phương pháp mới để bảo vệ kim loại đạt hiệu quả cao: - Phương pháp sử dụng “chất cản”: Chất cản - chất cho vào môi trường để tạo nên các mảng chống ăn mòn trên bề mặt kim loại. Ví dụ: Trong một số trường hợp có thể sử dụng dầu natry hoặc các chất K2CrO2, Na2CO3 làm chất cản hòa tan vào môi trường nước để bảo vệ kim loại; - Phương pháp triệt tiêu dòng điện: Sử dụng dòng điện xoay chiều; nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tạo ra vùng anot triệt tiêu ở dưới các công trình bằng thép. Phổ biến theo phương pháp này là sử dụng những thiết bị tiêu điện trực tiếp gắn vào phía dưới các cấu kiện thép; - Phương pháp Protector (thiết bị bảo vệ): Là phương pháp bảo vệ katot. Katot được chế tạo từ hợp kim trên cơ sở manhê, thiếc, nhôm. Các Protector được gắn vào kết cấu thép và tạo ra khả năng tự bảo vệ điện hóa học cho kim loại có hiệu quả cao. Tuy nhiên, trước khi áp dụng các phương pháp điện cần phải nghiên cứu một cách đầy đủ điều kiện môi trường.

196

6.2. Vật liệu gỗ 6.2.1. Khái niệm và ưu - nhược điểm của vật liệu gỗ Vật liệu gỗ (VLG) là vật liệu thiên nhiên được sử dụng khá rộng rãi trong việc xây dựng công trình. Ở nước ta có nhiều loại gỗ rừng tự nhiên tốt và quý được dùng trong xây dựng như: trai, đinh, lim, sến, nghiến, lát, mun... Vật liệu gỗ có một số ưu điểm là: Nhẹ và có cường độ khá cao; có khả năng cách âm, cách nhiệt tương đối tốt; dễ gia công cơ giới (cưa, xẻ, bào, khoan); có vân đẹp nên có tính thẩm mỹ cao... Tuy nhiên, nhiều loại gỗ chưa qua chế biến còn có một số nhược điểm lớn như: cấu tạo và tính chất cơ lý không đồng nhất, thường thay đổi theo từng loại gỗ, từng cây hay từng phần trên một cây; khi tồn tại trong không khí, gỗ dễ hút và nhả hơi nước và bị thay đổi thể tích, cong, vênh, nứt nẻ...; dễ bị sâu, nấm, mục, mối, mọt phá hoại; có thể có một số khuyết tật làm giảm khả năng chịu lực và gia công khó khăn; dễ cháy... Ngày nay, với công nghệ và kỹ thuật gia công, chế biến gỗ hiện đại có thể khắc phục được nhiều nhược điểm của gỗ, làm cho việc sử dụng gỗ có hiệu quả hơn như sơn gỗ; sấy và ngâm tẩm; chế biến gỗ dán, ván dăm, ván sợi gỗ ép...

6.2.2. Phân loại và tên gọi của gỗ Vật liệu gỗ sử dụng trong xây dựng thường được phân loại theo một số tiêu chí cơ bản như sau:

6.2.2.1. Phân loại theo cường độ và khối lượng thể tích Dựa trên chịu cường độ và khối lượng thể tích (KLTT), vật liệu gỗ được phân thành 6 nhóm, thể hiện ở Bảng 6.3. Bảng 6.3. Phân nhóm vật liệu gỗ theo cường độ và khối lượng thể tích Nhóm gỗ

Cƣờng độ (105N/m2), Khối lƣợng thể tích (g/cm3) Nén dọc

Uốn tĩnh

Kéo dọc

Cắt dọc

KLTT

 630

 1300

 1395

 125

 0,86

525  629

1080  1299

1165  1394

105  124

0,73  0,85

III

440  524

900  1079

970  1164

85  104

0,62  0,72

365  439

750  899

810  969

70  84

0,55  0,61

305  364

625  749

675  809

60  69

0,50  0,54

< 305

< 625

< 675

< 60

< 0,50

197

Cường độ và khối lượng thể tích thường được xác định lúc độ ẩm của gỗ vào khoảng 15  18%. Thông thường, khối lượng thể tích càng lớn (gỗ càng nặng) thì các tính chất cơ lý càng tốt cho xây dựng.

6.2.2.2. Phân loại theo tên gỗ và đặc điểm cơ bản Ngoài phương pháp phân loại gỗ theo cường độ và khối lượng thể tích, trong thực tế còn có phương pháp phân loại gỗ theo tên gỗ và một sô đặc điểm cơ bản của nó. Việc phân loại này được tiến hành dựa trên cơ sở nhiều yếu tố như khả năng chịu tải, khả năng chống mối mọt, độ ổn định thời tiết, giá trị thẩm mỹ..., đặc biệt là giá trị sử dụng đã được kiểm nghiệm trong thực tế. Theo tên gỗ và đặc điểm cơ bản, vật liệu gỗ được phân thành 8 nhóm (I  VIII): - Nhóm I: Nhóm gỗ quí nổi tiếng trên thị trường (trong nước và quốc tế), có vân đẹp, màu sắc óng ánh, bền và có hương thơm như: Lát hoa, Cẩm lai, Gõ…; - Nhóm II: Nhóm gỗ nặng, cứng bao gồm các loài có tỷ trọng lớn, sức chịu lực cao như: Đinh, Lim, Nghiến, Táu, Sến…; - Nhóm III: Nhóm gỗ nhẹ và mềm hơn, nhưng sức bền cao, độ dẻo dai lớn, sức chịu lực cao như: Sao đen, Chò chỉ, Huỷnh…; - Nhóm IV: Nhóm gỗ có màu tự nhiên, thớ mịn, tương đối bền, dễ gia công chế biến như: Gội, Mỡ, Re…; - Nhóm V: Nhóm gỗ trung bình, có tỷ trọng trung bình, dùng rộng rãi trong xây dựng, đóng đồ đạc như: Sồi Dẻ, Trám, Thông…; - Nhóm VI: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu đựng kém, dễ bị mối mọt, dễ chế biến như: Rồng rồng, Kháo, Chẹo…; - Nhóm VII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực kém, sức chống mối mọt thấp như: Côm, Sổ, Ngát, Vạng…; - Nhóm VIII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực rất kém, khả năng bị mối mọt cao như: Sung, Côi, Ba bét, Ba soi…

6.2.2.3. Một số quy định về tên gỗ dùng trong xây dựng Trong thực tế xây dựng công trình thường sử dụng các loại gỗ thành phẩm hoặc bán thành phẩm; được gọi tên theo phương pháp và mức độ gia công, cũng như đặc điểm của nó như sau: - Gỗ xẻ: Là sản phẩm gỗ đã trải qua quá trình gia công cưa, xẻ; - Gỗ ván: Là gỗ xẻ có ít nhất hai mặt xẻ song song với nhau, chiều rộng mặt xẻ bằng hoặc lớn hơn ba lần chiều dày;

198

- Gỗ hộp: Là gỗ xẻ có ít nhất hai mặt xẻ song song với nhau, chiều rộng mặt xẻ nhỏ hơn ba lần chiều dày; - Gỗ bổ đôi: Là gỗ xẻ có một mặt xẻ đi qua tâm ruột gỗ, mặt còn lại là một phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ bổ tư: Là gỗ xẻ có hai mặt xẻ đi qua tâm ruột gỗ và vuông góc với nhau, mặt còn lại là một phần của bề mặt gỗ tròn; - Bìa bắp: Là phần gỗ còn lại sau khi xẻ chính và không thể xẻ được nữa, mặt cắt ngang là một hình được giới hạn bởi mặt xẻ và một phần của bề mặt gỗ tròn; - Thanh phe: Là phần gỗ còn lại sau khi xẻ phụ và không thể xẻ được nữa, mặt cắt ngang là một hình được giới hạn bởi hai mặt xẻ vuông góc với nhau và một phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ bọc ruột: Là gỗ hộp có phần ruột gỗ nằm ở bên trong; - Gỗ hộp (ván) chẻ ruột: Là gỗ hộp (gỗ ván) có một mặt xẻ chính đi qua tâm ruột gỗ; - Gỗ hộp (ván) bên: Là gỗ hộp (gỗ ván) không có phần ruột gỗ; - Gỗ hộp hai mặt: Là gỗ hộp có hai mặt xẻ song song với nhau, hai mặt còn lại là các phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ hộp ba mặt: Là gỗ hộp có ba mặt xẻ liên tiếp vuông góc với nhau, mặt còn lại là một phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ hộp (ván) vuông cạnh: Là gỗ hộp (gỗ ván) có bốn mặt xẻ liên tiếp vuông góc với nhau; - Gỗ hộp lẹm một (hai, ba, bốn) cạnh: Là loại gỗ hộp vuông nhưng ở trong các mặt xẻ có tồn tại một (hai, ba, bốn) chỗ là một phần của bề mặt gỗ tròn;

Hình 6.2. Ba mặt cắt chính của thân 1. Mặt cắt ngang; 2. Mặt cắt pháp tuyến; 3. Mặt cắt tiếp tuyến

199

Hình 6.3. Mặt cắt ngang của thân 1. Vỏ; 2, Sợi vỏ cây; 3. Lớp hình thành; 4. Lớp gỗ bìa; 5. Lớp gỗ lõi; 6. Lõi gỗ - Gỗ ván lẹm một (hai) mặt bên: Là loại gỗ ván có một (hai) mặt bên có chứa một phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ ván lẹm đầu: Là loại gỗ ván vuông cạnh, nhưng ở đầu ván có một phần mặt chính không xẻ tới nên phần này là một phần của bề mặt gỗ tròn; - Gỗ ván lẹm giữa: Là loại gỗ ván vuông cạnh, nhưng ở trong mặt xẻ của ván có một phần mặt chính không xẻ tới nên phần này là một phần của bề mặt gỗ tròn.

6.2.3. Cấu tạo của của gỗ Cấu tạo của gỗ có thể nhìn thấy được bằng mắt thường hoặc với độ phóng đại không lớn gọi là cấu tạo thô (cấu tạo vĩ mô), cấu tạo của gỗ chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi được gọi là cấu tạo nhỏ (cấu tạo vi mô).

6.2.3.1. Cấu tạo thô Cấu tạo thô của gỗ là loại đặc điểm cấu tạo có thể quan sát được trên ba mặt cắt của thân cây gỗ, thể hiện ở Hình 6.2. Trên mặt cắt ngang của thân cây gỗ (Hình 6.3) có thể quan sát thấy các bộ phận cơ bản là: vỏ; vợi vỏ cây; lớp hình thành; lớp gỗ bìa; lớp gỗ lõi và lõi gỗ: - Vỏ có chức năng bảo vệ thân cây khỏi các động cơ học. Nó gồm có lớp ngoài (lớp tế bào chết) và lớp libe ở bên trong; - Sợi vỏ cây (libe) là lớp tế bào mỏng của vỏ cây, có chức năng truyền và dự trữ thức ăn để nuôi cây;

200

- Lớp hình thành là một lớp tế bào mỏng, có khả năng sinh trưởng ra phía ngoài để sinh ra vỏ và vào phía trong để sinh ra gỗ. Những tế bào được hình thành vào mùa xuân sẽ có bản rộng, thành tế bào mỏng. Ngược lại, những tế bào hình thành vào mùa thu và mùa đông thì sẽ có bản hẹp, thành tế bào dày hơn và làm nhiệm vụ chịu lực; - Lớp gỗ bìa (giác) là lớp gỗ thường có màu nhạt, chứa nhiều nước, mềm, cường độ thấp và rất dễ mục nát; - Lớp gỗ lõi là lớp gỗ lõi thường có màu sẫm hơn lớp gỗ giác, chứa ít nước, cứng, cường độ cao hơn và khó bị mục nát; - Lõi gỗ (tủy gỗ) là bộ phận nằm ở trung tâm (tim) cây gỗ, là phần mềm yếu nhất và rất dễ mục nát. Trên mặt cắt ngang của thân cây gỗ có thể nhìn thấy phần gỗ được cấu tạo bởi các vòng đồng tâm, đó là các vòng tuổi. Hàng năm vào mùa xuân, hạ gỗ phát triển mạnh và tạo nên lớp gỗ dày, mềm, có màu nhạt và chứa nhiều nước. Vào mùa thu, đông gỗ phát triển chậm và tạo nên lớp gỗ mỏng, cứng, màu sẫm và chứa ít nước hơn. Hai lớp gỗ có màu sẫm - nhạt kế tiếp nhau là lớp gỗ được hình thành trong một năm và được gọi là vòng năm hay vòng tuổi của gỗ. Trên mặt cắt ngang của thân cây gỗ cũng có thể quan sát thấy những tia nhỏ li ti hướng vào tâm gỗ và được gọi là tia lõi.

6.2.3.2. Cấu tạo vi mô Những tế bào sống và tế bào chết của gỗ có kích thước và hình dáng khác nhau có thể nhìn thấy được qua kính hiển vi. Các tế bào của gỗ gồm có tế bào chịu lực, tế bào dẫn, tế bào tia lõi và tế bào dự trữ: Tế bào chịu lực (tế bào thớ): Có dạng hình thoi, có chiều dài khoảng 0,3  2 mm, chiều dày 0,02  0,05 mm, thành tế bào dày và nối tiếp nhau theo chiều dọc thân cây. Tế bào chịu lực chiếm tới 76% thể tích gỗ. Tế bào dẫn (mạch gỗ): Gồm những tế bào lớn hình ống xếp chồng lên nhau tạo thành các ống thông suốt để làm nhiệm vụ dẫn nhựa theo chiều dọc thân cây gỗ. Tế bào tia lõi: Là những tế bào xếp theo chiều nằm ngang thân cây. Giữa các tế bào tia lõi có các lỗ thông với nhau. Tế bào dự trữ: Nằm xung quanh mạch gỗ và cũng có các lỗ thông nhau. Chúng có nhiệm vụ chứa các chất dinh dưỡng để nuôi cây. Về cơ bản, cấu trúc của gỗ lá kim cũng như gỗ lá rộng, nhưng gỗ lá kim không có mạch gỗ mà chỉ có tia lõi và tế bào chịu lực. Tế bào chịu lực trong gỗ lá kim có dạng hình thoi, vừa làm nhiệm vụ chịu lực vừa làm nhiệm vụ dẫn nhựa dọc thân cây.

201

Về cấu tạo, mỗi tế bào sống đều có ba bộ phận chủ yếu là vỏ cứng, nguyên sinh chất và nhân tế bào: - Vỏ tế bào: Được cấu tạo bởi xellulo (C6H10O5), lignhin và các hemixellulo. Trong quá trình phát triển, các nguyên sinh chất sẽ tổn hao dần và tạo cho vỏ tế bào ngày càng dày thêm. Đồng thời một bộ phận của vỏ tế bào lại biến thành chất nhờn có thể tan được trong nước. Trong thân gỗ lá rộng thường có 46  48% xellulo, 19  20% lignhin và 26  35% hemixellulo; - Nguyên sinh chất: Là chất abumin thực vật, được cấu tạo từ các nguyên tố hóa học là cacbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N) và lưu huỳnh (S). Trong thành phần nguyên sinh chất có tới trên 70% nước. Vì vậy, khi gỗ bị khô thì các tế bào trở nên rỗng ruột; - Nhân tế bào: Có hình bầu dục, trong đó chứa một số hạt có màu óng ánh và chất abumin dạng sợi. Cấu tạo hóa học của nhân tế bào gần giống với nguyên sinh chất nhưng có thêm nguyên tố photpho (P). Từ cấu tạo của gỗ cho thấy gỗ là vật liệu không đồng nhất và không đẳng hướng, các thớ gỗ chỉ xếp theo một phương dọc thân cây, có phân lớp rõ rệt theo vòng năm; do đó tính chất của gỗ không giống nhau theo vị trí và theo phương của thớ.

6.2.4. Tính chất của gỗ 6.2.4.1. Độ ẩm và tính hút ẩm Nước tồn tại trong gỗ dưới ba dạng là: nước mao quản (nước tự do); nước hấp phụ và nước liên kết hóa học: Nước tự do nằm trong ruột tế bào, trong các khoảng trống giữa các tế bào và trong các ống dẫn; nước hấp phụ nằm trong vỏ tế bào và trong các khoảng trống giữa các tế bào; nước liên kết hóa học nằm trong thành phần cấu tạo hóa học của các chất tạo gỗ. Độ ẩm là chỉ tiêu đánh giá lượng nước chứa trong gỗ (chỉ bao gồm nước tự do và nước hấp phụ) ở từng thời điểm cụ thể; nó có ảnh hưởng lớn đến tính chất của gỗ. Trong cây gỗ đang phát triển có thể chứa cả nước hấp phụ và nước tự do, hoặc chỉ có chứa nước hấp phụ. Khi trong gỗ chỉ có chứa nước hấp phụ mà không có nước tự do thì gỗ ở trạng thái giới hạn bão hòa thớ; độ ẩm tương ứng với trạng thái đó gọi là: Độ ẩm giới hạn bão hòa thớ (Wbht - Giới hạn bão hòa thớ). Giới hạn bão hòa thớ có thể dao động trong khoảng 23  35% tùy thuộc vào từng loại gỗ. Trong quá trình sấy gỗ, nước sẽ tách ra khỏi mặt ngoài của gỗ một cách từ từ, nước từ các lớp gỗ bên trong sẽ dịch chuyển dần ra thay thế lượng nước đã mất ở các lớp gỗ mặt ngoài. Trong khi đó, nếu để gỗ khô trong không khí ẩm, gỗ sẽ hút hơi ẩm trong không khí và sẽ xảy ra quá trình ngược lại (quá trình hút ẩm).

202

6.2.4.2. Độ ẩm cân bằng và độ ẩm tiêu chuẩn Mức độ hút hơi ẩm trong không khí của gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí. Do độ ẩm của không khí không ổn định nên độ ẩm của gỗ cũng luôn thay đổi. Độ ẩm mà gỗ nhận được khi để gỗ lâu dài trong không khí được gọi là độ ẩm cân bằng (Wcb). Độ ẩm cân bằng của gỗ khô trong phòng vào khoảng 8  12%; của gỗ khô sau khi sấy và để lâu dài ở ngoài không khí vào khoảng 15  18%. Do các chỉ tiêu tính chất của gỗ (cường độ, khối lượng thể tích...) thay đổi theo độ ẩm (trong giới hạn của lượng nước hấp phụ), nên để so sánh các chỉ tiêu tính chất của gỗ người ta thường chuyển về độ ẩm tiêu chuẩn Wtc = 18%.

6.2.4.3. Cường độ gỗ Gỗ có cấu tạo không đẳng hướng nên các tính chất cơ học của gỗ theo các phương khác nhau sẽ không giống nhau. Các tính chất cơ học của gỗ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ ẩm, khối lượng thể tích, tỷ lệ thành phần của lớp gỗ sớm và lớp gỗ muộn, tình trạng khuyết tật... Do tính chất cơ học của gỗ phụ thuộc vào độ ẩm (Hình 6.4), nên cường độ của gỗ xác định được ở độ ẩm nào đó (RW) phải quy đổi về cường độ ở độ ẩm tiêu chuẩn (R18) theo công thức (6-6). R18 = RW[1 + (W – 18)]

(6-6)

Trong đó: + : Hệ số điều chỉnh độ ẩm, thay đổi theo loại cường độ (nén, uốn, kéo) và theo phương của thớ gỗ; + W: Độ ẩm của gỗ trong giới hạn bão hòa thớ (W  Wbht).

Hình 6.4. Ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ gỗ

203

Cường độ chịu nén của gỗ được chia thành 3 loại: Cường độ chịu nén dọc thớ, chịu nén ngang thớ pháp tuyến (xuyên tâm), chịu nén ngang thớ tiếp tuyến và chịu nén xiên thớ như các sơ đồ trên Hình 6.5. Mẫu thí nghiệm chịu nén có kích thước 2x2x3 cm. Khi chịu nén ngang, các thớ gỗ bị ép chặt vào nhau và xảy ra biến dạng rất lớn. Khi biến dạng không tỷ lệ với ứng suất thì coi như mẫu bị phá hoại (điểm A Hình 6.6a).

Hình 6.5. Các dạng chịu nén của gỗ a. Dọc thớ; b. Ngang thớ tiếp tuyến; c. Xuyên tâm; d. xiên thớ Khi gỗ chịu nén ngang thớ cục bộ dễ xảy ra hiện tượng tách đầu cấu kiện gỗ (thể hiện ở Hình 6.6b), nên trong thực tế cần tính toán đầu dư tự do của cấu kiện gỗ phải đủ dài để không xảy ra hiện tượng tách đầu.

Hình 6.6a. Biểu đồ nén ngang thớ

Hình 6.6b. Hiện tượng tách đầu tự do của gỗ khi chịu nén ngang cục bộ

Cường độ chịu nén (Rnw) dọc thớ và ngang thớ (pháp tuyến và tiếp tuyến) được xác định theo công thức (6-7). w n

R 204

n Pmax  , daN/cm2 Fw

(6-7)

Trong đó: + Pnmax: Tải trọng nén phá hoại mẫu, daN; + Fw: Tiết diện chịu nén (ở độ ẩm W), cm2. Cường độ chịu kéo (Rkw) của gỗ được xác định bằng thí nghiệm kéo mẫu gỗ đến khi mẫu bị phá hoại rồi tính toán theo công thức (6-8). w k

k Pmax  Fw

, daN/cm2

(6-8)

Trong đó: + Pkmax: Tải trọng kéo phá hoại mẫu, daN; + Fw: Tiết diện chịu kéo (ở độ ẩm W), cm2. Gỗ có thể làm việc chịu kéo dọc thớ, kéo ngang thớ theo phương tiếp tuyến và theo phương pháp tuyến (xuyên tâm), thể hiện ở Hình 6.7. Cường độ chịu kéo dọc thớ thường lớn hơn cường độ nén dọc thớ. Nguyên nhân là do khi bị kéo, các thớ cùng chịu tải một cách khá đồng đều cho đến khi bị đứt, ngược lại khi bị nén dọc các thớ gỗ sẽ bị tách ra và gỗ sẽ bị phá hoại chủ yếu do uốn dọc cục bộ từng thớ. Cường độ chịu kéo xuyên tâm của gỗ thường rất thấp, còn khi kéo tiếp tuyến thì chỉ có các liên kết giữa các thớ gỗ chịu tải nên cường độ chịu kéo tiếp tuyến cũng nhỏ hơn so với kéo và nén dọc thớ.

Hình 6.7. Mẫu thí nghiệm chịu kéo của gỗ a. Dọc thớ; b. Ngang thớ tiếp tuyến; c. Ngang thớ xuyên tâm

205

Cường độ chịu uốn (cường độ chịu kéo khi uốn) của gỗ khá cao (lớn hơn cường độ nén dọc thớ và nhỏ hơn cường độ kéo dọc thớ). Trong xây dựng, các kết cấu gỗ làm việc chịu uốn thường gặp là dầm, xà, vì kèo... Cường độ chịu uốn (Ruw) của gỗ được xác định bằng thí nghiệm uốn mẫu gỗ có kích thước 20x20x300 mm như trên Hình 6.8 và tính toán theo công thức (6-9).

Hình 6.8. Sơ đồ thí nghiệm cường độ chịu uốn

Ruw 

M max , daN/cm2 w W

(6-9)

Trong đó: + Mmax: Mô men uốn phá hoại mẫu, daN.cm; + Ww: Mô men chống uốn (ở độ ẩm W), cm3. Cường độ chịu trượt (w) của gỗ được chia thành cường độ chịu trượt dọc thớ, cường độ chịu trượt ngang thớ (tiếp tuyến và pháp tuyến (xuyên tâm)) và cường độ chịu cắt đứt thớ (Hình 6.9).

Hình 6.9. Các dạng chịu tải trọng trượt a. Trượt dọc thớ; b. Trượt ngang thớ (tiếp tuyến); c. Cắt đứt thớ Trong quá trình chịu tải trọng trượt dọc thớ, phương của tải trọng trùng với phương của thớ gỗ. Khi tải trọng vượt quá giới hạn chịu tải của gỗ thì liên kết giữa các thớ gỗ bị phá hoại và các thớ sẽ bị trượt lên nhau. Khi trượt ngang thớ, phương của tải trọng sẽ tiếp tuyến với vòng tuổi (Hình 6.10).

206

Hình 6.10. Mẫu thí nghiệm trượt a. Trượt dọc thớ; b. Trượt tiếp tuyến; c. Trượt xuyên tâm Cường độ chịu trượt w (dọc thớ và ngang thớ) được xác định bằng thí nghiệm và tính toán theo công thức chung (6-10).



t Pmax  Fw

, daN/cm2

(6-10)

Trong đó: + Ptmax: Tải trọng trượt phá hoại mẫu, daN; + Fw: Tiết diện chịu trượt (ở độ ẩm W), cm2. Trong trường hợp cắt đứt ngang thớ gỗ thì mặt phẳng của lực cắt vuông góc với các thớ gỗ, các thớ gỗ sẽ cùng tham gia chịu tải trọng cắt nên cường độ chịu cắt đứt của gỗ khá cao. Cường độ chịu tách: Khả năng chịu tải trọng tách của gỗ rất kém. Nguyên nhân là do các thớ gỗ chịu tải trọng tách không đồng thời nên chúng sẽ bị phá hoại một cách riêng rẽ. Cường độ chịu tách (Stw) của gỗ được xác định bằng thí nghiệm mẫu Hình 6.11. và tính toán theo công thức (6-11).

Hình 6.12. Mẫu thí nghiệm tách

207

t Pmax S  w , daN/cm2 a w k

(6-11)

Trong đó: + Ptmax: Tải trọng tách phá hoại mẫu, daN; + aw: Chiều rộng tiết diện chịu tách (ở độ ẩm W), cm.

6.2.4.4. Mô đun đàn hồi Mô đun đàn hồi của gỗ được xác định bằng thí nghiệm uốn tĩnh mẫu gỗ đặt trên hai gối tựa và chịu lực tập trung P. Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, mô đun đang hồi của gỗ (ở độ ẩm W) được xác định theo công thức (6-12).

3Pl 3 Ew  , daN/cm2 3 64.b.h f

(6-12)

Trong đó: + Ew: Mô đun đang hồi của gỗ ở độ ẩm W, daN/cm2; + P: Tải trọng tác dụng, daN; + l: Khoảng cách giữa hai gối tựa, cm; + b và h: Chiều rộng và chiều cao của tiết diện mẫu thử, cm; + f : Độ võng của mẫu thử ở vùng chịu tải thuần túy, cm. Mô đun đàn hồi của gỗ với độ ẩm 8  20% được tính chuyển đổi về mô đun đàn hồi của gỗ E18 ở độ ẩm tiêu chuẩn 18% theo công thức (6-13).

E18 

Ew , daN/cm2 1   W  18

(6-13)

Hệ số chuyển đổi  = 0,01% cho mỗi 1% thay đổi độ ẩm. Mô đun đàn hồi của gỗ tăng khi độ đặc (khối lượng thể tích) của gỗ tăng và độ ẩm của gỗ giảm.

6.2.4.5. Độ co ngót Độ co ngót của gỗ là độ giảm kích thước và thể tích khi gỗ bị sấy khô. Khi sấy khô, nước mao quản (nước tự do) trong gỗ bị bay hơi và mất đi nhưng không làm cho gỗ bị co; gỗ chỉ co khi bị mất nước hấp phụ. Khi nước hấp phụ bị mất, sẽ làm giảm chiều dày lớp vỏ tế bào, và các mixen sẽ xích lại gần nhau, làm cho kích thước của gỗ giảm đi.

208

Độ co của gỗ được tính bằng % theo các phương dọc thớ (yd), phương pháp tuyến (yf) và phương tiếp tuyến (yt) theo các công thức (6-14abc).

yd 

a  a1 100% a1

(6-14a)

yf 

b  b1 100% b1

(6-14b)

yt 

c  c1 100% c1

(6-14c)

Trong đó: + a, b, c: Kích thước của gỗ theo các phương dọc thớ, phương pháp tuyến và phương tiếp tuyến trước khi sấy khô; + a1, b1, c1: Kích thước của gỗ theo các phương tương ứng sau khi sấy đến trạng thái khô tuyệt đối. Do gỗ có cấu tạo không đồng nhất nên độ co theo các phương khác nhau cũng khác nhau: - Độ co theo phương dọc thớ: yd = 0,1  0,3%; - Độ co theo phương pháp tuyến: yf = 3  6%; - Độ co theo phương tiếp tuyến: yt = 7  12%. Mức độ co thể tích y0 (%) của gỗ được xác định bằng công thức (6-15):

y0 

V  V1 100% V1

(6-15)

Trong đó: V, V1 là thể tích của mẫu gỗ trước khi sấy khô và sau khi sấy đến trạng thái khô tuyệt đối. Hệ số co thể tích của gỗ K0 được xác định theo công thức (6-16).

K0 

y0 W

(6-16)

Trong đó: W là độ ẩm của gỗ, % (không được vượt quá giới hạn bão hòa thớ). Sự thay đổi kích thước (co ngót) không giống nhau theo các phương khác nhau sẽ gây nên các nội ứng suất làm cho gỗ bị cong vênh, nứt nẻ.

209

6.2.4.6. Độ trương nở Độ trương nở là khả năng của gỗ tăng kích thước và thể tích khi hút nước vào thành tế bào. Gỗ sẽ bị trương nở khi hút nước cho đến khi đạt tới độ ẩm giới hạn bão hòa thớ gỗ (Wbht). Cũng giống như khi co ngót, do gỗ có cấu tạo không đồng nhất nên độ trương nở theo các phương khác nhau sẽ khác nhau, cụ thể: - Theo phương dọc thớ: yd = 0,1  0,8%; - Theo phương pháp tuyến: yf = 3  5%; - Theo phương tiếp tuyến: yt = 6  12%.

6.2.4.7. Khối lượng thể tích và khối lượng riêng Khối lượng thể tích () của gỗ phụ thuộc vào độ ẩm (W) và độ rỗng (r). Các loại gỗ có độ rỗng khác nhau (độ rỗng của gỗ lá kim khoảng 46  81%; của gỗ lá rộng khoảng 32  80%) sẽ có khối lượng thể tích khác nhau và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của gỗ (lượng nước chứa trong gỗ). Khối lượng thể tích của gỗ ở độ ẩm bất kỳ (W) có thể chuyển về khối lượng thể tích ở độ ẩm tiêu chuẩn (18) theo công thức (6-17).

 18   W 1  0,011  K 0 18  W 

(6-17)

Trong đó: + W, 18: KLTT của gỗ ở độ ẩm W và ở độ ẩm tiêu chuẩn (Wtc = 18%); + K0: Hệ số co thể tích, phụ thuộc từng loại gỗ. Theo khối lượng thể tích tiêu chuẩn, gỗ được chia thành năm loại theo mức độ từ rất nhẹ đến rất nặng: - Gỗ rất nhẹ:  < 0,4 g/cm3 (0,4 T/m3); - Gỗ nhẹ:  = 0,4  0,5 g/cm3; - Gỗ nhẹ vừa:  = 0,5  0,7 g/cm3; - Gỗ nặng:  = 0,7  0,9 g/cm3; - Gỗ rất nặng:  > 0,9 g/cm3. Khác với khối lượng thể tích, các loại gỗ thường có trị số khối lượng riêng () gần giống nhau. Khối lượng riêng trung bình của gỗ: tb = 1,54 g/cm3.

210

6.2.4.8. Màu sắc và vân gỗ Mỗi loại gỗ có một màu sắc riêng. Căn cứ vào màu sắc có thể sơ bộ đánh giá được phẩm chất và xác định được loại gỗ (Ví dụ: Gỗ gụ, gỗ mun có màu sẫm, đen; gỗ sến, gỗ táu có màu hồng sẫm; gỗ bồ đề có màu trắng...). Màu sắc của gỗ cũng thay đổi tùy theo mức độ chịu ảnh hưởng của mưa nắng và trạng thái nấm mốc. Vân gỗ rất đa dạng và tạo nên giá trị thẩm mỹ của gỗ. Gỗ cây lá kim thường có vân gỗ đơn giản, vân gỗ cây lá rộng thường rất phức tạp và có giá trị thẩm mỹ cao (lát hoa, lát chun, cẩm lai...).

6.2.4.9. Tính dẫn nhiệt và tính truyền âm Khả năng dẫn nhiệt của gỗ không lớn và phụ thuộc vào loại gỗ, độ ẩm, độ rỗng, phương thớ và vào nhiệt độ. Tính dẫn nhiệt theo phương dọc thớ lớn gấp 1,8 lần so với phương ngang thớ. Hệ số dẫn nhiệt trung bình ( tb ) của gỗ vào khoảng 0,14  0,26 kCal/m. 0C.h. Khi khối lượng thể tích và độ ẩm của gỗ tăng thì khả năng dẫn nhiệt cũng tăng. Gỗ là loại vật liệu có khả năng truyền âm tốt. Khả năng truyền âm của gỗ lớn hơn của không khí tới 2  17 lần (tùy theo loại gỗ và phương truyền). Khả năng truyền âm theo phương dọc thớ là lớn nhất, còn khả năng truyền âm theo phương tiếp tuyến là nhỏ nhất.

6.2.5. Khuyết tật của gỗ Tất cả các hiện tượng cấu tạo không bình thường cũng như các hư hại khác nhau ảnh hưởng đến các tính năng kỹ thuật của gỗ được coi là khuyết tật. Khuyết tật có thể phát sinh khi cây gỗ còn đang phát triển cũng như trong lúc bảo quản và sử dụng. Tùy thuộc vào nguyên nhân gây nên khuyết tật mà người ta phân chia các khuyết tật của gỗ thành các loại là: Khuyết tật do cấu tạo; khuyết tật do tác dụng cơ học; khuyết tật do nấm, mốc và khuyết tật do sự phá hoại của côn trùng. 1. Các khuyết tật do cấu tạo không bình thường

Hình 6.12. Các khuyết tật của gỗ do cấu tạo a. Lệch tâm; b. Vặn thớ; c. Tróc lớp; d. Hai tâm; e. Hốc lõi; g. Vỏ trong gỗ; h. Mắt cây

211

Các khuyết tật do cấu tạo không bình thường hay gặp trong thực tế được thể hiện trên Hình 6.12. gồm các dạng khuyết tật sau: - Lệch tâm: Gồm có lệch tâm một phía (Hình 6.12a) và lệch tâm cục bộ; - Vặn thớ: Là hiện tượng các thớ gỗ bị vặn lệch dạng xoắn ốc (Hình 6.12b). Hiện tượng vặn thớ làm giảm đáng kể các tính chất cơ lý của gỗ; - Tróc lớp: Là hiện tượng có các vết nứt ngầm đi theo vòng tuổi của thân cây gỗ (Hình 6.12c); - Hai tâm: Là hiện tượng mặt cắt ngang của thân cây có hai lõi (Hình 6.12d.). Hiện thượng này thường gặp ở những cây gỗ có hai ngọn; - Hốc lõi: Là hiện tượng có các lỗ rỗng hoặc phần gỗ mục nát nằm trong lõi cây gỗ (Hình 6.12e); - Vỏ trong gỗ: Là hiện tượng một số chỗ trong gỗ có chứa vỏ khô mục (Hình 6.12g). Nguyên nhân là do trong quá trình sinh trưởng, một số chỗ thân gỗ phát triển nhanh chùm lên và bao bọc phần vỏ cũ ở bên trong thân gỗ; - Mắt cây (mắt gỗ): Là hiện tượng một số chỗ trong gỗ có chứa cành cây (đã chết hoặc còn sống) (Hình 6.12h). Nguyên nhân là do trong quá trình sinh trưởng, thân gỗ phát triển nhanh chùm lên và bao bọc các cành nhánh vào trong thân gỗ. Mắt cây có thể có các loại như: mắt sống; mắt rời; mắt bở; mắt sừng; mắt xốp...; - Các vết nứt: Các vết nứt xảy ra do hiện tượng co ngót không đều của gỗ. Vết nứt đầu gỗ có thể là vết nứt hướng tâm (Hình 6.13a), vết nứt do co ngót khi phơi sấy (Hình 6.13b). Các vết nứt đều làm giảm chất lượng các sản phẩm gỗ sau khi gia công và thúc đẩy quá trình mục nát của gỗ.

Hình 6.13. Các vết nứt đầu gỗ a. Vết nứt hướng tâm giao nhau; b. Vết nứt co ngót Ngoài các khuyết tật do cấu tạo nêu trên, trong thực tế còn gặp các khuyết tật do cấu tạo khác như: độ thon quá mức quy định, cong... Chúng đều làm giảm chất lượng gỗ.

212

2) Hư hại của gỗ do nấm Hư hại của gỗ do nấm gây nên rất nhiều. Nấm là loại thực vật đơn giản nhất sống ký sinh trong các tế bào gỗ. Khi có điều kiện thuận lợi (có oxy, độ ẩm và nhiệt độ phù hợp) nấm sẽ phát triển và gây ra các hiện tượng hóa, lý khác nhau, làm cho gỗ bị biến màu, bị mục nát và giảm các tính chất cơ lý của gỗ (Hình 6.14). Gỗ có độ ẩm nhỏ hơn 20% hoặc gỗ ngâm ngập trong nước sẽ không bị nấm làm hư hại.

Hình 6.14. Hư hại gỗ do nấm a. Nấm trắng; b. Nấm vàng 3) Hư hại của gỗ do côn trùng Côn trùng gây hư hại gỗ có thể là sâu, mối, mọt... Sâu thường gây nên những khuyết tật bên trong thân các cây gỗ đang sống, cây gỗ mới chặt còn tươi, thậm chí là đã khô (Hình 6.15).

Hình 6.15. Hư hại gỗ do công trùng

213

Mối, mọt thường gây nên những hư hại nằm sâu bên trong thân gỗ. Những hư hại này ảnh hưởng rất xấu đến các tính chất cơ học của gỗ. Ngoài ra, các kết gỗ của những công trình làm việc trong nước biển còn bị phá hoại do các loại giun biển (hà) gây nên.

6.2.6. Các biện pháp phòng chống phá hoại và nâng cao tuổi thọ của vật liệu gỗ Để đảm bảo độ bền, khả năng làm việc và tuổi thọ của các cấu kiện gỗ cần phải tiến hành các biện pháp bảo vệ gỗ chống lại các ảnh hưởng có hại của thời tiết, nấm mốc và côn trùng. Một trong những yêu cầu bắt buộc khi sử dụng các biện pháp bảo vệ gỗ là không được gây độc hại cho môi trường và người sử dụng.

6.2.6.1. Phòng chống nấm và côn trùng Phòng chống nấm và côn trùng gây hư hại cho gỗ có thể tiến hành bằng cách tạo nên những điều kiện bất lợi để ngăn cản không cho nấm và côn trùng tồn tại và phát triển trong gỗ. Phương pháp này có thể thực hiện bằng cách sơn phủ bề mặt gỗ, ngâm triết kiềm, ngâm tẩm các hóa chất... Để ngăn cản khả năng hút ẩm của gỗ, người ta tiến hành sơn phủ bề mặt gỗ khô bằng sơn hoặc các chất cách ẩm. Ngâm triết kiềm là biện pháp tách nhựa cây ra khỏi gỗ bằng cách ngâm gỗ trong nước lạnh, nước nóng trong một khoảng thời gian nhất định. Trong quá trình ngâm, nước sẽ cách ly gỗ khỏi khí oxy, đồng thời phân hủy nhựa cây làm mất nguồn dinh dưỡng cho nấm và côn trùng sinh trưởng và phát triển. a. Các chất hóa học dùng để ngâm tẩm gỗ Khi ngâm tẩm bằng hóa chất, các chất hóa học sẽ gây độc cho nấm và côn trùng. Các chất hóa học dùng để ngâm tẩm gỗ là những chất bền vững, không hút ẩm và không bị rửa trôi. Yêu cầu đối với các loại hóa chất này là phải không độc hại cho người và gia súc, không ăn mòn gỗ và kim loại, đồng thời phải dễ ngấm vào gỗ. Các chất chống mục, mọt cho gỗ có thể là loại tan trong nước (thuốc muối), loại không tan trong nước (thuốc dầu) hoặc là loại bột nhão. - Các chất ngâm tẩm tan trong nước: Các chất ngâm tẩm tan trong nước được dùng để xử lý gỗ khi gỗ được sử dụng trong môi trường không chịu tác dụng của nước và hơi ẩm. Các hóa chất loại này thường được sử dụng là: Florua natri (NaF); Flosilicat natri (Na2SiF6); Sunfat đồng (CuSO4) và Dinitrofenolat natri.

214

Florua natri (NaF) là chất bột màu trắng, ít tan trong nước, không mùi, không ăn mòn gỗ và kim loại. Florua natri được sử dụng dưới dạng dung dịch ở nhiệt độ 150C để tẩm và quét lên gỗ. Không nên dùng florua natri trong hỗn hợp với vôi, bột phấn hoặc thạch cao. Flosilicat natri (Na2SiF6) là chất bột ít tan trong nước, có tác dụng giống như florua natri. Flosilicat natri được sử dụng dưới dạng dung dịch nóng trong hỗn hợp với florua natri theo tỷ lệ 1:3, hoặc cũng có thể sử dụng nó như một cấu tử trong bột nhão silicat. Dinitrofenolat natri là loại hợp chất không bay hơi, không hút ẩm, không ăn mòn kim loại, dễ bị trương nở khi ở trạng thái khô. Dinitrofenolat natri được sử dụng dưới dạng dung dịch để xử lý bề mặt các sản phẩm gỗ dùng ở nơi xa nguồn nhiệt. - Các chất ngâm tẩm không tan trong nước: Các chất ngâm tẩm không tan trong nước còn được gọi là thuốc dầu. Do dễ bị cháy và khi cháy có mùi khó chịu nên phạm vi sử dụng của chúng bị hạn chế. Chúng thường được dùng để tẩm hoặc quét lên bề mặt các sản phẩm gỗ sử dụng ngoài trời, ở dưới đất hoặc trong nước. Các loại thuốc dầu thường được sử dụng là: Dầu creozot than đá và than bùn; Nhựa than đá; Dầu antraxen và Dầu phiến thạch. Dầu creozot là loại chất lỏng màu đen hoặc nâu, có khả năng chống mục, mọt tốt, ít bị rửa trôi, không hút ẩm, không bay hơi, không ăn mòn gỗ và kim loại, có thể cháy, khó thấm vào gỗ (chỉ thấm sâu được 1  2 mm), mùi hắc, có thể tạo ra một lớp bền vững trên bề mặt gỗ làm cho gỗ khó khô. Dầu creozot khi sử dụng phải được đun nóng đến nhiệt độ 50  600C. Không nên dùng dầu creozot để tẩm các sản phẩm gỗ sử dụng trong nhà ở, trong kho thực phẩm, trong các công trình ngầm và những nơi gần nguồn lửa. Dầu antraxen là một chất lỏng màu xanh vàng, có tác dụng chống mục, chống mối mọt mạnh, có khả năng bay hơi chậm và ngâm triết kiềm yếu, không ăn mòn gỗ và kim loại. Dầu antraxen được sản xuất từ gudrong than đá. Tính chất và phạm vi sử dụng của nó giống như của creozot. - Bột nhão: Bột nhão dùng để bảo vệ gỗ được chia thành hai loại là loại bitum và loại silicat. Bột nhão bitum là một hỗn hợp gồm có 30  50% Florua natri, 5  7% bột than bùn, khoảng 30% bitum dầu lửa mác III hoặc IV và khoảng 30% dầu xanh. Bột nhão bitum dễ cháy, bền nước và có mùi khó chịu, thường được dùng để sơn quét các cấu kiện gỗ làm việc trong môi trường ẩm ướt lộ thiên hoặc trong đất. Bột nhão silicat chứa khoảng 15  20% Florua natri, 65  80% thủy tinh lỏng, 1  2% dầu creozot và tới 20% nước.

215

Bột nhão silicat không bền nước và không cháy, thường được sử dụng để bảo vệ các cấu kiện gỗ trong các công trình ở những nơi khô ráo. b. Các phương pháp sử dụng thuốc Các chất bảo vệ được đưa vào gỗ bằng phương pháp như phun, quét, ngâm tẩm trong bể nóng - lạnh, ngâm tẩm trong bể có nhiệt độ cao hoặc ngâm tẩm áp lực... - Phun, quét thuốc: Phương pháp phun, quét thuốc dễ thực hiện nhưng chỉ có tác dụng bảo vệ gỗ trên bề mặt. - Ngâm tẩm gỗ trong bể nóng - lạnh: Phương pháp ngâm tẩm gỗ trong bể nóng - lạnh bằng thuốc muối và thuốc dầu được tiến hành như sau: Trước tiên ngâm gỗ trong bể chứa dung dịch thuốc có nhiệt độ tới 980C trong khoảng 3  5h, sau đó chuyển sang bể lạnh chứa dung dịch muối tan có nhiệt độ khoảng 15  200C hoặc sang bể chứa chất dầu với nhiệt độ 40  600C. Phương pháp này đạt hiệu quả cao khi gỗ trước khi ngâm tẩm được sấy khô đến mức độ ẩm của lớp gỗ bìa không lớn hơn 30%. - Ngâm tẩm gỗ trong bể nhiệt độ cao: Phương pháp ngâm tẩm gỗ trong bể nhiệt độ cao (chứa petrolatum) thường dùng để bảo quản gỗ ướt. Gỗ được ngâm vào bể chứa petrolatum chảy lỏng có nhiệt độ 120  1400C và giữ trong đó một thời gian để nung và sấy nóng, sau đó chuyển sang bể lạnh chứa thuốc dầu có nhiệt độ 65  750C và giữ trong đó 24  28h. - Ngâm tẩm gỗ áp lực: Phương pháp ngâm tẩm gỗ áp lực được tiến hành trong nồi chưng bằng thép, chứa thuốc nước và thuốc dầu với áp lực làm việc 6  8 at. Trước tiên người ta xếp gỗ vào nồi chưng rồi đóng kín và tạo chân không, sau đó bơm thuốc vào rồi nâng áp lực trong nồi lên tới 6  8 at, rồi lại hạ áp lực xuống đến mức bình thường, rút thuốc thừa ra rồi dỡ gỗ đã được tẩm ra khỏi nồi chưng. Khi ngâm tẩm gỗ bằng thuốc dầu cần phải đun thuốc trước để nhiệt độ trong nồi khi tẩm không thấp hơn nhiệt độ quy định.

6.2.6.2. Phòng chống hà Việc phòng chống hà có thể được tiến hành bằng các biện pháp như sau: - Sử dụng các loại gỗ cứng, gỗ dẻo quánh hoặc gỗ có nhựa. Các loại gỗ này làm cho hà khó đục hoặc sợ nhựa không bám vào; - Để nguyên lớp vỏ cây để bảo vệ gỗ; - Bọc gỗ bằng một lớp vỏ kim loại, bằng ống amiăng hoặc ống sành; - Ngâm tẩm creozot, sunfat đồng CuSO4...

216

Ở nước ta còn sử dụng phương pháp chống hà cổ truyền là thui cho gỗ cháy xém một lớp mỏng trên bề mặt để cho hà không bám vào. Phương pháp này cần được tiến hành ba năm một lần.

6.2.6.3. Phơi sấy và bảo quản Phơi, sấy gỗ là biện pháp làm giảm độ ẩm của gỗ, do đó có thể ngăn ngừa khả năng mục nát, tăng cường độ, hạn chế sự thay đổi kích thước và hình dáng của gỗ trong quá trình sử dụng. Các phương pháp sấy gỗ thường được sử dụng là sấy tự nhiên, sấy phòng, sấy điện, sấy trong chất lỏng đun nóng. Trong đó sấy tự nhiên và sấy phòng được sử dụng phổ biến hơn cả. - Sấy tự nhiên: Sấy tự nhiên được tiến hành ở nơi khô ráo ngoài trời, dưới mái che hoặc trong kho kín. Tùy thuộc vào điều kiện thời tiết mà thời gian sấy cần thiết để hạ độ ẩm của gỗ từ 60% xuống 20% dao động trong khoảng 15  60 ngày. Sấy tự nhiên không đòi hỏi trang thiết bị gì đặc biệt, không tiêu tốn nhiên liệu và điện năng. Tuy nhiên, sấy tự nhiên có những nhược điểm lớn là: Cần diện tích lớn; phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết; tốn nhiều thời gian và không loại trừ hoàn toàn được hiện tượng mục gỗ do chỉ có thể sấy được đến độ ẩm nhất định. - Sấy phòng (sấy lò): Sấy phòng được tiến hành trong các phòng sấy chuyên dụng có dòng không khí nóng ẩm hoặc khí lò hơi với nhiệt độ 40  1050C đi qua. Với chế độ sấy thích hợp, sấy phòng có thể giúp rút ngắn đáng kể thời gian sấy mà vẫn đảm bảo gỗ không bị cong vênh, nứt tách; có thể hạ độ ẩm của gỗ xuống tới 16%. Nhược điểm của phương pháp sấy phòng là: Đòi hỏi phải có hệ thống trang thiết bị kỹ thuật, phòng sấy phù hợp, đội ngũ cán bộ có trình độ và kinh nghiệm; tiêu tốn nhiều nhiên liệu, năng lượng điện.

6.2.6.4. Cách xử lý gỗ chống mối mọt cho gỗ tự nhiên hiệu quả Gỗ ở trạng thái tự nhiên, luôn luôn chứa một lượng tinh bột, đường và lượng nước lớn. Lượng tinh bột - đường tồn tại trong gỗ ảnh hưởng đến chất lượng gỗ . Vì vậy, cách xử lý gỗ chống mối mọt là bước đầu tiên và quan trọng nhất trước khi gỗ được đem chế biến (gia công). Cách xử lý gỗ bảo quản gỗ không bị mối mọt, côn trùng gây hại làm quá trình hoàn thiện và gia công sản phẩm đạt chất lượng cao hơn. Đặc biệt, cách xử lý gỗ chống mối mọt thực hiện tốt làm gỗ bền đẹp hơn.

217

Hiện nay, phần lớn các công ty sản xuất đồ gỗ nội thất, xưởng sản xuất đồ nội thất… trước khi đưa gỗ vào gia công làm thành phẩm đều xử lý gỗ chống mối mọt, tăng chất lượng sản phẩm tránh tình trạng đưa sản phẩm vào sử dụng khách hàng phải tiến hành công tác diệt mối. Các cách xử lý gỗ chống mối mọt cho gỗ tự nhiên đang được sử dụng hiện nay: Xử lý gỗ chống mối mọt bằng phương pháp thủ công và bằng hóa chất. 1. Cách xử lý gỗ chống mối mọt bằng phương pháp thủ công, dân gian - Cách xử lý gỗ chống mối mọt của người Ai Cập xưa: Ngay từ thời kỳ sơ khai, người Ai Cập đã biết dùng nhựa để bảo vệ gỗ trong công trình xây dựng, tránh cho gỗ không bị mục nát do mối mọt gây ra. - Cách xử lý chống mối mọt của người Việt Nam: Ở Việt Nam, từ lâu đời, nhân dân ta đã biết bảo quản tre, gỗ, bằng cách ngâm tre gỗ trong nước xuống ao bùn hay gác lên gác bếp để chống mối mọt; thời gian ngâm ít nhất là một năm. Cách xử lý gỗ chống mối mọt: Gỗ ngâm trong nước, dưới ao có tác dụng làm cho các chất dinh dưỡng như tinh bột, đường… bị phân hủy, các chất còn lại chủ yếu là xenlulo, hemixenlulo, linhin. Cách xử lý gỗ chống mối mọt này là biện pháp bảo quản gỗ rất độc đáo đã trở thành tập quán vẫn đang duy trì tại các vùng quê. Ưu điểm: Cách xử lý gỗ chống mối mọt bằng phương pháp dân gian ngâm gỗ trong nước, nên không mất chí phí đầu tư công cụ ngâm tẩm, không đòi hỏi kỹ thuật; cách xử lý gỗ chống mối mọt theo cách tự nhiên không dùng hóa chất, nên không đôc hại, không ảnh hưởng sức khỏe con người. Nhược điểm: Việc ngâm trong ao hồ, gây ô nhiễm môi trường; mất thời gian chờ đợi; cần diện tích ao hồ rộng để ngâm gỗ... 2. Cách xử lý gỗ chống mối mọt bằng hóa chất Cách xử lý gỗ chống mối mọt bằng hóa chất chống mối mọt, so với cách xử lý bằng phương pháp dân gian hiệu quả hơn nhiều. Tuy nhiên, yêu cầu kỹ thuật cao, phải là kỹ thuật viên chuyên nghiệp có trình độ chuyên môn được đào tạo. Ngoài ra, khi xử lý gỗ bằng hóa chất sẽ có hại nếu hít và nuốt phải hơi thuốc; dễ cháy, kích ứng da gây tổn hại mắt nếu dính thuốc; chất thải nước trong quá trình ngâm tầm gôc xong, độc cho môi trường nước...

218

Chương 7 BÊ TÔNG NHỰA 7.1. Khái niệm, phân loại và cấu trúc bê tông nhựa 7.1.1. Khái niệm bê tông nhựa Bê tông nhựa (BTN) hay còn gọi bê tông át phan (Asphalt concrete) là một loại đá nhân tạo nhận được khi hỗn hợp bê tông nhựa được tạo hình, làm chặt và đông cứng. Hỗn hợp bê tông nhựa hay còn gọi hỗn hợp bê tông át phan (Asphalt concrete mixture) là một hỗn hợp bao gồm thành phần chủ yếu là vật liệu khoáng (cốt liệu và bột khoáng), có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ đã thiết kế (có thể dùng thêm phụ gia). Bê tông nhựa thường được sử dụng làm lớp phủ mặt đường ô tô có lưu lượng giao thông lớn, đường cao tốc, đường thành phố và sân bay. Bê tông nhựa khác với các vật liệu được làm từ hỗn hợp vật liệu khoáng - bitum khác (láng nhựa, thấm nhập nhựa...) ở chỗ: Có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao hơn do có sự tham gia của bột khoáng trong thành phần.

7.1.2. Phân loại hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa Theo các tiêu chuẩn quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam, hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa được phân thành các loại dựa trên các căn cứ cơ bản như sau:

7.1.2.1. Phân loại theo nhiệt độ thi công Theo nhiệt độ thi công, hỗn hợp bê tông nhựa được chia thành 3 loại: - Hỗn hợp BTN nóng (Hot mix asphalt - HMA): Là loại hỗn hợp BTN được thi công (rải và lu lèn) ở nhiệt độ không nhỏ hơn 1200C; gọi tắt là bê tông nhựa (BTN); - Hỗn hợp BTN ấm: Là loại hỗn hợp BTN được thi công ở nhiệt độ trong khoảng từ 70 C đến 1200C; 0

- Hỗn hợp BTN lạnh: Là loại hỗn hợp BTN được thi công ở nhiệt độ không nhỏ hơn ở nhiệt độ không khí bình thường (50C đến 700C).

7.1.2.2. Phân loại theo độ rỗng và cấp phối vật liệu khoáng Theo đặc tính cấp phối vật liệu khoáng, cũng như theo độ rỗng (hoặc độ đặc) của bê tông nhựa sau khi thi công, bê tông nhựa được chia thành các loại như sau (TCVN 8820 - 2011):

219

Bê tông nhựa nóng cấp phối chặt (Dense - graded HMA); gọi tắt: Bê tông nhựa chặt (BTNC) hay bê tông nhựa đặc; đây là loại bê tông nhựa có cấp phối hạt liên tục, bao gồm các hạt lớn - hạt trung - hạt nhỏ với hàm lượng hợp lý để hỗn hợp BTN có độ rỗng dư (Va) nhỏ (thường Va = 3 ÷ 6%). Bê tông nhựa nóng cấp phối gián đoạn (Gap - graded HMA) là loại bê tông nhựa bao gồm các hạt lớn - hạt nhỏ có hàm lượng lớn, nhưng hàm lượng hạt trung gian rất nhỏ; cấp phối kiểu này có tác dụng để các hạt lớn có thể chèn móc tốt với nhau (đá chèn đá), tuy nhiên trong thi công rất dễ bị tạo ra sự phân tầng. Với bê tông nhựa cấp phối gián đoạn thường có độ rỗng dư lớn hơn BTNC. Bê tông nhựa nóng cấp phối hở (Opened - graded HMA); còn gọi: Bê tông nhựa rỗng (BTNR); đây là loại bê tông nhựa sử dụng loại cấp phối hạt có lượng hạt mịn chiếm tỷ lệ rất nhỏ, do đó có độ rỗng dư lớn (thường Va = 7 ÷ 12%); là loại BTN có độ rỗng lớn hơn nhất so với BTNC và BTN cấp phối gián đoạn. Bê tông nhựa rất rỗng: Là loại BTN có độ rỗng lớn hơn 12%. Đây là loại BTN được sử dụng làm lớp mặt đường với tác dụng làm hạn chế hiện tượng văng nước khi xe chạy với tốt độ cao; tăng khả năng kháng trượt mặt đường và giảm tiếng ồn khi xe chạy. Một số loại cấp phối bê tông nhựa điển hình như: OGFC - Opened graded friction course; PFC Porous friction course; VTO - Very thin - graded friction course. Do độ rỗng dư lớn, để đảm bảo liên kết, các loại Bê tông nhựa rất rỗng thường dùng nhựa đường cải tiến. Hỗn hợp đá - vữa nhựa (Stone matrix asphalt hoặc Stone mastic asphalt - SMA): Là loại bê tông nhựa sử dụng loại cấp phối hạt gián đoạn với độ rỗng dư từ 2 ÷ 8% phụ thuộc vào mục đích sử dụng; ngoài ra, đặc trưng của SMA là có dùng thêm sợi gia cường và sử dụng lượng nhựa, lượng bột khoáng nhiều hơn so với BTNC.

7.1.2.3. Phân loại theo độ lớn của hạt cốt liệu Theo độ lớn của hạt cốt liệu (đường kính hạt danh định lớn nhất - Dmax), bê tông nhựa chặt (BTNC), nóng và ấm được chia làm 4 loại (TCVN 8820 - 2011): - BTNC 19: Là loại bê tông nhựa chặt hạt lớn (gọi tắt: Bê tông nhựa hạt lớn) có đường kính hạt danh định lớn nhất Dmax = 19 mm; - BTNC 12,5: Là loại bê tông nhựa chặt hạt trung (gọi tắt: Bê tông nhựa hạt trung) có đường kính hạt danh định lớn nhất Dmax = 12,5 mm; - BTNC 9,5: Là loại bê tông nhựa chặt hạt nhỏ (gọi tắt: Bê tông nhựa hạt nhỏ - hạt mịn) có đường kính hạt danh định lớn nhất Dmax = 9,5 mm; - BTNC 4,75: Là loại bê tông nhựa chặt hạt cát (gọi tắt: Bê tông nhựa hạt cát – vữa át phan) có đường kính hạt danh định lớn nhất Dmax = 4,75 mm.

220

Theo đường kính hạt danh định lớn nhất - Dmax, bê tông nhựa rỗng (BTNR), nóng và ấm được chia làm 3 loại: - BTNR 37,5: Là loại bê tông nhựa rỗng có Dmax = 37,5 mm; - BTNR 25: Là loại bê tông nhựa rỗng có Dmax = 25 mm; - BTNR 19: Là loại bê tông nhựa rỗng có Dmax = 19 mm.

7.1.2.4. Phân loại theo chất lượng và mức độ giao thông Chất lượng của vật liệu (cường độ đá dăm, chất lượng bột khoáng...) được đánh giá theo các chỉ tiêu quy định trong các Tiêu chuẩn Quốc gia hoặc Quốc tế. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, bê tông nhựa được chia thành 2 loại: Loại I là loại bê tông nhựa dùng cho lớp trên của mặt đường; loại II là loại bê tông nhựa dùng cho các lớp dưới của mặt đường. Theo một số tiêu chuẩn quốc tế, bê tông nhựa được chia 3 cấp: Cấp I dùng cho đường cao tốc, đường trục chính; cấp II dùng cho đường đô thị; cấp III dùng cho đường phụ, đường nhánh.

7.1.2.5. Phân loại theo hàm lượng cốt liệu sử dụng Theo một số tiêu chuẩn cũ, việc phân loại bê tông nhựa theo hàm lượng cốt liệu được tiến hành với từng loại bê tông theo hàm lượng cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp: Bê tông nhựa nóng hoặc ấm được phân thành 3 loại: Loại A (nhiều đá dăm - hàm lượng đá dăm khoảng 50 ÷ 60%); loại B (vừa đá dăm - hàm lượng đá dăm là 35 ÷ 50%); loại C (ít đá dăm - hàm lượng đá dăm khoảng 25 ÷ 35%). Bê tông nhựa nguội được phân thành 2 loại: Loại Bx (hàm lượng đá dăm 35 ÷ 50%) và loại Cx (hàm lượng đá dăm 20 ÷ 35%). Bê tông nhựa cát (chỉ dùng cốt liệu nhỏ) được phân thành 2 loại: Loại D (có hàm lượng cát chiếm dưới 30%) và loại E (có hàm lượng cát chiếm trên 30%).

7.1.3. Cấu trúc của bê tông nhựa Tính chất vật lý, cơ học của BTN phụ thuộc vào chất lượng, tỷ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc bê tông. Cấu trúc BTN thể hiện mối tương tác giữa các thành phần cấu tạo và sự phối hợp giữa chúng. Tập hợp của các yếu tố này được thể hiện bằng mối quan hệ giữa đặc tính của vật liệu với độ đặc (hay độ rỗng) của vật liệu khoáng, cấu trúc và đặc tính của bitum, sự liên kết với vật liệu khoáng và mức độ lấp đầy lỗ rỗng vật liệu khoáng của bitum. Tùy thuộc vào tỷ lệ của các vật liệu thành phần mà cấu trúc của vật liệu khoáng trong BTN được chia làm 3 loại: có khung, bán khung và không có khung (Hình 7.1).

221

Hình 7.1. Cấu trúc của bê tông nhựa

a. Cấu trúc có khung; b. Cấu trúc bán khung; c. Cấu trúc không có khung Bê tông nhựa cấu trúc có khung là loại BTN mà độ rỗng của cốt liệu lớn (đá dăm) được lấp đầy hoàn toàn bằng vữa bitum (bao gồm cát, bột khoáng và bitum) và không vượt quá thể tích rỗng của đá dăm; độ lớn của các hạt cát không lớn hơn kích thước các lỗ rỗng để lại trong bộ khung đá dăm (Hình 7.1a). Nghĩa là, thể tích của vữa bitum có hệ số lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm nhỏ hơn 1. Như vậy, các hạt cốt liệu sẽ không dễ chuyển động trong vữa bitum và tiếp xúc với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua lớp màng cứng bitum cứng tạo nên bộ khung của bê tông nhựa. Sự tồn tại của khung cứng không gian sẽ làm tăng độ ổn định động của lớp phủ mặt đường bằng BTN. Thông thường bê tông nhựa cấu trúc có khung chứa khoảng 4 ÷ 14% bột khoáng, 5 ÷ 7% bitum và 50 ÷ 60% đá dăm (với tổng khối lượng vật liệu khoáng). Bê tông nhựa cấu trúc không có khung là cấu trúc mà trong đó các hạt đá dăm dễ di chuyển do lượng thừa của chất kết dính bitum (thể tích của vữa bitum có hệ số lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm lớn hơn 1). Cường độ và độ dính kết của loại bê tông nhựa này giảm nhanh khi nhiệt độ tăng cao, làm cho lớp phủ mặt đường bị biến dạng dẻo (Hình 7.1c). Bê tông nhựa cấu trúc bán khung là loại BTN cáo cấu trúc kiểm trung gian giữa có khung và không có khung. Với cấu trúc này, các thành phần cục bộ của hạt cốt liệu lớn (đá dăm) tập trung lớn hơn thể tích của vữa bitum (Hình 7.1b).

7.2. Tính chất cơ bản của bê tông nhựa Các tính chất của hỗn hợp BTN và BTN làm mặt đường ô tô có thể chia thành hai nhóm: nhóm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và nhóm tính chất cơ học. Nhóm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích bao gồm: các chỉ tiêu về khối lượng thể tích, tỷ trọng, độ rỗng, độ rỗng lấp đầy nhựa (độ bão hòa nhựa)... Nhóm tính chất cơ học bao gồm: cường độ, tính biến dạng, độ ổn định và độ dẻo marshall, độ ổn định động, độ ổn định nước, cường độ chống nứt...

222

Các mẫu BTN thiết kế vừa phải đảm bảo các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích, vừa phải thỏa mãn các tính chất cơ học được quy định tương ứng với phương pháp thiết kế. Tuy nhiên, tùy theo từng tiêu chuẩn, cũng như đặc điểm điều kiện của từng khu vực mà khi thiết kế, thi công và sử dụng ta cần chú trọng quan tâm tới những chỉ tiêu tính chất nào của bê tông nhựa.

7.2.1. Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của bê tông nhựa Các đặc tính về thể tích của hỗn hợp bê tông nhựa dùng làm mặt đường như độ rỗng dư, độ rỗng vật liệu khoáng, độ rỗng lấp đầy bitum và hàm lượng bitum hữu ích thể hiện khả năng phục vụ của mặt đường. Mục đích của việt đầm nén mẫu bê tông nhựa trong phòng là mô phỏng độ chặt của hỗn hợp bê tông nhựa ngay sau khi rải hoặc sau một số năm phục vụ; điều này có thể được xác định bằng cách so sánh với các đặc tính của mẫu nguyên dạng lấy từ hiện trường.

7.2.3.1. Khái niệm về các đặc tính về thể tích bê tông nhựa Vật liệu khoáng nói chung và đặc biệt là cốt liệu, luôn có những lỗ nhỏ li ti, nó có khả năng thấm nước cũng như thấm bitum với mức độ khác nhau. Với từng loại vật liệu khoáng, tỷ lệ phần trăm về độ thấm nước và độ thấm bitum cũng khác nhau.

Hình 7.2. Mô tả về các loại lỗ rỗng trong hỗn hợp Như vậy, trong hỗn hợp không chỉ có những khoảng trống giữa các hạt vật liệu khoáng, mà còn có lỗ rỗng trong bản thân các hạt vật liệu khoáng. Mô tả về các loại lỗ rỗng trong hỗn hợp bê tông được thể hiện ở Hình 7.2.

223

Nếu xét về thể tích, hỗn hợp bê tông nhựa sau khi đã dùng thi công lớp mặt đường ô tô, có thể chia thành các loại thể tích tương ứng được thể hiện ở Hình 7.3. 1. Khối lượng thể tích (Unit Weight) của bê tông nhựa (ρb) là khối lượng cân trong không khí một đơn vị thể tích BTN sau khi đã được đầm nén chặt. 2. Độ rỗng dư (Va - Air Voids) là tổng thể tích của các túi khí nhỏ nằm giữa các hạt vật liệu khoáng đã được bao bọc bitum có trong hỗn hợp sau khi đã lu lèn (làm chặt); được biểu thị bằng tỉ lệ phần trăm của thể tích mẫu hỗn hợp BTN đã đầm nén. 3. Độ rỗng vật liệu khoáng (VMA - Voids in the Mineral Aggregate) là thể tích các khe rỗng nằm giữa các hạt vật liệu khoáng trong hỗn hợp; nó bao gồm độ rỗng dư và hàm lượng bitum có hiệu; được biểu thị bằng phần trăm của thể tích mẫu hỗn hợp BTN đã đầm nén. 4. Tỉ trọng biểu kiến của vật liệu khoáng (Gsa - Apperent Specific Gravity) là tỷ số giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích cốt liệu không thấm nước với khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định. Tỷ trọng biểu kiến của từng vật liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng) được sử dụng để tính tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu. 5. Tỉ trọng có hiệu của vật liệu khoáng (Gse - Effective Specific Gravity) là tỷ số giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích vật liệu khoáng có thấm nước (loại trừ các lỗ rỗng thấm bitum) với khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định.

Hình 7.3. Mô tả các khái niệm về thể tích hỗn hợp

224

Trong đó: + Vmb: Thể tích khối hỗn hợp BTN đã được đầm lèn; + Vmm: Thể tích khối hỗn hợp BTN khi giả định đặc hoàn toàn; + Vsb: Thể tích cốt liệu (theo tỉ trọng khối); + Vb: Thể tích bitum; + Vma: Thể tích các lỗ rỗng trong vật liệu khoáng; + Vsc: Thể tích cốt liệu (theo tỉ trọng có hiệu); + Vsb: Thể tích cốt liệu (theo tỉ trọng khối); + Vba: Thể tích bitum thấm nhập vào cốt liệu; + Vfa: Thể tích bitum lấp lỗ rỗng có hiệu. 6. Hàm lượng bitum có hiệu (Pbe - Effective Asphalt Content) là hàm lượng bitum có trong hỗn hợp trừ đi phần bitum bị mất do thấm vào vật liệu khoáng; được biểu thị bằng phần trăm khối lượng của hỗn hợp BTN. Lượng nhựa có hiệu tạo nên lớp phủ bề ngoài các hạt cốt liệu và là lượng nhựa chi phối các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTN. 7. Hàm lượng bitum lấp đầy lỗ rỗng (VFA - Voids Filled with Asphalt) là phần thể tích của các khe rỗng giữa vật liệu khoáng được chiếm chỗ bởi bitum. Độ rỗng lấp đầy nhựa còn được gọi là: Độ rỗng lấp đầy nhựa - được biểu thị bằng phần trăm của thể tích nhựa có hiệu chia cho độ rỗng vật liệu khoáng (VMA). 8. Tỉ trọng khối của bê tông nhựa (Gsb - Bulk Specific Gravity) là tỷ số giữa khối lượng của BTN đã đầm nén so với khối lượng nước có cùng thể tích ở cùng nhiệt độ. 9. Tỉ trọng lớn nhất của bê tông nhựa (Gmm - Maximum Specific Gravity) là tỷ trọng của hỗn hợp BTN khi không có độ rỗng dư (độ rỗng dư bằng 0).

7.3.5.2. Phương pháp tính toán các thông số đặc tính thể tích của bê tông nhựa 1. Tỉ trọng biểu kiến của vật liệu khoáng Tỉ trọng biểu kiến (Gsa - Apperent Specific Gravity) là tỷ số giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích vật liệu không thấm nước với khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định. Tỷ trọng biểu kiến của từng vật liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng) được sử dụng để tính tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp vật liệu khoáng. Vật liệu khoáng (cốt liệu tổng hợp) dùng trong bê tông nhựa bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và bột khoáng; chúng có tỷ trọng khác nhau; tỷ trọng biểu kiến của vật liệu khoáng được xác định theo công thức (7-1).

225

Gsa 

P1  P2  ...Pn P P1 P2   ...  n G1 G2 Gn

(7-1)

Trong đó: + Gsa: Tỷ trọng biểu kiến của vật liệu khoáng; + P1, P2,... Pn: Phần trăm của các loại vật liệu khoáng, tính theo khối lượng; + G1, G 2,... G n: Tỉ trọng của các loại vật liệu khoáng có trong hỗn hợp. 2. Tỉ trọng có hiệu của vật liệu khoáng Tỉ trọng có hiệu của vật liệu khoáng (Gse - Effective Specific Gravity) là tỷ số giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích vật liệu khoáng có thấm nước (loại trừ các lỗ rỗng thấm bitum) với khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định. Dựa trên tỷ trọng lớn nhất của bê tông nhựa, tỷ trọng có hiệu của vật liệu khoáng được xác định theo công thức (7-2).

Gse 

Pmm  Pb Pmm Pb  Gmm Gb

(7-2)

Trong đó: + Gse: Tỷ trọng có hiệu của vật liệu khoáng; + Pmm: Tổng hàm lượng của hỗn hợp (100%); + Gmm: Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp (khi không có độ rỗng còn dư); + Pb: Hàm lượng bitum, tính theo phần trăm khối lượng của hỗn hợp; + G b: Tỉ trọng của bitum. 3. Tỉ trọng lớn nhất của bê tông nhựa Tỉ trọng lớn nhất của bê tông nhựa (Gmm - Maximum Specific Gravity) là tỷ trọng của hỗn hợp BTN khi không có độ rỗng dư (độ rỗng dư bằng 0). Trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa với các cốt liệu biết trước, thì việc xác định tỷ trọng lớn nhất ứng với các hàm lượng bitum khác nhau là cần thiết; nó là cơ sở để xác định độ rỗng dư tương ứng với từng hàm lượng nhựa. Tỉ trọng lớn nhất của bê tông nhựa ứng với các hàm lượng nhựa khác nhau được xác định theo công thức (7-3).

226

Gmm 

Pmm Ps P  b Gse Gb

(7-3)

Trong đó: + Gmm: Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp (khi không có độ rỗng còn dư); + Gse: Tỷ trọng có hiệu của vật liệu khoáng; + Pmn: Tổng hàm lượng của hỗn hợp (100%); + Ps: Hàm lượng vật liệu khoáng, tính theo phần trăm khối lượng hỗn hợp; + Pb: Hàm lượng bitum, tính theo phần trăm khối lượng của hỗn hợp; + G b: Tỉ trọng của bitum. 4. Lượng bitum hấp phụ Lượng bitum hấp phụ (Pba) thường được xác định theo phần trăm trọng lượng của cốt liệu hơn là theo trong lượng của hỗn hợp. Lượng bitum hấp phụ được xác định theo công thức (7-4).

Pba  100

Gse  Gsb .Gsb Gsb .Gse

(7-4)

Trong đó: + Pba: Lượng bitum hấp phụ; + Gse: Tỷ trọng có hiệu của vật liệu khoáng; + Gsb: Tỷ trọng khối của bê tông nhựa. 5. Hàm lượng bitum có hiệu trong hỗn hợp Hàm lượng bitum có hiệu trong hỗn hợp (Pbe) là tổng hàm lượng bitum trừ đi lượng đã bị hấp phụ vào cốt liệu, được xác định theo công thức (7-5).

Pbe  Pb 

Pba .Ps 100

(7-5)

Trong đó: + Pbe: Hàm lượng bitum có hiệu, xác định theo % khối lượng hỗn hợp; + Pb: Hàm lượng bitum, xác định theo % khối lượng hỗn hợp; + Pba: Lượng bitum hấp phụ, xác định theo % khối lượng hỗn hợp; + P s: Hàm lượng cốt liệu, xác định theo % khối lượng hỗn hợp.

227

6. Độ rỗng vật liệu khoáng trong hỗn hợp Độ rỗng vật liệu khoáng (VMA) được xác định là độ rỗng giữa các hạt cốt liệu trong hỗn hợp, bao gồm độ rỗng dư và hàm lượng bitum có hiệu, được xác định theo phần trăm tổng thể tích mẫu. Độ rỗng vật liệu khoáng được tính toán bằng cách lấy thể tích khối của hỗn hợp trừ đi thể tích khối của cốt liệu, theo một trong hai cách sau: Theo tổng khối lượng của hỗn hợp, độ rỗng cốt liệu vật liệu khoáng được xác định theo công thức (7-6).

VMA  100 

Gsb .Ps Gsa

(7-6)

Trong đó: + VMA: Độ rỗng của vật liệu khoáng; + Gsb: Tỷ trọng khối của bê tông nhựa; + Gsa: Tỷ trọng biểu kiến (tỷ trọng khối) của vật liệu khoáng; + P s: Hàm lượng cốt liệu, xác định theo % khối lượng hỗn hợp. Theo tổng khối lượng của cốt liệu, độ rỗng vật liệu khoáng được xác định theo công thức (7-7).

VMA  100 

Gsb 100 . .100 Gsa 100  Pb

(7-7)

Trong đó: P b là hàm lượng bitum, xác định theo % khối lượng của cốt liệu. 7. Độ rỗng dư trong hỗn hợp Độ rỗng dư (độ rỗng còn lại) trong hỗn hợp bê tông nhựa (Va) được xác định theo công thức (7-8).

Va  (1 

mb ).100 mn

Trong đó: + Va: Độ rỗng dư trong hỗn hợp bê tông nhựa, %; + ρmb: Tỷ trọng khối của hỗn hợp; + ρmn: Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp.

228

(7-8)

8. Độ rỗng lấp đầy bitum Độ rỗng lấp đầy bitum (VFA) là tỉ lệ % độ rỗng vật liệu khoáng đã được bitum chiếm chỗ (không bao gồm bitum đã bị hấp phụ), được xác định theo công thức (7-9).

VFA  100.

VMA  Va VMA

(7-9)

Trong đó: + VFA: Độ rỗng lấp đầy bitum của vật liệu khoáng, %; + VMA: Độ rỗng của vật liệu khoáng, %; + Va: Độ rỗng dư trong hỗn hợp bê tông nhựa, %.

7.2.2. Độ ổn định và độ dẻo Marshall Các chỉ tiêu Độ ổn định và Độ dẻo Marshall của BTN được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8860 - 2011, hoặc tiêu chuẩn quốc tế AASHTM T245; đánh giá khả năng chịu lực và độ ổn định của bê tông nhựa; được sử dụng cho phương pháp thiết kế Marshall. Hai chỉ tiêu này được xác định từ thí nghiệm Marshall (Hình 7.4). Thí nghiệm marshall được thực hiện trên mẫu bê tông nhựa hình trụ có đường kính là 101,6 mm và chiều cao là 63 mm, được chế tạo tại phòng thí nghiệm hoặc được khoan từ mặt đường. Ở phòng thí nghiệm, mẫu bê tông nhựa được trộn ở nhiệt độ quy định, tạo mẫu trong khuôn Marshall với số chày đầm và nhiệt độ quy định theo tiêu chuẩn. Cả hai loại mẫu, sau khi ngâm mẫu trong nước có nhiệt độ 600C trong thời gian từ 30 đến 40 phút, được lấy ra và đặt vào thiết bị Marshall để làm thí nghiệm. Lực nén có tốc độ quy định là 50,8 mm/phút, tác dụng dọc theo đường sinh cho tới khi bị phá hoại.

Hình 7.4. Máy và thiết bị thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall

229

Độ ổn định Marshall (S) là giá trị lực lớn nhất tác dụng lên mẫu thí nghiệm tại thời điểm mẫu bị phá hoại. Độ dẻo Marshall (F) là giá trị biến dạng lún lớn nhất của mẫu thí nghiệm tại thời điểm mẫu bị phá hoại. Ngoài ra, Độ ổn định và Độ dẻo Marshall còn có thể được dùng để xác định giá trị mô đun đàn hồi của BTN theo công thức thực nghiệm của Nijboer, thể hiện ở công thức (7-10).

Edh ,600  1, 6

S , daN/cm2 F

(7-10)

Trong đó: + S: Độ ổn định Marshall, kN; + F: Độ dẻo Marshall, mm. Theo hướng dẫn thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo phương pháp Marshall của Viện bê tông nhựa Việt Nam, kết quả thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu về đặc tính thể tích và chỉ tiêu cơ học tương ứng với lượng giao thông theo quy định ở Bảng 7.1. Bảng 7.1. Quy định về độ ổn định và độ dẻo Marshall

Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của hỗn hợp bê tông asphalt theo Marshall

Giao thông nhẹ

Giao thông vừa

Giao thông nặng

Lớp mặt & móng trên

Min

Max

Min

Max

Min

Số lần đầm nén

35 x 2

50 x 2

75 x 2

Độ ổn định (Stability), KN

3,4

5,5

8,0

Độ dẻo, mm

3,2

7,2

Max

7.2.3. Cường độ chịu nén, tính ổn định nước và ổn định nhiệt Cường độ chịu nén, tính ổn định nước và ổn định nhiệt của BTN là các chỉ tiêu được xác định và phục vụ cho việc tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn ngành giao thông vận tải của Việt Nam 22TCN 62 - 1984 và Tiêu chuẩn Nga. Cường độ của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần và chất lượng vật liệu (lượng bitum và bột khoáng), công nghệ làm đặc, nhiệt độ và tốc độ biến dạng.

230

Bê tông nhựa có khả năng làm việc chủ yếu là chịu nén. Cường độ chịu nén của bê tông nhựa phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nên nó được xác định ở các nhiệt độ khác nhau tương ứng với các điều kiện làm việc thực tế là 500C, 200C và 00C: Cường độ chịu nén ở 500C biểu thị tính ổn định động, cường độ chịu nén ở 200C biểu thị trạng thái làm việc bình thường, cường độ chịu nén ở 00C biểu thị tính chống nứt của bê tông nhựa. Cường độ của bê tông nhựa thay đổi mạnh và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: Ở 200C cường độ chịu nén Rn ≈ 25 daN/cm2; ở 500C cường độ chịu nén của bê tông nhựa giảm mạnh, Rn ≈ 1 ÷ 2 daN/cm2 ; ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống dưới 00C thì cường độ chịu nén của bê tông nhựa tăng đáng kể, Rn ≈ 150 ÷ 200 daN/cm2. Cường độ chịu nén, tính ổn định nước và ổn định nhiệt của BTN được xác định từ thí nghiệm cường độ chịu nén (Hình 7.5) và được đánh giá thông qua các chỉ tiêu: cường độ chịu nén giới hạn, hệ số ổn định nước và hệ số ổn định nhiệt. Theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 62 - 1984, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có các đường kính 50,5 - 71,5 - 101,6 (mm) tùy theo cỡ hạt lớn nhất danh định của BTN, chiều cao mẫu thử h = 63,571 mm; mẫu được chế tạo bằng phương pháp ép tĩnh hoặc khoan từ hiện trường. Khi chế bị trong phòng thí nghiệm, mẫu thí nghiệm được gia nhiệt đến 90 ÷ 1000C và đầm chặt bằng dụng cụ tiêu chuẩn: 50 lần hoặc 75 lần rơi của quả đầm tùy theo tiêu chuẩn và loại bê tông nhựa.

Hình 7.5. Mô hình thí nghiệm cường độ chịu nén Một lực nén có tốc độ 3 ± 0,5 mm/phút tác dụng dọc trục cho tới khi mẫu bị há hoại; độ lớn của lực phá hoại mẫu được sử dụng để tính cường độ chịu nén giới hạn theo công thức (7-11).

Rn 

P , daN/cm2 F

(7-11)

231

Trong đó: + P: Tải trọng phá hoại mẫu, daN; + F: Diện tích mặt cắt ngang mẫu, cm2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén được thực hiện ở 3 trạng thái: - Mẫu khô (không ngâm nước) ở nhiệt độ 200C, ký hiệu: Rk20; - Mẫu bão hòa (ngâm nước) ở nhiệt độ 200C, ký hiệu: Rbh20; - Mẫu khô (không ngâm nước) ở nhiệt độ 500C, ký hiệu: Rk50. Căn cứ vào cường độ chịu nén giới hạn ở 3 trạng thái khác nhau, có thể đánh giá độ ổn định nước và ổn định nhiệt của BTN thông qua hệ số ổn định nước (Kn) và hệ số ổn định nhiệt (Kt), được xác định theo các công thức (7-12ab).

Rbh20 K n  20 Rk

(7-12a)

Rk50 Kt  20 Rk

(7-12b)

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 249 - 98, bê tông nhựa chặt dùng xây dựng mặt đường, phải có có chỉ tiêu cơ lý theo quy định, được thể hiện ở Bảng 7.2. Bảng 7.2. Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa chặt

Các chỉ tiêu

1 2

Độ rỗng cốt liệu khoáng, % thể tích Độ rỗng còn dư, % thể tích

3 4 5

Độ ngậm nước, % thể tích Độ nở, % thể tích, không lớn hơn Cường độ chịu nén, daN/cm2, ở nhiệt độ +) 200C không nhỏ hơn +) 500C không nhỏ hơn Hệ số ổn định nước, không nhỏ hơn

Yêu cầu đối với bê tông nhựa loại I II 15 - 19 15 - 21 3-6 3-6 1,5 - 3,5 0,5

1,5 - 4,5 1,0

35 0,90

25 1142 0,85

Hệ số ổn định nước, khi cho ngâm nước trong 15 ngày đêm; không nhỏ hơn

0,85

0,75

Độ nở, % thể tích, khi cho ngâm nước trong 15 ngày đêm, không lớn hơn

1,5

1,8

232

7.2.4. Cường độ chịu kéo gián tiếp Cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) của BTN được xác định và sử dụng cho các phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8862 - 2011 và các tiêu chuẩn quốc tế, tiêu chuẩn nước ngoài: ASTM D4123; Trung Quốc, Nga... Theo các tiêu chuẩn, thí nghiệm kéo gián tiếp được thực hiện ở các nhiệt độ quy định phù hợp với điều kiện của từng khu vực; thông thường là các khoảng nhiệt độ: 50C, 300C (hoặc 250C) và 400C. Sơ đồ và hình ảnh thí nghiệm được thể hiện ở các Hình 7.6ab.

Hình 7.6a. Sơ đồ thí nghiệm ép chẻ

Hình 7.6b. Hình ảnh thí nghiệm ép chẻ

233

Cường độ chịu kéo gián tiếp được dùng phục vụ cho việc tính toán cường độ chịu kéo uốn giới hạn của BTN, dùng tính toán kết cấu mặt đường theo 22TCN 211 - 06 theo công thức (7-13).

Kku  Kn .Rc

(7-13)

Trong đó: + Kn: Hệ số quan hệ thực nghiệm giữa 2 loại cường độ, theo kinh nghiệm có thể lấy Kn =1,6  2,0 đối với vật liệu gia cố vô cơ (cỡ hạt vật liệu càng lớn thì hệ số Kn càng nhỏ) và Kn = 2 với vật liệu có liên kết hữu cơ; + Rc: Cường độ ép chẻ được xác định theo công thức (7-14).

Rc  K .

P , MPa d .h

(7-14)

Trong đó: + P: Tải trọng ép chẻ khi mẫu bị nứt tách, N; + d, h: Đường kính và chiều cao mẫu, mm; + K: Hệ số, lấy bằng 1,0 đối với vật liệu có chất liên kết hữu cơ, bằng 2/ đối với vật liệu có chất liên kết vô cơ. Hiện nay, các quy trình tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm của Trung Quốc và của Liên bang Nga cũng sử dựng cường độ ép chẻ thay cho cường độ chịu kéo uốn giới hạn.

7.2.5. Biến dạng vĩnh cửu - vệt hằn lún bánh xe Các thí nghiệm mô phỏng được sử dụng để thí nghiệm các đặc trưng biến dạng vĩnh cửu (vệt hằn bánh xe), nứt mỏi và nứt do nhiệt độ thấp của bê tông nhựa. Các thí nghiệm mô phỏng theo biến dạng vệt bánh xe LWT (loaded wheel tester) và được chia thành hai nhóm: thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm tại hiện trường. Thí nghiệm mô phỏng ngoài hiện trường tương đối phức tạp và tốn kém, thời gian thí nghiệm lâu hơn so với thí nghiệm mô phỏng trong phòng. Do vậy, thực tế hiện nay thường dùng nhiều thí nghiệm mô phỏng trong phòng. Các thiết bị thí nghiệm trong phòng bao gồm: Asphalt Pavement Analyzer (APA), Hamburg Wheel Tracking Device (HWTD), French Rutting Tester (FRT). Nguyên lý và hình ảnh về một số thiết bị mô phỏng biến dạng vệt bánh xe trong phòng thí nghiệm được thể hiện ở các Hình 7.7abc.

234

Hình 7.7a. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe trên thiết bị APA

Hình 7.7b. Bộ phận gia tải và mẫu thí nghiệm trên thiết bị APA

Hình 7.7c. Thiết bị thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe của Trung Quốc (HWTD)

235

Nhìn chung, nguyên lý làm việc và thí nghiệm để xác định vệt hằn lún bánh xe của các loại thiết bị nêu trên là tương tự nhau; tuy nhiên cũng có số số điểm khác biệt và đặc thù được thể hiện ở Bảng 7.5. Bảng 7.5. So sánh các thiết bị APA, HWTD và FRT TT

Thiết bị APA

Thiết bị FRT

Ít được sử dụng, chủ yếu ở Đức

Rất ít được sử dụng, chủ yếu ở Pháp

Thời gian thí nghiệm ngắn

Thời gian thí nghệm dài

Thời gian thí nghiệm ngắn

Có thể thí nghiệm đồng thời từ 3 đến 6 mẫu

Có thể thí nghiệm đồng thời 2 mẫu

Có thể thực hiện được 3 thí nghiệm sau:

Có thể thực hiện được 2 thí nghiệm sau:

Chỉ thực hiện được 1 thí nghiệm sau:

a. Thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe

a. Thí nghiệm vết hằn lún bánh xe

a. Thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe

Được sử dụng rộng rãi

2 3

Thiết bị HWTD

b. Thí nghiệm đánh giá b. Thí nghiệm đánh giá hư hỏng của bê tông nhựa hư hỏng của bê tộng nhựa dưới tác dụng của độ ẩm dưới tác dụng của độ ẩm c. Thí nghiệm mỏi

7.3. Thiết kế thành phần bê tông nhựa 7.3.1. Vật liệu chế tạo bê tông nhựa 7.3.1.1. Cốt liệu Cốt liệu dùng chế tạo bê tông nhựa cũng có thể được chia thành cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ. Cốt liệu lớn sử dụng là cấp phối đá dăm (đá dăm) và cốt liệu nhỏ thường sử dụng là cấp phối đá mạt (cát nhân tạo). Hàm lượng cốt liệu lớn trong hỗn hợp vật liệu khoáng chiếm từ 20 ÷ 65% và hàm lượng cốt liệu nhỏ chiếm từ 15 - 50% tùy thuộc vào loại bê tông nhựa. Thành phần hạt của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ được chia thành các nhóm cấp hạt với hàm lượng quy định. Thực tế, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và bột khoáng khi sử dụng (nhào trộn) thường là một hỗn hợp; và do đó, cấp phối vật liệu khoáng (cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và bột khoáng)

236

thường được quy định theo dải liên tục cho cả hỗn hợp: Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819 - 2011 - Mặt đường BTN nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu (Specification for Construction of Hot Mix Asphalt Concrete Pavement and Acceptance), hàm lượng các nhóm hạt vật liệu khoáng được ghi ở Bảng 7.6 và Bảng 7.7. Bảng 7.6. Hướng dẫn sử dụng loại BTNC theo tiêu chuẩn Việt Nam Quy định

BTNC 9,5

BTNC 12,5

BTNC 19

BTNC 4,75

1. Cỡ hạt lớn nhất danh định, mm

9,5

12,5

4,75

Lượng lọt qua sàng, % khối lượng

2. Cỡ sàng mắt vuông, mm 25

100

90 - 100

12,5

100

90 - 100

71 - 86

9,5

90 - 100

74 - 89

58 - 78

100

4,75

55 - 80

48 - 71

36 - 61

80 - 100

2,36

36 - 63

30 - 55

25 - 45

65 - 82

1,18

25 - 45

21 - 40

17 - 33

45 - 65

0,60

17 - 33

15 - 31

12 - 25

30 - 50

0,30

12 - 25

11 - 22

8 - 17

20 - 36

0,15

9 - 17

8 - 15

6 - 12

15 - 25

0,075

6 - 10

5-8

8 - 12

5,2 - 6,2

5,0 - 6,0

4,8 - 5,8

6,0 - 7,5

4-5

5-7

6-8

3-5

Lớp mặt trên

Lớp mặt trên hoặc dưới

Lớp mặt dưới

Vỉa hè, làn dành cho xe đạp và xe thô sơ

3. Hàm lượng nhựa đường tham khảo, % khối lượng hỗn hợp 4. Chiều dày lớp BTN hợp lý (sau luo lèn), cm

5. Phạm vi nên sử dụng

237

Bảng 7.7. Hướng dẫn sử dụng loại BTNR theo tiêu chuẩn Việt Nam Quy định 1. Cỡ hạt lớn nhất danh định, mm 2. Cỡ sàng mắt vuông, mm

BTNR 19

BTNR 25

BTNR 37,5

37,5

Lượng lọt qua sàng, % khối lượng

100

37,5

100

90 - 100

100

90 - 100

40 - 70

12,5

40 - 70

9,5

40 - 70

18 - 48

4,75

15 - 39

10 - 34

6 - 29

2,36

2 - 18

1 - 17

0 - 14

1,18

0,60

0 - 10

0-8

0,30

0,15

0,075

4,0 - 5,0

3,5 - 4,5

3,0 - 4,0

8 - 10

10 - 12

12 - 16

Lớp móng trên

Lớp móng

3. Hàm lượng nhựa đường tham khảo, % khối lượng hỗn hợp 4. Chiều dày lớp BTN hợp lý (sau luo lèn), cm 5. Phạm vi nên sử dụng

Các chỉ tiêu quy định về chất lượng của cốt liệu cũng tương tự bê tông xi măng: Theo TCVN 8819 - 2011, các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm dùng cho BTN được quy định thể hiện ở Bảng 7.8 và Bảng 7.9.

238

Bảng 7.8. Chỉ tiêu cơ lý quy định cho cốt liệu lớn theo tiêu chuẩn Việt Nam BTNC

12,5

BTNR

Lớp mặt trên

Lớp mặt dưới

Các lớp móng

≥ 100 ≥ 100

≥ 80 ≥ 60

TCVN 757210: 2006

≤ 28

≤ 35

≤ 40

≤ 15

≤ 20

4. Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hóa, %

≤ 10

≤ 15

5. Hàm lượng hạt cuội sỏi bị đập vỡ (ít nhất là 2 mặt vỡ), %

≥ 80

6. Độ nén dập của cuội sỏi được xay vỡ, %

≤ 14

≤2

8. Hàm lượng sét cục, %

≤ 0,25

9. Độ dính bám của đá với nhựa đường, cấp

≥ cấp 3

TCVN 757212: 2006 TCVN 757213: 2006 TCVN 757217: 2006 TCVN 757218: 2006 TCVN 757211: 2006 TCVN 75728: 2006 TCVN 75728: 2006 TCVN 7504: 2005

Các chỉ tiêu 1. Cường độ nén của đá gốc, MPa - Đá mác ma, biến chất - Đá trầm tích 2. Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles, % 3. Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles, %

7. Hàm lượng chung bụi, bùn, sét, %

Phƣơng pháp thử

Bảng 7.9. Chỉ tiêu cơ lý quy định cho cốt liệu nhỏ theo tiêu chuẩn Việt Nam Quy định

Phƣơng pháp thử

1. Mô đun độ lớn

≥2

TCVN 7572-2:2006

2. Hệ số đương lượng cát, % - Cát thiên nhiên - Cát xay

≥ 80 ≥ 50

AASHTO T176

3. Hàm lượng chung bui, bùn, sét, %

≤3

TCVN 7572-8:2006

4. Hàm lượng sét cục, %

≤ 0,5

TCVN 7572-8:2006

5. Độ góc cạnh của cát (độ rỗng của cát ở trạng thái chưa đầm nén), % - BTN làm lớp mặt trên - BTN làm lớp mặt dưới

≥ 43 ≥ 40

TCVN 8860-7:2011

Các chỉ tiêu

239

7.3.1.2. Bột khoáng Bảng 7.10. Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bột khoáng Quy định

Phƣơng pháp thử

0,60 mm

100

TCVN 7572-2:2006

0,30 mm

95 - 100

0,075 mm

70 - 100

Các chỉ tiêu 1. Thành phần hạt (lượng lọt qua các cỡ sàng mắt vuông), %

2. Độ ẩm, %

≤ 1,0

TCVN 7572-7:2006

3. Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá

≤ 4,0

TCVN 4119:1995

Bột khoáng là sản phẩm được nghiền mịn từ đá cacbonat (đá vôi can xit, đôlômít, đá dầu...). Đá dùng sản xuất bột khoáng phải sạch, không lẫn các tạp chất hữu cơ, hàm lượng bụi bùn sét không quá 5%, cường độ chịu nén tối thiểu 20 MPa. Bột khoáng là thành phần quan trọng của bê tông nhựa. Nó không những có nhiệm vụ lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu, làm tăng độ đặc của hỗn hợp, mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc với bitum, làm cho màng bitum trên mặt các hạt vật liệu khoáng càng mỏng; và như vậy lực tương tác giữa các thành phần vật liệu càng tăng, làm cường độ và độ bền của bê tông nhựa tăng lên. Khi trộn với bitum trong hỗn hợp bê tông nhựa, bột khoáng cần tạo nên một lớp hoạt tính và ổn định nước. Mối quan hệ vật lý, hóa học giữa bề mặt hạt bột khoáng và bitum làm tăng cường độ của bê tông nhựa, nhưng cũng làm tăng tính giòn của bê tông nhựa. Vì vậy, lượng bột khoáng trong bê tông nhựa chỉ được ở một giới hạn nhất định, để tránh làm tăng tốc độ hóa già của bitum. Bột khoáng phải được nghiền tới độ mịn quy định; khi sử dụng phải khô, tơi, không vón hòn. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819 - 2011, các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng phải thoả mãn yêu cầu quy định thể hiện ở Bảng 7.10.

7.3.1.3. Bitum Bitum (nhựa đường) dùng để chế tạo bê tông nhựa là loại nhựa đường đặc, gốc dầu mỏ (bitum dầu mỏ). Trước khi sử dụng nhựa phải có hồ sơ về các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại nhựa sẽ dùng và phải thí nghiệm kiểm tra lại.

240

Với từng đặc điểm của điều kiện khu vực và loại bê tông nhựa, phải lựa chọn loại nhựa đường thích hợp để sử dụng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7493 - 2005, việc lựa chọn mác bitum được thể hiện ở Bảng 7.11. Bảng 7.11. Giới thiệu các loại bitum sử dụng ở các công trình khác nhau Mác bitum

Mục đích sử dụng

20-30

40-50

60-70

85-100 120-150 200-300

1. Bê tông atphan rải nóng - lớp trên

2. Bê tông atphan rải nóng - lớp dưới

3. Bê tông atphan rải ấm

4. Hỗn hợp hở của đá hạt vừa - bitum

5. Lớp mặt, móng láng bitum

6. Vật liệu sơn

7. Vật liệu lợp - lớp tẩm

8. Vật liệu lợp - lớp tráng mặt

9. Matít chèn khe

10. Sản xuất nhũ tương

Chú thích: ++ Rất thích hợp; + Thích hợp; - Không thích hợp; -- Rất không thích hợp

Trong thực tế thi công công trình, dùng loại nhựa đường nào là do Tư vấn thiết kế quy định. Các yêu cầu kỹ thuật của bitum phải thoả mãn quy định tại theo tiêu chuẩn: Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7493 - 2005, các yêu cầu kỹ thuật của bitum được thể hiện ở Bảng 7.12. Bảng 7.12. Yêu cầu kỹ thuật của bitum theo tiêu chuẩn Việt Nam TT

Các chỉ tiêu

Mác theo độ kim lún 20-30

40-50

60-70

85-100

120-150

200-300

20 - 30

40 - 50

60 - 70

85 - 100

120 - 150

200 - 300

Độ kim lún ở 250C, 0,1 mm

Độ kéo dài ở 250C, cm

100

Nhiệt độ hó mềm, 0C

Nhiệt độ bắt lửa, 0C

240

232

230

220

Lượng tổn thất sau khi đun 5 giờ ở 1630C, max, %

0,2

0,5

0,8

1,0

241

Các chỉ tiêu

Mác theo độ kim lún 20-30

40-50

60-70

85-100

120-150

200-300

Tỷ lệ độ kim lún sau khi đun so với ban đầu, %

Lượng hòa tan trong tricloroethylene, %

Khối lượng riêng, g/cm3

Hàm lượng parafin, max, %

2,2

515

305

285

235

185

150

10 Độ nhớt ở 1350C, eSt

1 - 1,05

7.3.2. Thiết kế thành phần bê tông nhựa 7.3.2.1. Khái niệm và các phương pháp thiết kế Thiết kế thành phần bê tông nhựa là việc tính toán và thử nghiệm để tìm thành phần vật liệu khoáng, hàm lượng bitum và phụ gia tối ưu, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và đặc tính sử dụng. Hay nói cách khác, mục đích của công tác thiết kế là tìm ra được tỷ lệ phối hợp các loại vật liệu khoáng (đá, cát, bột khoáng) để thoả mãn thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa được quy định và tìm ra được hàm lượng nhựa đường tối ưu thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với bê tông nhựa. Khi thiết kế thành phần bê tông nhựa cầu lưu ý các vấn đề cơ bản như: Xác định rõ yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn tiêu chuẩn áp dụng; xác định rõ nguồn vật liệu, khả năng cung cấp, chỉ tiêu kỹ thuật, giá thành; xác định rõ tính chất kỹ thuật của công trình, điều kiện thi công, khai thác; xác định rõ thiết bị, trình độ kỹ sư và tay nghề của công nhân. Tùy thuộc vào mỗi quốc gia và từng dự án, việc thiết kế thành phần bê tông nhựa được thực hiện theo nhiều cách khác nhau; tuy nhiên, trình tự và nguyên lý cơ bản giống nhau, chỉ khác biệt ở việc lựa chọn các chỉ tiêu thiết kế. Các phương pháp thiết kế chủ yếu có thể được phân thành các nhóm: nhóm theo phương pháp của Nga (TCVN 9128 - 84); nhóm theo phương pháp của Mỹ (Marshall); nhóm theo phương pháp của Anh (BS 594 và BS 598). Ở Việt Nam, trước đây thường sử dụng chủ yếu phương pháp của Nga; nhưng hiện nay chủ yếu thực hiện việc thiết kế theo phương pháp Marshall (TCVN 8820:2011).

242

7.3.2.2. Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa 1) Lựa chọn loại hỗn hợp và thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng Việc xác định thành phần vật liệu khoáng (CLL, CLN, bột khoáng) được dựa trên quy định của tiêu chuẩn của từng quốc gia: Bảng 7.6, Bảng 7.7 và Bảng 7.10. Khi lựa chọn loại và mác của hỗn hợp cần lựa chọn thành phần lượng đá và bột khoáng thích hợp. Hỗn hợp bê tông nhựa thường được chia làm ba loại phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng: hỗn hợp dùng cho lớp mặt, lớp chịu lực và lớp móng. Cốt liệu có cỡ hạt lớn thường được dùng cho lớp móng; cốt liệu có cỡ hạt nhỏ thường được dùng cho lớp mặt. 2) Xác định lượng bitum Việc xác định lượng bitum bao gồm hai bước: xác định lượng bitum ban đầu và xác định lượng bitum tối ưu. Để xác định lượng bitum ban đầu, ta coi tổng vật liệu khoáng (CLL, CLN và bột khoáng) là 100%; hàm lượng bitum ban đầu so với vật liệu khoáng (B) thường chọn trong khoảng từ 5 ÷ 7%. Hàm lượng bitum ban đầu theo khối lượng toàn hỗn hợp (Pb) được xác định theo công thức (7-15).

Pb 

B .100 , % B  100

(7-15)

Việc xác định lượng bitum tối ưu của hỗn hợp BTN được thực hiện bằng thực nghiệm và tính toán với các công việc cơ bản như sau: Chế tạo các mẫu thử với các hàm lượng bitum khác nhau và xác định các chỉ tiêu tính chất yêu cầu của bê tông nhựa: Thông thường chế tạo 5 nhóm mẫu, mỗi nhóm tối thiểu 3 mẫu với hàm lượng nhựa trong khoảng 5 ÷ 7% (5,0%, 5,5%, 6,0%, 6,5% và 7,0%). Các chỉ tiêu tính chất yêu cầu của hỗn hợp BTN phụ thuộc vào từng tiêu chuẩn cũng như phương pháp thiết kế: Khi thiết kế theo phương pháp của Nga, sẽ là các chỉ tiêu: Cường độ, Độ rỗng của vật liệu khoáng; Khối lượng riêng của hỗn hợp vật liệu khoáng và Độ rỗng còn lại (dư) của bê tông nhựa. Các chỉ tiêu này được xác định từ các thí nghiệm và tính toán. Kết quả thí nghiệm và tính toán được ghi dưới dạng bảng, thể hiện ở Bảng 7.13. Bảng 7.13. Bảng ghi thí nghiệm tính chất bê tông nhựa Các tính chất cơ học và vật lý - Độ rỗng của hỗn hợp vật liệu khoáng, %

Các tính chất mẫu thử với hàm lƣợng bitum, % 5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

16,9

15,7

15,2

16,2

17,9

243

Các tính chất mẫu thử với hàm lƣợng bitum, %

Các tính chất cơ học và vật lý - Độ rỗng còn lại, %

5,0 4,20

5,5 3,30

6,0 2,60

6,5 2,00

7,0 1,40

- Khối lượng riêng, g/cm3

2,59

2,60

2,601

2,587

- Cường độ ở 500C, MPa

1,20

1,40

1,42

1,50

0,82

- Cường độ ở 20 C, MPa

2,51

3,03

3,92

3,00

2,12

- Độ ổn định nước

0,85

0,90

0,93

0,95

0,98

- Độ hút nước

1,50

1,20

1,00

0,80

0,50

Khi thiết kế theo phương pháp Marshall, các chỉ tiêu tính chất yêu cầu sẽ là: Độ ổn định Marshall, Độ chảy, Khối lượng riêng hỗn hợp, Độ rỗng vật liệu khoáng, Độ rỗng còn dư (độ rỗng còn lại) và Độ rỗng lấp đầy bitum. Kết quả thí nghiệm và tính toán được ghi dưới dạng Bảng 7.14. Bảng 7.14. Bảng ghi thí nghiệm tính chất bê tông nhựa

STT

Hàm lƣợng nhựa, % (theo khối lượng hỗn hợp)

Khối lƣợng thể tích, g/cm3

Độ rỗng cốt liệu, %

Độ rỗng dƣ, %

Độ ổn định Marshall, kN

Độ dẻo Marshall, mm

4,0

2,38

15,2

6,5

8,1

2,8

4,5

2,39

14,9

5,0

8,7

3,0

5,0

2,41

14,8

4,0

9,0

3,5

5,5

2,40

15,6

3,2

8,5

3,8

6,0

2,40

16,1

2,8

7,5

4,4

Từ kết quả thí nghiệm và tính toán, có thể xây dựng mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu; các mối quan hệ này thường được thể hiện dưới dạng các đồ thị. Trên cơ sở mối quan hệ giữa hàm lượng bitum và các chỉ tiêu của bê tông nhựa, ta có thể xác định hàm lượng bitum tối ưu. Ví dụ: Khi thiết kế theo phương pháp của Nga, hàm lượng bitum tối ưu được (Btu) xác định qua ba chỉ tiêu cơ bản của bê tông nhựa là: cường độ, độ rỗng của hỗn hợp và độ rỗng còn lại theo công thức (7-16).

Btu 

B1  B2  B3 3

(7-16)

Trong đó: B1, B2, B3 là lần lượt là hàm lượng bitum tối ưu được xác định theo cường độ, độ rỗng của hỗn hợp và độ rỗng còn lại.

244

7.4. Công nghệ chế tạo bê tông nhựa Việc chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa thường được thực hiện tại các trạm trộn. Sau đó hỗn hợp được vận chuyển tới hiện trường thi công tuyến đường. Mục đích của việc chế tạo là tạo ra một hỗn hợp bê tông nhựa đồng nhất; trong đó, các hạt vật liệu khoáng được phân bố đồng đều và trên bề mặt của các hạt được bọc lớp bitum. Chất lượng của việc chế tạo ảnh hưởng rất lớn đến các tính năng của lớp mặt đường bê tông nhựa. Quá trình chế tạo lớp mặt đường bê tông nhựa có thể chia ra 5 công đoạn cơ bản, bao gồm: Chuẩn bị; Trộn hỗn hợp; Vận chuyển, rải và đầm lèn; Kiểm tra chất lượng.

7.4.1. Chuẩn bị Công tác chuẩn bị bao gồm các nội dung: chuẩn bị vật liệu, chuẩn bị các điều kiện về máy móc thiết bị và con người. Với mỗi cơ sở sản xuất, điều kiện về máy móc thiết bị và con người thường là yếu tố cố định, thì còn lại công tác nguyên vật liệu là công tác luôn được chú trọng. Đá và cát (CLL và CLN) thường được làm sạch bằng nước với nhiều phương pháp và được vận chuyển về kho chứa. Trước khi trộn, cốt liệu thường được gia nhiệt đến nhiệt độ khoảng 100 ÷ 1800C tùy theo loại bê tông nhựa. Việc gia nhiệt (sấy nóng) cho cốt liệu thường được thực hiện theo 3 dương ứng với 3 kiểu sấy nóng: Thùng sấy ngắn (sấy theo từng mẻ); thùng sấy trụ quay và tháp sấy (sấy liên tục). Trên hệ thống có sàng phân loại cốt liệu theo các cấp hạt yêu cầu và được chứa tại các thùng chứa riêng. Bột đá đạt yêu cầu về chất lượng, được chứa tại các xi lô; không cần gia nhiệt trước khi trộn. Bitum được gia nhiệt trong các thiết bị đặc biệt với khoảng nhiệt độ phù hợp. Việc gia nhiệt nhằm đảm bảo bitum đạt tới độ nhớt cần thiết để có thể nhào trộn và dính bám tốt với vật liệu khoáng. Tại các trạm trộn, việc phân loại hạt và cân đong được lập trình tự động theo thành phần thiết kế; trình tự các công đoạn được thiết kế theo thiết bị công nghệ và loại hỗn hợp.

7.4.2. Trộn hỗn hợp Việc trộn hỗn hợp BTN thường được thực hiện tại các trạm trộn cố định. Các trạm trộn thường dùng hơi nóng được đốt bằng ga hoặc bột than. Trình tự trộn và thời gian trộn phụ thuộc vào công nghệ, máy móc thiết bị và đặc tính kỹ thuật của loại BTN cần trộn. Với bê tông nhựa chặt - nóng, trình tự chung thường là: Trộn cốt liệu (đã làm nóng); trộn nhựa (đã làm nóng); trộn bột khoáng (không làm nóng trước); thời gian trộn tại các trạm trộn thông thường khoảng 60 ÷ 100 giây. Trình tự trộn và thời gian trộn phải được xác định thông qua trộn thử, nhằm đảm bảo chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa là tốt nhất.

245

7.4.3. Vận chuyển, rải và đầm lèn Ngay sau khi nhào trộn, hỗn hợp BTN được vận chuyển bằng xe chuyên dụng tới hiện trường thi công. Tại đây, hỗn hợp BTN được rải bằng máy rải chuyên dụng và đầm lèn bằng các xe lu bánh sắt hoặc bánh hơi có khối lượng 8 ÷ 12 tấn. Hỗn hợp bê tông nhựa phải đảm bảo nhiệt độ thi công quy định trong khi rải và đầm lèn, phụ thuộc vào loại hỗn hợp BTN. Theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819 - 2011, với hỗn hợp rải nóng, nhiệt độ yêu cầu với các giai đoạn thi công được thể hiện ở Bảng 7.15. Bảng 7.15. Nhiệt độ quy định của hỗn hợp bê tông nhựa trong thi công Giai đoạn thi công

Nhiệt độ quy định tƣơng ứng với mác nhựa đƣờng, 0C 40/50

60/70

85/100

1. Trộn hỗn hợp trong thùng trộn

155 ÷ 165

150 ÷ 160

145 ÷ 155

2. Xả hỗn hợp vào thùng xe vận chuyển

145 ÷ 160

140 ÷ 155

135 ÷ 150

3. Đổ hỗn hợp vào phễu máy rải

≥ 130

≥ 125

≥ 120

4. Bắt đầu lu lèn

≥ 125

≥ 120

≥ 115

5. Kết thúc lu lèn

≥ 85

≥ 80

≥ 75

- Trộn mẫu

155 ÷ 160

150 ÷ 155

145 ÷ 150

- Đầm tạo mẫu

145 ÷ 150

140 ÷ 145

135 ÷ 140

Chú thích: Khoảng nhiệt độ lu lèn hiệu quả nhất tương ứng với các loại nhựa đường

140 ÷ 115

135 ÷ 110

130 ÷ 105

6. Thí nghiệm mẫu Marshall:

7.4.4. Kiểm tra chất lượng Chất lượng BTN được kiểm tra đánh giá qua các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của từng dự án. Theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819 - 2011, các nội dung kiểm tra vật liệu trong quá trình sản xuất bê tông nhựa được thể hiện ở các Bảng 7.16 đến 7.19. Bảng 7.16. Kiểm tra vật liệu trong quá trình sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa Loại vật liệu

Chỉ tiêu kiểm tra - Thành phần hạt

1. Đá dăm

- Hàm lượng hạt thoi dẹt - Hàm lượng chung bụi, bùn, sét

2. Cát

246

- Thành phần hạt - Hệ số đương lượng cát - ES

Tần suất

Vị trí kiểm tra

2 ngày/lần hoặc 200 m3/lần

Khu vực tập kết đá dăm

2 ngày/lần

Khu vực tập kết cát

hoặc 200 m /lần 3

Loại vật liệu

Chỉ tiêu kiểm tra

Tần suất

- Thành phần hạt

3. Bột khoáng

2 ngày/lần

- Chỉ số dẻo

Kho chứa

hoặc 20 tấn/lần

- Độ kim lún

4. Nhựa đường

Vị trí kiểm tra

Thùng nấu nhựa đường sơ bộ

1 ngày/lần

- Điểm hóa mềm

Bảng 7.17. Kiểm tra trong khi thi công lớp bê tông nhựa Chỉ tiêu/ phƣơng pháp

Tần suất

Vị trí kiểm tra

1. Nhiệt độ hỗn hợp trên xe vận chuyển

Nhiệt kế

Mỗi xe

Thùng xe

2. Nhiệt độ khi rải hỗn hợp

Nhiệt kế

50 m/điểm

Ngay sau máy rải

3. Nhiệt độ lu lèn hỗn hợp

Nhiệt kế

50 m/điểm

Mặt đường

4. Chiều dày lớp BTN

Thuốn sắt

50 m/điểm

Mặt đường

Sơ đồ, tốc độ, số lượt, tải trọng…

Thường xuyên

Mặt đường

6. Các mối nối dọc, mối nối ngàn

Quan sát bằng mắt

Mỗi mối nối

Mặt đường

7. Độ bằng phẳng sau khi lu sơ bộ

Thước 3 m

25 m/mặt cắt

Mặt đường

Hạng mục

5. Công tác lu lèn

Bảng 7.18. Kiểm tra tại trạm trộn hỗn hợp bê tông nhựa Hạng mục 1. Vật liệu tại các phễu nóng

Chỉ tiêu/phƣơng pháp Thành phần hạt

Tần suất

Vị trí kiểm tra

1 ngày/lần

Các phễu nóng (hot bin)

- Thành phần hạt - Hàm lượng nhựa 2. Công thức chế tạo

- Độ ổn định Marshall

1 ngày/lần

- Độ rỗng dư

Trên xe tải hoặc phễu nhập vật liệu của máy rải

- Khối lượng thể tích mẫu BTN

3. Hệ thống cân đong

Tỷ trọng lớn nhất của BTN

2 ngày/lần

Các chứng chỉ hiệu chuẩn/kiểm định và quan sát trực tiếp

1 ngày/lần

Toàn trạm trộn

247

Hạng mục

Tần suất

Vị trí kiểm tra

1 ngày/lần

Toàn trạm trộn

Chỉ tiêu/phƣơng pháp

4. Hệ thống nhiệt kế

Các chứng chỉ hiệu chuẩn/kiểm định và quan sát trực tiếp

5. Nhiệt độ nhựa đường

Nhiệt kế

1 giờ/lần

Thùng nấu sơ bộ, thùng trộn

6. Nhiệt độ cốt liệu sau sấy

Nhiệt kế

1 giờ/lần

Tang sấy

7. Nhiệt độ trộn

Nhiệt kế

Mỗi mẻ trộn

Phòng điều khiển

8. Thời gian trộn

Đồng hồ

Mỗi mẻ trộn

Phòng điều khiển

9. Nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thùng trộn

Nhiệt kế

Mỗi mẻ trộn

Phòng điều khiển

Bảng 7.19. Sai số cho phép các đặc trưng hình học của lớp bê tông nhựa Hạng mục

1. Bề rộng 2. Độ dốc ngang - Lớp dưới - Lớp trên

Phƣơng pháp

Tần suất

Thước thép

50 m/mặt cắt

- 5 cm

Tổng số chỗ hẹp không quá 5% chiều dài đường

Máy thủy bình

50 m/mặt cắt

± 0,50%

≥ 95% tổng số điểm đo

Khoan lõi

2.500 m2 (hoặc 330 m đường 2 làn)/1 tổ 3 mẫu

3. Chiều dày - Lớp dưới - Lớp trên 4. Cao độ - Lớp dưới - Lớp trên

248

Máy thủy bình

Sai số cho phép

Yêu cầu

± 0,25%

50 m/điểm

± 8% chiều dày ± 5% chiều dày

- 10 mm; + 5 mm ± 5 mm

≥ 95% tổng số điểm đo, 5% còn lại không vượt quá 10 mm ≥ 95% tổng số điểm đo, 5% còn lại không vượt quá ± 10 mm

Chương 8 VẬT LIỆU SƠN XÂY DỰNG 8.1. Khái niệm chung về sơn xây dựng 8.1.1. Khái niệm Sơn xây dựng (Paint for construction) là vật liệu ở dạng lỏng, hồ hay bột; khi phủ lên bề mặt nền cần sơn (gạch, vữa bê tông, gỗ hoặc kim loại) sẽ tạo ra màng rắn bám chắc trên bề mặt đó, có khả năng bảo vệ, trang trí và có tính chất riêng theo yêu cầu.

8.1.2. Phân loại sơn Tùy theo mục đích sử dụng, bản chất hóa học và môi trường phân tán của chất tạo màng, sơn xây dựng được phân loại như sau: 1) Phân loại theo công dụng Theo mục đích sử dụng, sơn có thể được phân thành rất nhiều loại: sơn trang trí, sơn bảo vệ; sơn nội thất, sơn ngoại thất; sơn chống thấm, sơn chống gỉ, sơn chống ăn mòn, sơn chống hà, sơn chịu va đập và chịu mài mòn, sơn chống nóng, sơn chịu nhiệt, sơn chống cháy, sơn cách điện... 2) Phân loại theo chất tạo màng Chất tạo màng (blinder) là chất kết dính (nguyên liệu chính của sơn) có tính chất vật lý và hóa học mang lại cho sơn những tính chất cơ lý hóa đặc trưng. Theo chất tạo màng, sơn được phân thành các hệ: - Sơn chất tạo màng gốc vô cơ, có 3 hệ sơn: hệ sơn silicat, hệ sơn vôi và hệ sơn xi măng; - Sơn chất tạo màng gốc hữu cơ, có rất nhiều hệ sơn: hệ sơn acrylic, hệ sơn alkyd, hệ sơn amin, hệ sơn bitum, hệ sơn cao su, hệ sơn clovinyl, hệ sơn dầu, hệ sơn epoxy, hệ sơn fenolfocmandehit, hệ sơn polyester, hệ sơn polyuretan, hệ sơn silicon… 3) Phân loại theo môi trường phân tán Theo môi trường phân tán của chất tạo màng, sơn được phân thành: hệ sơn dung môi và hệ sơn không dung môi. Hệ sơn dung môi gồm 2 loại: Phân tán hoặc hòa tan trong nước (sơn nước) và phân tán hoặc hòa tan trong dung môi hữu cơ (sơn dầu).

249

Hệ sơn không dung môi gồm 2 loại: Phân tán trong bột và tự phân tán (chất kết dính không hòa tan hoặc phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ).

8.2. Thành phần của sơn xây dựng Sơn là một hỗn hợp đồng nhất, trong đó chất tạo màng liên kết với các chất màu tạo màng liên tục bám trên bề mặt vất chất. Hỗn hợp được điều chỉnh với một lượng phụ gia và dung môi tùy theo theo tính chất của mỗi loại sản phẩm. Thành phần của sơn gồm có: chất kết dính (chất tạo màng), chất tạo màu, chất độn và dung môi.

8.2.1. Chất kết dính Chất kết dính (nhựa sơn hay chất tạo màng sơn) là thành phần chính của sơn (thường chiếm 40% ÷ 60%), có tác dụng tạo thành màng sơn sau khi thi công (khô tự nhiên hoặc đóng rắn nguội, hoặc đóng rắn nóng). Chất kết dính quyết định nhiều tính chất của màng sơn khô như bám dính, độ bền cơ học, chịu thời tiết, chịu hóa chất, chịu nước, chịu nhiệt, chịu xăng dầu… Chất kết dính bao gồm cả các chất tăng cường, bảo đảm tính chất khô cứng màng sơn như chất làm khô cho sơn, chất đóng rắn… Phần lớn các chất kết dính có gốc nhựa thiên nhiên hoặc nhựa tổng hợp sử dụng trong công nghiệp sơn là các hợp chất cao phân tử hoặc các chất có khả năng chuyển hóa hóa học trong quá trình tạo màng sơn (sơn sấy, sơn alkyd - dầu, sơn 02 thành phần…) Chất kết dính theo bản chất hóa học chia thành các nhóm sau: Các loại nhựa sơn là polymer trùng ngưng (polycondensation), các loại nhựa sơn là polymer trùng hợp (polymerisation), các loại dầu nhựa thiên nhiên và các loại ester cellulose…

8.2.2. Chất tạo màu và chất độn Chất tạo màu (bột màu) và chất độn (bột độn) là thành phần quan trọng thứ hai của sơn (thường chiếm khoảng 7 ÷ 40%), nhằm tạo nên màu sắc và độ che phủ của màng sơn. Bột màu và bột độn có ảnh hưởng đến nhiều tính chất cơ học của màng sơn; ví dụ: độ bền thời tiết, chịu hóa chất, chịu nhiệt, chống rỉ và chống hà… Bột màu là hóa chất có độ phân tán cao, không hòa tan trong môi trường phân tán (nước, dung môi hữu cơ, dung dịch chất tạo màng…). Bột màu có những tính chất phức tạp về mặt hóa, lý và kỹ thuật khi sử dụng làm các loại sơn bảo vệ và trang trí. Bột màu gồm có các loại cơ bản: bột thiên nhiên, bột nhân tạo, bột vô cơ và bột hữu cơ. Bột khoáng màu thiên nhiên được chế tạo bằng cách nghiền mịn các loại vật liệu thiên nhiên, như: Đá phấn trắng, đất son khô màu vàng, minium sắt (Fe2O3.FeO) mầu nâu hồng có độ bền ánh sáng và chống ăn mòn cao, mooni thiên nhiên khô có mầu hồng, than trì xám, glaucoxit xanh và peoxyt mangan.

250

Bột khoáng màu nhân tạo nhận được bằng cách gia công hóa học các nguyên liệu khoáng. Trong đó có các loại: bột oxit titan, bột kẽm trắng, bột trì trắng, litopon trắng, bột kẽm khô vàng sáng… Bột màu hợp chất vô cơ có đăc tính không tan trong nước, màu trắng; pha vào sơn nhằm mục đích tiết kiệm chất tạo màu và làm cho sơn có cơ tính tốt hơn. Bột màu hợp chất vô cơ thường dùng là: bột than, cát nghiền nhỏ, thạch cao… Bột hợp chất hữu cơ là những chất tổng hợp có nguồn gốc hữu cơ, màu tinh khiết, có khả năng tạo màu cao, không tan hoặc ít tan trong nước và các dung môi hữu cơ khác. Bột độn thường ở dạng chất bột màu trắng và khi phối với nhựa sơn thường có độ che phủ ít hơn nhiều so với bột màu; tuy nhiên thường được dung chung với bột màu trong sơn nhằm mục đích chính là giảm bớt giá thành sơn; ngoài ra cũng có một số loại bột đặc biệt có tác dụng làm tăng tính lưu biến của sơn, giảm độ lắng đáy và tăng thêm độ bền cơ học của màng sơn. Bột độn chủ yếu gồm các loại sau: - Dạng oxit: Diatomit có nguồn gốc thiên nhiên, thành phần chủ yếu là SiO2 và các oxit khác Fe2O3, Al2O3, CaO… ; - Dạng Cacbonat (bột đá) phổ biến là CaCO3 có nguồn gốc thiên nhiên; - Dạng Sunfat (bột đá nặng) phổ biến là BaSO4 có nguồn gốc thiên nhiên và nhân tạo (Blancfixe hoặc Micro BaSO4), là loại bột độn chất lượng cao; - Dạng Silicat: Phổ biến nhất là bột silicat manhê, bột cao lanh, silicat nhôm, bột mica (silicat nhôm - canxi).

8.2.3. Dung môi Dung môi là thành phần cần thiết cho cả quá trình sản xuất và thi công sơn. Trong thành phần sơn, dung môi thường chiếm 10 ÷ 30% với tác dụng hòa tan nhựa và bột màu. Trong quá trình tạo màng sơn phủ, dung môi sẽ bay hơi đi. Dung môi có 3 loại chính là: dung môi hydrocacbon, dung môi oxi hóa và dung môi nước. Dung môi có thể được trộn lẫn ngay trong quá trình sản xuất sơn hoặc được trộn khi thi công (dung môi phan sơn). Dung môi pha sơn là dung dịch hay hỗn hợp chuyên dụng để pha loãng hoặc bổ sung thêm các đặc tính khác như chống thấm, chống bám, chống rêu… Mục đích cuối cùng là làm cho sơn dễ sử dụng và tăng khối lượng phủ bề mặt của sơn. Việc dùng dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng sơn, tốc độ khô có thể nhanh hoặc chậm, dày hoặc mỏng… Chất lượng của dung môi có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sơn; nó được đánh giá bằng hai chỉ tiêu tính chất quan trọng nhất: độ hòa tan và tốc độ bay hơi.

251

1. Độ hòa tan dung môi Độ hòa tan của dung môi là hiệu ứng tác dụng của dung môi làm tách biệt phân tử tạo màng, sau đó phân tán chúng trong các dung môi. Độ hòa tan của dung môi trong sơn được xác định bằng độ nhớt của dung dịch nhựa và % hàm lượng rắn chứa trong dung dịch này. Xu hướng trong chế tạo và thi công sơn là sử dụng dung môi với lượng càng nhỏ càng tốt mà vẫn đạt được tốc độ nhớt thấp nhất yêu cầu. Bản chất của dung môi được xác định qua tính chất độ hòa tan mạnh yếu. Dựa vào độ hòa tan này mà phân loại dung môi thành 4 loại sau: Dung môi đích thực (dung môi hoạt hóa) là dung môi chỉ sử dụng một mình nó để hòa tan nhựa sơn; dung môi ngâm tẩm (latent solvents) là dung môi chỉ dùng để thấm ướt nhựa sơn - tránh tác dụng tiếp xúc với không khí; dung môi phối trộn (diluent - solvents) là dung môi chỉ được dùng pha với dung môi chính, nhằm mục đích giảm giá thành của lượng dung môi dùng trong công thức sơn theo yêu cầu; và dung môi pha loãng (thinners) thường là hỗn hợp các dung môi có mặt trong công thức sơn đã nhằm mục đích đã làm giảm độ nhớt của sơn theo yêu cầu thi công. 2. Tốc độ bay hơi của dung môi Tốc độ bay hơi là tính chất rất quan trọng thứ hai của dung môi, thể hiện mức độ bay hơi từ màng sơn trong và sau khi thi công sơn. Có thể lựa chọn tốc độ bay hơi nhanh hay chậm của dung môi dựa trên việc phân tích các ưu - nhược điểm như sau: Ưu điểm của các dung môi bay hơi nhanh: Làm tăng nhanh độ nhớt và do đó giảm thiểu độ loang chảy của màng sơn khi thi công lên bề mặt thẳng đứng; làm phản ứng đóng rắn của sơn 2 thành phần xảy ra nhanh hơn - giảm bớt sự tạo bọt trên màng sơn. Ưu điểm của các dung môi bay hơi chậm: Khắc phục nhược điểm của dung môi bay hơi quá nhanh khi phun sơn (làm màng sơn kém dàn trải đền trên bề mặt cầu sơn); làm nhiệt độ bề mặt sơn không bị giảm đột ngột do dung môi bay quá nhanh gặp hơi ẩm còn bám ở bề mặt, gây phồng rộp hoặc màng sơn bị đục mờ.

8.2.4. Các chất phụ gia Chất phụ gia là các chất có cấu tạo hóa học đặc biệt, được cho vào sơn một lượng rất nhỏ (thường ≤ 1%), nhằm tăng cường chất lượng bảo vệ và trang trí của bề mặt sơn khi thi công. Trước đây, các chất phụ gia không được liệt kê vào thành phần cơ bản của sơn. Hiện nay, do yêu cầu sơn phải đạt chất lượng cao, chất phụ gia được coi là thành phần cần thiết bổ sung cho cấu tạo sơn. Chất phụ gia chủ yếu gồm các loại sau: - Phụ gia thấm ướt và phân tán bột màu (Wetting Dispersing Agents): Các muối của axit Cacbonic (H2CO3 - dùng cho sơn dung môi), Polyacrylate và các muối Polyphosphate (dùng cho sơn nước);

252

- Phụ gia hoạt động bề mặt (Surfactant): Có tác dụng chính làm màng sơn khô có ngoại quan đẹp đẽ (trơn, láng, phẳng, đều màu…); thường là các hợp chất Polyisoxane hoặc Polyacrylat; - Phụ gia chống bọt (Defoamer and Air Realease Agents): Có tác dụng khử bọt phát sinh trong quá trình nghiền pha sơn (Defoamer) và trong quá trình thi công sơn (Air_Realease). Chất chống bọt là các hợp chất hóa học có nguồn gốc: gốc dầu khoáng, gốc silicon, gốc Polymer không có Silicone; - Phụ gia lưu biến (Rheological Agents): Có tác dụng chủ yếu là chống lắng cho dung dịch sơn và chống chảy loang của màng sơn khô. Chất lưu biến thường dùng các hợp chất có nguồn gốc là Bentonit dạng bột hoặc từ Urê biến tính dạng lỏng; chất chống lắng chất lượng cao dùng cho các loại sơn cao cấp như Epoxy, PU… là các loại silica tổng hợp. Chất lưu biến dùng cho sơn nước nhũ tương có rất nhiều loại và được chọn dùng thích hợp với từng loại sơn cụ thể; - Các chất phụ gia khác được dùng với các loại sơn cá biệt, cụ thể là: Chất làm khô (Drier) và chất chống nhăn màng dung dịch sơn (Antiskin Agent) dùng cho sơn Ankyd dầu; chất bảo quản chống thối sơn nước (Preservative in-can Agent); chất chống nấm mốc cho màng sơn khô (Anti-Fungus Agent)…; các chất hóa dẻo và chất đóng rắn không được coi là chất phụ gia vì chúng tham gia cùng với một số loại chất tạo màng sơn mục đích tăng độ dẻo của màng hoặc làm thành phần thứ hai đóng rắn cho sơn Epoxy hoặc Polyurethane (PU).

8.3. Đặc tính của một số loại sơn dùng trong xây dựng 8.3.1. Sơn lót Sơn lót (primer coating) ngoại thất là loại sơn nhựa có thành phần gồm chất hóa học góc Acrylic, nước, bột khoáng và một số chất phụ gia khác. Chúng thường chỉ có màu trắng hoặc trắng xanh để màu của lớp sơn phủ không bị pha trộn, biến màu. Sơn lót giữ vai trò như một lớp trung gian tạo độ liên kết giữa bề mặt cần sơn và các phân tử sơn phủ. Bên cạnh đó, khả năng chống kiềm hóa, chống thấm, kháng nước, chống ăn mòn của sơn lót còn làm tăng độ bền đẹp cho sơn phủ của công trình. Sơn lót là lớp sơn có công thức riêng biệt, được tạo ra để hỗ trợ sơn phủ bề mặt. Sơn lót rất cần thiết và không hề lãng phí, bất kể tường mới hay tường cũ, chúng không chỉ góp phần bảo vệ bề mặt tường mà còn tăng thêm tính thẩm mỹ của công trình. Sơn lót có nhiều tính năng khác hẳn sơn phủ: tạo độ dính chặt, tăng cường độ kết dính cho lớp sơn phủ; có khả năng chống kiềm (có trong vôi, xi măng...); tăng cường khả năng chống thấm cho bề mặt tường; giúp cho việc sơn được hoàn chỉnh hơn, lớp ngoài đều hơn và có chất tạo độ sáng bóng vì thế làm cho màng sơn đẹp hơn; một số loại sơn lót còn giúp ngăn chặn những vết bẩn và rêu mốc xuyên qua…

253

Hầu hết các loại sơn lót được thiết kế cho những ứng dụng cụ thể trong và ngoài công trình. Nó cũng giúp nâng cao bề mặt sơn bằng việc che giấu những vết bẩn không đồng màu. Sơn lót làm mịn màng hơn cho lớp sơn phủ và đảm bảo cho lớp sơn trên cùng là sơn bóng sẽ phát triển tối đa độ nhẵn bóng. Không nên dùng sơn phủ trắng bình thường để thay cho sơn lót vì lớp sơn này không có các tính năng của sơn lót như khả năng chống thấm, chống kiềm, tạo độ bám dính cao và tạo sự nhẵn mịn cho bề mặt; nên có thể sẽ dẫn tới tình huống màu sơn bị loang lỗ, bị bong tróc hay bề mặt sơn không phẳng đẹp. Lớp sơn lót thật cần thiết trong 2 trường hợp: Khi sơn lên bề mặt tường mới và khi sơn lại bề mặt đã bị tróc hay bị xuống cấp. Nếu lớp sơn cũ vẫn còn tốt, chỉ cần thay đổi màu sơn mới thì không cần phải sơn lót, khi đó nên dùng sơn phủ trắng bình thường thay cho sơn lót để tiết kiệm hơn.

8.3.2. Sơn phủ Sơn phủ (top coats) là lớp sơn ngoài cùng của mỗi công trình. Với chức năng cơ bản là trang trí và bảo vệ công trình. Để đảm bảo chức năng này, yêu cầu với sơn phủ có các tính năng như: khả năng phủ cao; khả năng bền màu cao và ổn định màu sắc; không thấm nước - chống ẩm mốc, rêu; chịu nhiệt; chống ăn mòn, chống mài món - chống xước… Hiện nay, các loại sơn phủ còn được bổ sung khả năng dễ lau chùi, cách nhiệt, xua đuổi muỗi, tạo hương thơm… Sơn phủ có rất nhiều chủng loại màu sắc. Tùy thuộc vào mục đích trang trí với các yếu tố như: phong thủy, sở thích, hướng nhà, tuổi tác… mà người sử dụng có thể chọn loại sơn phủ có màu sắc thích hợp nhất cho mình.

8.3.3. Sơn chống thấm Sơn chống thấm là loại sơn phủ có tác dụng tạo lớp sơn ngăn cản sự xâm nhập của nước và hơn nước từ ngoài bề mặt vào trong kết cấu (tường); nhằm mục đích: đảm bảo môi trường khô ráo, bảo vệ tường - chống nấm mốc, bám bụi… Ngoài ra, sơn chống thấm cũng là loại hợp chất chuyên dụng thường dùng để xử lí các sự cố thấm do sai hỏng kết cấu như: nứt vỡ chân tường, cổ ống, cổ trần, nứt tường, nứt móng... Sơn chống thấm là một hợp chất hóa học dạng nước, nó có những liên kết bền vững và độ co giãn của chất keo cao, tạo thành một lớp màng sơn có khả năng bảo vệ mặt tường bê tông, xi măng, sàn nhà… khỏi sự thẩm thấu nước từ bên ngoài vào, vì vậy mà ngăn được tình trạng thấm dột, công trình sẽ bền vững trước những tác nhân của môi trường tự nhiên.

254

Sơn chống thấm là lớp sơn được phủ ngoài cùng, vì vậy mà nó còn đảm nhiệm chức năng trang trí và thể hiện thẩm mỹ. Đặc biệt sơn chống thấm được dùng phổ biến trong các công trình cấu trúc xi măng và bê tông như nền nhà, hồ bơi, nhà vệ sinh, nhà bếp. Sơn chống thấm có rất nhiều loại, nhưng có thể phân thành một số loại cơ bản dự vào đặc tính và đặc điểm cấu tại như sau: - Sơn chống thấm gốc Polyurethane (PU): Là loại chống thấm 2 thành phần có tính đàn hồi cao; - Sơn chống thấm gốc Bitum: Các loại màng chống thấm và chống thấm gốc dầu hoặc nhựa đường; - Sơn chống thấm gốc xi măng: Sơn chống thấm pha xi măng; phụ gia chống thấm, vữa chống thấm; - Sơn chống thấm thẩm thấu: Thường là dạng trong suốt, thẩm thấu tốt, sử dụng trên nhiều bề mặt và chất liệu; - Sơn chống thấm gốc Silicat: Các loại tinh thể thẩm thấu.

8.3.4. Sơn ngoại thất Sơn ngoại thất là loại sơn nước chuyên dùng để sơn bên ngoài các công trình xây dựng. Vì phải thường xuyên tiếp xúc với các tác động từ điều kiện môi trường như nắng mưa, ẩm ướt, bụi bẩn… nên sơn ngoại thất đòi hỏi phải chịu được sự khắc nghiệt, chống rêu mốc, chống thấm, cách nhiệt, chống lại tia UV, ngăn chặn sự bong tróc của các mảng tường rất hữu hiệu… Do các yêu cầu về đặc tính chống chịu điều kiện môi trường, nên sơn ngoại thất thường có độ mịn và độ bóng của nước sơn hạn chế. Nguyên nhân là do thành phần hợp chất giúp tăng tính thích nghi thời tiết đã làm cho độ mịn của sơn giảm đi. Vì vậy, không nên sử dụng sơn ngoại thất để sơn tường bên trong công trình. Việc đánh giá chất lượng sơn ngoại thất được dựa trên những tiêu chí cơ bản như: độ co giãn, khả năng chống thấm, khả năng kháng kiềm, khả năng chống bám bẩn, ngăn ngừa nấm mốc, khả năng khuếch xạ tia UV.

8.3.5. Sơn nội thất Sơn nội thất là loại sơn chuyên biệt có tác dụng sơn các mảng tường trong nhà và thiên nhiều về yếu tố thẩm mỹ. Vì sử dụng cho bề mặt tường bên trong, sơn nội thất đỏi hỏi phải đảm bảo được độ mịn, bóng, dễ lau chùi và bền màu theo thời gian. Để đáp ứng thị hiếu, màu sơn nội thất cũng đa dạng hơn rất nhiều so với sơn ngoại thất.

255

Sơn nội thất thường hạn chế về khả năng chống thấm, chống rêu mốc kém và khả năng chịu đựng được những tác động từ môi trường bên ngoài; vì thế không nên dùng sơn cho bề mặt bên ngoài. Sơn nội thất có thể được chọn lựa dựa trên những tiêu chí cơ bản như: khả năng chống thấm, độ mịn của bề mặt, khả năng lau chùi, khả năng chống rêu mốc, khả năng bám dính và bền màu, đảm bảo an toàn với sức khỏe và môi trường, không chứa chì, thủy ngân và các chất độc hại khác…

8.3.6. Sơn bảo vệ kết cấu thép Sơn bảo vệ kết cấu thép (sơn kết cấu thép) chính là toàn bộ các loại sơn và hệ sơn được sử dụng để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện khí hậu tự nhiên, dưới tác động thường xuyên của môi trường ăn mòn ở các mức độ khác nhau. Một số loại sơn thường dùng để sơn bảo về các kết cấu thép như sau: 1. Sơn khô trong không khí Sơn khô trong không khí là loại sơn có lớp màng đóng rắn do dung môi hữu cơ hoặc dung môi nước bay hơi và phản ứng của chất tạo màng với oxy trong không khí. Hệ chất tạo màng điển hình là: Alkyt, Uretan alkyt và este epoxy. Thời gian khô của sơn khô trong không khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có nhiệt độ và sự đối lưu của không khí. Phản ứng với oxy có thể diễn ra ở nhiệt độ thấp đến 00C, mặc dù ở nhiệt độ thấp này tốc độ phản ứng xảy ra chậm hơn rất nhiều. 2. Sơn một thành phần Sơn một thành phần có thể là hệ sơn dung môi hữu cơ hoặc hệ sơn nước. Sơn dung môi hữu cơ khí là loại sơn có màng sơn khô do sự bay hơi của dung môi. Quá trình này là thuận nghịch, tức là, màng sơn khô vẫn hòa tan được trong dung môi ban đầu của nó. Các chất tạo màng điển hình là: cao su clo hóa, acrylic các loại và bitum. Thời gian khô phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có nhiệt độ. Phản ứng với oxy có thể diễn ra ở nhiệt độ thấp tới 0oC, mặc dù ở nhiệt độ thấp này tốc độ phản ứng xảy ra chậm hơn rất nhiều. Sơn dung môi nước khí là loại sơn có chất tạo màng được phân tán trong nước. Màng sơn đóng rắn do sự bay hơi của nước và sự hình thành màng của chất tạo màng đã được phân tán. Quá trình này không thuận nghịch, tức là màng sơn không thể tan trong nước sau khi đã khô. Các chất tạo màng điển hình là: nhựa acrylic dạng phân tán, nhựa vinylic dạng phân tán và nhựa polyuretan dạng phân tán. Thời gian khô sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có sự đối lưu của không khí, độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Quá trình khô có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp đến 3oC, mặc dù ở nhiệt độ thấp này tốc độ phản ứng xảy ra chậm hơn rất nhiều.

256

3. Sơn hai thành phần Sơn hai thành phần là loại sơn này chứa hai thành phần cơ bản là: Thành phần cơ sở và tác nhân đóng rắn. Màng sơn khô hóa học do sự bay hơi của dung môi (nếu có) và phản ứng hóa học giữa thành phần cơ sở và tác nhân đóng rắn. Một số loại sơn hai thành phần hiện đang được sử dụng phổ biến bao gồm: sơn epoxy, sơn polyuretan và sơn đóng rắn bằng hơi nước. Sơn epoxy có thành phần cơ sở là các loại chất tạo màng, là các polyme có trong nhóm epoxy - nhóm phản ứng với các chất đóng rắn thích hợp. Các chất tạo màng điển hình là: Epoxy, Epoxy vinylic, epoxy acrylic và tổ hợp epoxy (ví dụ chất tạo màng hydro cacbon epoxy hoặc chất tạo màng pek than đá epoxy). Sơn epoxy có thể là hệ sơn dung môi hoặc sơn nước. Các tác nhân đóng rắn của sơn epoxy phổ biến là polyamin, polyamit hoặc các dẫn xuất của chúng. Polyamit thích hợp nhất cho sơn lót do khả năng thấm ướt tốt và tạo ra lớp phủ có khả năng chịu hóa chất tốt hơn. Quá trình đóng rắn không đòi hỏi phải tiếp xúc với không khí. Tuy nhiên, thời gian khô phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có sự đối lưu của không khí và nhiệt độ. Phản ứng đóng rắn có thể diễn ra ở nhiệt độ thấp đến 5oC. Sơn polyuretan có thành phần cơ sở là các loại chất tạo màng, là polyme chứa nhóm hydroxyl, là nhóm phản ứng với các tác nhân đóng rắn phù hợp. Trong công thức có thể chứa dung môi hoặc không chứa dung môi. Các chất tạo màng điển hình là: Polyeste, Acrylat và Polyete. Các tác nhân đóng rắn của sơn polyuretan phổ biến là các polyizoxyanat thơm hoặc béo. Các màng sơn được đóng rắn bởi polyizoxyanat béo có tính chất giữ màu sắc và độ bóng rất tốt nếu kết hợp với một thành phần cơ sở phù hợp. Tác nhân đóng rắn polyizoxyanat thơm tạo màng sơn khô nhanh hơn nhưng lại kém thích hợp đối với sơn ngoài trời do có xu hướng phấn hóa và mất màu nhanh hơn. Quá trình đóng rắn không đòi hỏi phải tiếp xúc với không khí. Tuy nhiên, thời gian khô phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có sự đối lưu của không khí và nhiệt độ. Phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp đến 0oC hoặc thấp hơn, nhưng độ ẩm cần được ưu tiên duy trì trong phạm vi mà nhà sản xuất sơn đã kiến nghị, để đảm bảo lớp phủ không chứa bọt và bị rỗ li ti. Sơn đóng rắn bằng hơi nước là loại sơn có màng sơn khô do dung môi bay hơi. Màng sơn được tạo thành bằng phản ứng giữa chất tạo màng với hơi nước trong không khí. Các loại chất tạo màng điển hình là: Polyuretan (1 thành phần), Alkyl silicat, Etyl silicat (2 thành phần) và Etyl silicat (1 thành phần). Thời gian khô phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm không khí và chiều dày màng sơn. Phản ứng đóng rắn có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp đến 0oC hoặc thấp hơn, miễn là trong không khí vẫn còn chứa hơi nước. Độ ẩm càng thấp, thì sự đóng rắn càng chậm. Điều quan trọng là những chỉ dẫn của nhà sản xuất liên quan đến các giới hạn về độ ẩm và chiều dày màng sơn khô, màng sơn ướt phải được tuân thủ, nhằm tránh bị bọt, rỗ li ti và bong tách màng sơn.

257

8.3.7. Sơn Vecni và sơn PU Sơn Vecni (Vecni) là hỗn hợp hòa trộn của cánh kiến trong cồn ở 90 độ; sau 24 giờ, hai nguyên liệu này sẽ hòa tan vào nhau tạo nên một dung dịch đồng nhất; khi khô thường có màu cánh gián, vàng tơ hay nâu gụ (tùy vào cách làm màu), khi nhìn thoáng theo một góc nghiêng nào đó sẽ xuất hiện những áng vân lóng lánh rất đẹp mắt. Vecni thường được dùng để phủ lên các bề mặt trang trí đồ gỗ nội thất với bề dày rất mỏng và ngấm sâu vào trong thớ gỗ. Sơn PU (Polyurethane) một loại polymer có khá nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Sơn PU có hai dạng tồn tại chính là dạng cứng và dạng foam. Ngoài vai trò tạo màu sắc đa dạng cho các sản phẩm đồ gỗ, thì sơn gỗ cũng góp phần giữ độ bền cho sản phẩm, tránh độ cong vênh của sản phẩm; nhờ lớp sơn gỗ phủ lên trên sản phẩm gỗ sẽ giúp che bớt các “khuyết điểm” của bề mặt gỗ sau khi gia công, chế tác, giúp bề mặt gỗ sơn đều, bóng, thời gian sử dụng dài, mặt sơn không bị rạn nứt. - Ưu nhược điểm của dùng vecni cho đồ gỗ: Ưu điểm: Phù hợp với bộ có giá trị đắt tiền hay những món đồ cổ; màu sơn tôn lên vẻ tự nhiên; thân thiên với môi trường, con người, không quá độc hại; lấy bề mặt gỗ làm nền để làm tôn nên vẻ đẹp của vân gỗ; vecni khá bền dễ dàng làm mới lại… Nhược điểm: Ít màu sắc, chủ yếu là màu nâu gụ và màu cánh gián; chỉ phủ lớp mỏng lên bề mặt gỗ và ngấm sâu vào thớ gỗ; nhanh phai màu (so với sơn PU); mất nhiều thời gian, kỹ thuật (đánh vecni khá khó và phải làm thủ công là chủ yếu). - Ưu nhược điểm của dùng sơn PU cho đồ gỗ: Ưu điểm: Chống xước, chống bay màu tốt; có màu sắc đa dạng; thi công nhanh; phổ biến cho quy mô công nghiệp; tạo vân gỗ bóng đẹp và hiện đại… Nhược điểm: Giá thành cao hơn (so với Vecni); do dùng máy phun nên bụi sơn và dung môi độc phả ra môi trường nhiều.

8.4. Thi công và đánh giá chất lƣợng sơn xây dựng 8.4.1. Công tác chuẩn bị 1. Chuẩn bị vật liệu và dụng cụ Các vật liệu cần được lấy mẫu và thử nghiệm theo các phương pháp thử tương ứng và phù hợp với quy định của các tiêu chuẩn; đồng thời, lưu ý thời hạn sử dụng có ghi trên từng sản phẩm sơn cụ thể. Vật liệu sơn phủ và các loại vật liệu khác liên quan (dung môi, chất đóng rắn…) đều phải được bảo quản ở nơi thông thoáng, tránh xa nguồn gây cháy… ở nhiệt độ trong khoảng từ 3oC đến 40oC, trừ khi có các quy định khác được đưa ra theo chỉ dẫn của nhà sản xuất. Riêng đối với vật liệu sơn phủ hệ nước có thể bị đông cứng khi bảo quản ở nhiệt độ thấp dưới 3oC. Thùng đựng sản phẩm phải đảm bảo kín trong quá trình bảo quản. Các thùng đã dùng một phần phải được đậy kín và đánh dấu cẩn thận. Chúng có thể được sử dụng tiếp nếu không có chỉ dẫn trong dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất sơn.

258

Chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ để thi công như cây lăn sơn, chổi quét sơn, thùng pha... hoặc các máy móc, thiết bị. 2. Chuẩn bị hiện trường thi công Chuẩn bị hiện trường trước khi sơn là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình thi công sơn. Với công trình đang sử dụng, cần di chuyển đồ nội thất trong phòng để tránh làm bị bẩn; dùng bạt lót sàn nhà, bọc kín ổ điện để tránh sơn bắn vào… với các kết cấu thép, cần làm sạch các chất bẩn như muối hòa tan, gỉ, dầu mỡ, nước, bụi bẩn, vảy cán thép, lớp sơn cũ bám lỏng lẻo, sinh vật bám bẩn… ra khỏi bề mặt thép với mục đích tạo độ nhám cho bề mặt thép và tăng khả năng bám dính của màng sơn. Việc đầu tiên của quá trình chuẩn bị hiện trường sơn là phải tiến hành làm sạch bề mặt cần sơn. Với công trình xây dựng mới thì gần như công việc làm sạch là không đáng kể; nhưng với công trình đã qua sử dụng, thì sẽ là công việc mất nhiều công sức. Tùy thuộc vào diện tích, hiện trạng bề mặt mà có thể dùng phương pháp thủ công hay cơ giới; với các dụng cụ, thiết bị và máy móc thường dùng bao gồm chổi quét, bàn chải, máy mài, máy thổi… Diện tích thi công phải đạt mức độ sạch không nhỏ hơn 95% theo yêu cầu mới được tiến hành thi công sơn. Độ ẩm lý tưởng nhất để sơn là dưới 16%; nên tránh sơn tường vào những ngày ẩm thấp. Trước khi sơn, nên tiến hành chống thấm và lăn sơn bả để giúp việc sơn tường trở nên đơn giản và bóng mịn hơn.

8.4.2. Sơn các lớp sơn theo trình tự thiết kế Các phương pháp sơn có thể được dùng trong việc sơn bề mặt các công trình xây dựng là: quét, lăn, phun… Quét là phương pháp truyền thống, được áp dụng phổ biến, đặc biệt với các công trình dân dụng đơn lẻ và phù hợp vật liệu sơn có độ nhớt vừa phải. Phương pháp quét thích hợp sơn các bề mặt nhỏ, các góc cạnh, các vị trí khó sơn. Nhúng chổi vào sơn không ngập quá một phần hai độ dài phần chổi sơn. Trước tiên, dùng chổi miết mạnh ngay từ lớp sơn lót đầu tiên sao cho sơn lấp kín các khe hở, lỗ nhỏ, sau đó mới tiến hành sơn theo thứ tự từng lớp một một cách đều đặn, quét phần khó trước, phần dễ sau. Con lăn phù hợp sử dụng ở bề mặt bằng phẳng và đã tiến hành sơn lớp sơn lót trước khi cần sơn thêm nhiều lớp để đạt độ dày cần thiết. Tuyệt đối không thi công sơn bằng con lăn ở những vị trí góc cạnh, những vị trí có tán đinh bulông và không áp dụng khi sơn lớp sơn lót đầu tiên. Phương pháp phun đòi hỏi độ nhớt của sơn lớn; phải có máy phun với áp suất phun và loại vòi phun phù hợp. Khi thi công sơn cần có biện pháp che chắn thích hợp để tránh phun bụi sơn rộng quá ra xung quanh. Cần bố trí cán bộ có chuyên môn về sơn để theo dõi giám sát chất lượng sơn cho công trình từ khi bắt đầu đến khi kết thúc. Khi tiếp nhận sơn cần nhận đồng bộ các loại sơn (sơn lót, sơn phủ…), dung môi kèm theo và các phụ gia khác (nếu có). Tất cả các vật liệu

259

sơn trên đều ở trạng thái bao bì nguyên bản, có đủ ký hiệu - mã hiệu hàng hóa, nhà sản xuất, ngày tháng xuất xưởng và kèm theo các phiếu kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật quy định, cũng như hướng dẫn của nhà sản xuất sơn. Khi sử dụng sơn, cần tuân theo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất và yêu cầu kỹ thuật đối với công tác sơn: Khuấy trộn (đối với một số loại sơn dễ sa lắng, tiếp tục khuấy đều theo chu kỳ trong suốt quá trình thi công để không cho bột màu lắng xuống đáy thùng), điều chỉnh độ nhớt, thời hạn làm việc của sơn, khoảng thời gian chờ giữa các lớp, thời gian từ khi thi công lớp sơn cuối cùng đến lúc sử dụng hoặc vận chuyển, lắp dựng (lớp sơn cần đủ cứng để tránh hư hỏng). Mỗi lớp cần được thi công đều và không được để sót lại bất kỳ vùng nào. Để đạt được chiều dày màng khô yêu cầu và tránh tạo ra các khu vực có chiều dày quá mức, cần định kỳ kiểm tra màng sơn ướt trong quá trình thi công. Khuyết tật trong bất cứ lớp sơn nào cần được sửa chữa trước khi thi công lớp kế tiếp. Phải rửa sạch thiết bị thi công sơn khi kết thúc công việc hay khi chuyển sang thi công loại sơn khác.

8.4.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sơn xây dựng Việc đánh giá chất lượng sơn và chất lượng thi công sơn xây dựng được tuân thủ theo các quy định của tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành bao gồm: - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2090:2007 (ISO 15528:2000) về Sơn, vecni và nguyên liệu cho sơn và vecni - Lấy mẫu; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2091:2008 về Sơn, vecni và mực in - Xác định độ nghiền mịn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2092:2008 về Sơn và vecni - Xác định thời gian chảy bằng phễu chảy; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 1:2015 (ISO 9117 - 1:2009) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 1: Xác định trạng thái khô hoàn toàn và thời gian khô hoàn toàn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 2:2015 (ISO 9117 - 2:2010) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 2: Thử nghiệm áp lực đối với khả năng xếp chồng; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 3:2015 (ISO 9117 - 3:2010) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 3: Xác định thời gian khô bề mặt dùng hạt ballotini; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 4:2015 (ISO 9117 - 4:2012) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 4: Phép thử dùng máy ghi cơ học; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 5:2015 (ISO 9117 - 5:2012) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 5: Phép thử Bandow - Wolff cải biến;

260

- Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2096 - 6:2015 (ISO 9117 - 6:2012) về Sơn và vecni Phương pháp xác định độ khô và thời gian khô - Phần 6: Xác định trạng thái không vết; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2097:2015 (ISO 2409:2013) về Sơn và vecni - Phép thử cắt ô; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2098:2007 (ISO 1522 : 2006) về Sơn và vecni - Phép thử dao động tắt dần của con lắc; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2099:2007 về Sơn và vecni - Phép thử uốn (trục hình trụ); - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2100 - 1:2007 về Sơn và vecni - Phép thử biến dạng nhanh (độ bền va đập); - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2100 - 2:2007 về Sơn và vecni - Phép thử biến dạng nhanh (độ bền va đập); - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2102:2008 về Sơn và vecni - Xác định mầu sắc theo phương pháp so sánh trực quan; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5669:2007 (ISO 1513:1992) về Sơn và vecni - Kiểm tra và chuẩn bị mẫu thử; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5670:2007 (ISO 1514 : 2004) về Sơn và vecni - Tấm chuẩn để thử; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8652:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Yêu cầu kỹ thuật; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8653 - 1:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Phương pháp thử - Phần 1: Xác định trạng thái sơn trong thùng chứa, đặc tính thi công, độ ổn định ở nhiệt độ thấp và ngoại quan màng sơn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8653 - 2:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Phương pháp thử - Phần 2: Xác định độ bền nước của màng sơn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8653 - 3:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Phương pháp thử - Phần 3: Xác định độ bền kiềm của màng sơn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8653 - 4:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Phương pháp thử - Phần 4: Xác định độ bền rửa trôi của màng sơn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8653 - 5:2012 về Sơn tường dạng nhũ tương - Phương pháp thử - Phần 5: Xác định độ bền chu kỳ nóng lạnh của màng sơn; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8789:2011 về sơn bảo vệ kết cấu thép - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8790:2011 về Sơn bảo vệ kết cấu thép - Qui trình thi công và nghiệm thu; - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9404:2012 về Sơn xây dựng - Phân loại.

261

Chương 9 VẬT LIỆU KÍNH XÂY DỰNG 9.1. Tổng quan về vật liệu kính 9.1.1. Khái niệm chung Thủy tinh, còn được gọi là kính (kiếng), là một chất rắn vô định hình nhận được bằng cách làm quá nguội khối silicat nóng chảy (SiO2 chiếm 75 ÷ 80%). Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo thủy tinh là cát thạch anh, đá vôi, sô đa và sunfat natri; chúng được nấu trong lò nấu đến nhiệt độ khoảng 1.5000C: Ở khoảng 800 ÷ 9000C là silicat được hình thành; ở 1.150 ÷ 1.2000C khối hỗn hợp trở thành trong suốt, nhưng vẫn còn chứa nhiều bọt khí; việc tách hết bọt khí và trở thành đồng nhất ở khoảng nhiệt độ 1.400 ÷ 1.5000C. Để khối hỗn hợp có độ dẻo tạo hình cần thiết, phải hạ nhiệt độ xuống đến khoảng 200 ÷ 3000C. Độ dẻo của khối hỗn hợp phụ thuộc vào thành phần hóa học: SiO2 và Al2O3 làm tăng độ dẻo; còn Na2O và CaO thì ngược lại (làm giảm độ dẻo). Việc chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh (rắn) là một quá trình thuận nghịch: khi để trong không khí và ở nhiệt độ cao cấu trúc vô định hình của một số loại thủy tinh có thể chuyển sang kết tinh.

9.1.2. Lịch sử về vật liệu kính

Hình 9.1. Hình ảnh thổi thủy tinh thế kỷ 9

262

Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở Ai Cập vào khoảng năm 2000 trước Công nguyên; khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác. Trong thế kỷ thứ 1 trước Công nguyên, kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển; đã có rất nhiều loại hình thủy tinh được tạo ra, nhưng chủ yếu là các loại bình và chai lọ. Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây, vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất (nhiều loại thủy tinh ngày nay có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cũng bởi các tạp chất như vậy). Các đồ vật làm từ thủy tinh ở thế kỷ thứ 7 và thế kỷ thứ 8 đã được tìm thấy trên đảo Torcello gần Venice. Khoảng năm 1000 sau Công nguyên, một đột phá quan trọng trong kỹ thuật đã được tạo ra ở Bắc Âu, khi thủy tinh sô đa được thay thế bằng thủy tinh làm từ các nguyên liệu có sẵn hơn. Thế kỷ 11 được cho là nổi bật, khi tại Đức phương pháp mới để chế tạo thủy tinh tấm đã ra đời: Dùng các quả cầu để thổi, sau đó chuyển nó sang thành các hình trụ tạo hình, cắt chúng khi đang còn nóng và sau đó dát phẳng thành tấm. Trung tâm sản xuất thủy tinh từ thế kỷ 14 là Vênidơ, ở đó đã phát triển nhiều công nghệ mới để sản xuất thủy tinh và trở thành trung tâm xuất khẩu có lãi các đồ đựng thức ăn, gương và nhiều đồ xa xỉ khác. Sau đó, một số thợ thủy tinh của Vênidơ đã chuyển sang các khu vực khác như Bắc Âu và việc sản xuất thủy tinh đã trở nên phổ biến hơn. Khoảng năm 1688, công nghệ đúc thủy tinh đã được phát triển, dẫn tới việc sử dụng thủy tinh như một vật liệu thông dụng. Sự phát minh ra máy ép thủy tinh năm 1827 cho phép sản xuất hàng loạt các đồ vật từ thủy tinh rẻ tiền hơn rất nhiều. Phương pháp ống xy lanh đã được phát kiến bởi William J. Blenko trong những năm đầu của thập niên 90 (1900); và những năm sau chiến tranh thế giới lần thứ I, công nghiệp kính tấm đã chứng kiến sự tăng trưởng kỳ lạ nhờ sự bùng nổ về nhà ở và ngành công nghiệp ôtô. Đến năm 1929, khoảng 70% kính tấm sản xuất tại Mỹ đã được bán cho ngành chế tạo ôtô; rất nhiều trong số đó là kính an toàn, được sản xuất bằng cách dán 2 tấm kính vào một lớp trung gian bằng a-xê-tát sel-lu-lô. Tuy công nghệ sản xuất đã được cải tiến, khâu đánh bóng để tạo ra kính tấm chất lượng cao vẫn là khâu đòi hỏi nhiều thời gian và giá thành cao. Ngành sản xuất kính hoàn toàn thay đổi khi Alastair Pilkington phát minh ra công nghệ kính nổi hiện đại vào những năm 1960, giảm thiểu sự khác biệt so với tấm kính đã qua đánh bóng. Công nghệ của Pilkington đã làm giảm đáng kể giá thành kính tấm, tạo ra những ứng dụng mới cho những sản phẩm kính tấm như trang trí nội thất hay xây nên những toà nhà văn phòng cao chọc trời. Với giá thành thấp, kính chất lượng cao đã bắt đầu thống trị các ngành xây dựng, chế tạo ôtô... Ngày nay, hơn 90% sản lượng kính tấm của thế giới được sản xuất theo công nghệ của Pilkington. Các sản phẩm kính cường lực ngày nay không những nâng cao về mặt chất lượng, đa dạng về chủng loại, mà còn linh hoạt trong mục đích sử dụng.

263

9.2. Tính chất cơ bản của vật liệu kính 9.2.1. Độ nhớt Độ nhớt của chất lỏng được biểu hiện ở khả năng chống lại sự dịch chuyển tương đối của các phần tử trong chất lỏng đó. Ở trạng thái lỏng, thủy tinh có độ nhớt rất lớn. Độ nhớt của thủy tinh phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hóa học: Nhiệt độ càng càng thì độ nhớt của thủy tinh càng giảm; hàm lượng các ôxit trong thủy tinh khác nhau thì độ nhớt khác nhau. Ở nhiệt độ nấu cao nhất, độ nhớt của thủy tinh vào khoảng 102 poise (102P), lớn khoảng gấp 10.000 lần độ nhớt của nước ở 200C (0,01p).

9.2.2. Khả năng kết tinh Trong những điều kiện thích hợp, thủy tinh có thể tự chuyển về trạng thái tinh thể; đó là quá trình kết tinh của thủy tinh. Một quá trình kết tinh thông thường bao giờ cũng gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể. Căn cứ vào cơ chế tạo mầm, có thể chia làm 2 loại kết tinh: kết tinh tự phát (tự kết tinh) và kết tinh cưỡng bức (kết tinh định hướng). Kết tinh tự phát xảy ra trong quá trình sản xuất thủy tinh. Đây là loại kết tinh thường gây hại cho quá trình sản xuât: Khi bị kết tinh nhiều tính chất kỹ thuật của thủy tinh bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi (độ bền cơ, bền nhiệt, tính chất quang học… đều giảm); quá trình kết tinh xảy ra trong lò sẽ dẫn đến các sự cố: tắc cống, tắc máng… và gây ra các khuyết tật trong sản phẩm. Kết tinh cưỡng bức là loại kết tinh có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất vật liệu đa tinh thể có nguồn gốc thủy tinh.

9.2.3. Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt là công cần thiết để tăng bề mặt chất lỏng lên một đơn vị (dyn/cm, erg/cm2, j/m2). Sức căng bề mặt của thủy tinh phụ thuộc vào thành phần hóa nhiều hơn so với nhiệt độ: Các loại ôxit ZrO2, Al2O3, MgO làm tăng sức căng bề mặt và các loại ôxit K2O, Na2O, B2O3, P2O5, F và V2O5 làm giảm sức căng bề mặt; khi tăng nhiệt độ lên khoảng 1000C sức căng bề mặt của thủy tinh thường bị giảm đi khoảng 2 ÷ 4% giá trị ban đầu.

9.2.4. Độ bền hóa Độ bền hóa của thủy tinh là khả năng chịu sự tác dụng của các tác nhân hóa học như nước, axit , kiềm… Mỗi loại thủy tinh có độ bền hóa khác nhau, tùy thuộc vào thành phần và điều kiện phá hủy nó. Loại thủy tinh bền hóa nhất là thủy tinh thạch anh và kém bền

264

nhất là thủy tinh nước. Quá trình phá hủy thủy tinh là một quá trình phức tạp, có thể chia làm 2 loại: hòa tan và xâm thực. Quá trình hòa tan: Toàn bộ thành phần thủy tinh bị phá hủy (bị hòa tan hoàn toàn). Ví dụ: Tác dụng của HF (hydro florua) hay kiềm đậm đặc lên thủy tinh. Quá trình xâm thực: Một bộ phận thủy tinh bị hòa tan còn lại trên bề mặt là lớp gel ôxyt silic. Ví dụ: Khi thủy tinh tiếp xúc với nước, axit và kiềm loãng. Độ bền hóa của thủy tinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: bản chất của thủy tinh, bản chất của tác nhân ăn mòn, điều kiện ăn mòn… Nhìn chung, các ôxit kiềm luôn làm giảm độ bền hóa (do các silicat kiềm dễ bị thủy phân và hydroxit kiềm sau khi thủy phân hấp thụ mạnh CO2 và SO2 trong không khí tạo Na2CO3, Na2SO4 sẽ tiếp tục gặm mòn thủy tinh); ngược lại, sự có mặt của SiO2 luôn làm tăng độ bền hóa của thủy tinh. Các silicat kẽm, beri, cadimi có độ bền nước khá cao; silicat manhê và stronti kém bền hơn; còn silicat chì, bari rất kém bền. Sự phá hủy thủy tinh mạnh nếu nhiệt độ và áp suất môi trường tăng lên. Nước có tác dụng đặc biệt mạnh ở nhiệt độ lớn hơn 1000C. Tăng áp suất của nồi hấp đến 30÷100at nhiều loại thủy tinh bền hóa cũng bị phá hủy. Độ bền hóa của thủy tinh bị giảm đi nhiều khi bề mặt bị nhiều vết xước, lồi lõm. Thủy tinh được đánh nhẵn bằng lửa có độ bền hóa cao hơn thủy tinh đánh nhẵn bằng cơ học. Ngoài ra, độ đồng nhất của thủy tinh cũng ảnh hưởng đến độ bền hóa của nó. Thủy tinh được nấu ở nhiệt độ cao, độ đồng nhất tốt có khả năng chống xâm thực lớn hơn các thủy tinh có cùng thành phần nhưng không thật đồng nhất.

9.2.5. Khối lượng riêng Thủy tinh có thành phần hóa khác nhau thì có khối lượng riêng (mật độ) khác nhau: khối lượng riêng của phần lớn thủy tinh silicat canxinatri có giá trị xấp xỉ 2,5 g/cm3; loại thủy tinh thạch anh và thủy tinh kỹ thuật giàu SiO2, B2O3 như simax, sial, thủy tinh điện chân không có khối lượng riêng nhỏ hơn (2,2 ÷ 2,3 g/cm3); thủy tinh giàu PbO, BaO có có khối lượng riêng lớn (có thể đạt đến 5 ÷ 7 g/cm3). Khối lượng riêng lớn hay nhỏ là do sự có mặt (hàm lượng) của các nguyên tố nặng và nó có thể xác định bằng tính toán theo qui tắc cộng từ thành phần hóa.

9.2.6. Tính chất cơ học Các loại thủy tinh khác nhau có độ bền khác nhau và dao động trong một khoảng khá rộng (nén: 700 ÷ 1.000 daN/cm2, kéo: 35 ÷ 85 daN/cm2).

265

Độ bền chịu va đập của thủy tinh được biểu hiện ở một tính chất rất đặc trưng là “tính giòn” và được đo bằng công cần thiết để phá hủy một đơn vị mẫu thử. Các ôxit B2O3, MgO và Al2O3 làm tăng độ chịu va đập của thủy tinh, còn các ôxit khác ít ảnh hưởng. Độ cứng của thủy tinh dao động từ 5 ÷ 7 theo thang mohs; thủy tinh thạch anh là loại có độ cứng lớn nhất, và mềm nhất là thủy tinh giàu PbO. Cũng như các loại vật liệu khác, các tính chất cơ học của thủy tinh phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt của mẫu thử, hình dạng mẫu, kích thước mẫu, nhiệt độ thí nghiệm và tốc độ tăng tải trọng khi thử.

9.2.7. Tính chất liên quan đến nhiệt Thủy tinh là loại vật liệu dẫn nhiệt rất kém, đây là một trong những nguyên nhân gây ra ứng suất phá hủy khi thủy tinh bị đốt nóng hay làm lạnh đột ngột. Phần lớn thủy tinh ở nhiệt độ thường có hệ số dẫn nhiệt vào khoảng 0,0017 ÷ 0,0032 Cal/cm.s.0C. Thủy tinh thạch anh có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, khi thêm các ôxit khác vào khả năng dẫn nhiệt sẽ giảm. Độ chịu nhiệt hay độ bền xung nhiệt là tính chất phản ánh khả năng chịu đựng của thủy tinh khi nhiệt độ thay đổi đột ngột; nó được quyết định bởi: hệ số giãn nở nhiệt, độ đàn hồi, cường độ chịu kéo, độ dẫn nhiệt... Độ bền nhiệt phụ thuộc vào hình dạng cũng như kích thước sản phẩm: Chiều dày càng lớn độ chịu nhiệt càng giảm và sản phẩm càng lớn độ bền nhiệt càng kém. Thông thường, độ chịu nhiệt của thủy tinh được xác định bằng hiệu số nhiệt độ làm lạnh đột ngột mà thủy tinh không bị phá hủy. Hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa và biến đổi trong một phạm vi khá rộng: thủy tinh thạch anh có hệ số giãn nở nhiệt thấp nhất (5,8.107 0 / C); các ôxyt kiềm làm tăng hệ số giãn nở nhiệt. Các dụng cụ chịu nhiệt bằng thủy tinh luôn đòi hỏi phải có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, còn các loại thủy tinh dùng để chắp nối với nhau và với kim loại thì đòi hỏi phải có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ nhau trong khoảng nhiệt độ thường đến nhiệt độ hấp ủ (để đảm bảo mối hàn không bị phá hủy bởi tác dụng nhiệt).

9.2.8. Tính chất liên quan tới điện Ở nhiệt độ thấp thủy tinh không dẫn điện và được sử dụng làm vật liệu cách điện; nhưng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa mềm, thủy tinh trở thành dẫn điện. Vì thế, có thể nấu thủy tinh bằng dòng điện.

266

Thủy tinh dẫn điện bằng các ion. Vì thế, điện trở riêng của thủy tinh ngay ở trạng thái nóng chảy cũng lớn hơn vật liệu dẫn điện bằng điện tử. Ở nhiệt độ phòng điện trở riêng của thủy tinh rất lớn (vào khoảng 1015 Ωcm - lớn gấp khoảng một triệu lần điện trở kim loại), nhưng khi chảy lỏng nó giảm xuống rất nhỏ (chỉ còn 10 ÷ 100 Ωcm). Do dẫn điện bằng ion, nên độ dẫn điện của thủy tinh phụ thuộc vào sự điện ly của các hợp chất trong thủy tinh và độ linh động của các ion trong đó. Nó phụ thuộc vào thành phần hóa của thủy tinh và nhiệt độ. Các ion kiềm có vai trò quan trọng trong việc tải điện; hàm lượng kiềm càng nhiều độ dẫn điện càng lớn. Nếu cho dòng điện một chiều đi qua thủy tinh nóng chảy sẽ xảy ra hiện tượng điện phân: Các ion kiềm sẽ bị dịch chuyển về catôt, đồng thời kim loại ở anôt sẽ chuyển vào thủy tinh và có thể nhuộm màu. Để tránh hiện tượng điện phân, không dùng dòng điện một chiều để nấu thủy tinh. Thủy tinh có hằng số điện môi lớn nên có thể dùng làm chất điện môi trong các tụ điện. Hằng số điện môi là đại lượng liên quan đến sự phân cực ion, nguyên tử của chất điện môi dưới ảnh hưởng của điện trường bên ngoài. Ở trạng thái bình thường thủy tinh trung hòa về điện, nhưng khi đặt trong điện trường sẽ có hiện tượng phân cực điện môi: Các ion, nguyên tử sẽ sắp xếp lại để tạo ra trạng thái cân bằng mới. Nếu hằng số điện môi càng lớn, dung lượng của tụ điện càng cao. Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số của điện trường ngoài và thành phần thủy tinh. Hằng số điện môi gần như tỉ lệ thuận với mật độ của thủy tinh. Khi cho dòng điện xoay chiều tác động lên chất điện môi, một phần điện năng sẽ mất đi do biến thành nhiệt năng; sự tổn thất đó gọi là “tổn thất điện môi”. Độ tổn thất điện môi phụ thộc vào thành phần thủy tinh và nhiệt độ cũng giống như độ dẫn điện. Độ tổn thất điện môi tăng mạnh nếu thủy tinh chịu tác dụng của điện trường cao tần. Vì thế, trong kỹ thuật vô tuyến điện và kỹ thuật tần số cao cần phải dùng những chất cách điện thủy tinh có độ tổn thất điện môi nhỏ. Độ bền điện môi là khả năng chịu đựng của thủy tinh không bị phá hủy dưới tác dụng của điện áp cao. Nó được đo bằng tỉ số giữa điện áp xuyên thủng mẫu thử với chiều dày của mẫu nơi bị đánh thủng. Độ bền điện môi hay cường độ điện môi được biểu diễn bằng kv/cm hoặc kv/mm. Nó phụ thuộc vào thành phần thủy tinh và điều kiện đo (nhiệt độ, chiều dày mẫu thử, tần số điện trường, thời gian chịu điện áp).

9.2.9. Tính chất quang học Thủy tinh là vật liệu trong suốt, nên được dùng trong chiếu sáng và làm các linh kiện quang học. Tính chất quang học của thủy tinh được xác định bởi nhiều loại tia sáng khác nhau.

267

1. Chiết suất Chiết suất của một chất được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ trong chất đó. Độ lớn của chiết suất phụ thuộc vào loại bước sóng ánh sáng và vào nhiệt độ. Chiết suất của thủy tinh vào khoảng 1,35 ÷ 2,25. Chiết suất của thủy tinh phụ thuộc vào thành phần hóa học và chế độ ủ, chế độ gia công nhiệt... Các kim loại nặng như Pb, Ba, Sb làm tăng chiết suất; thủy tinh tôi có chiết suất nhỏ hơn thủy tinh ủ có cùng thành phần hóa, nhưng sự sai khác không lớn. 2. Sự phản xạ ánh sáng Khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh sáng bị phản xạ ở trên bề mặt phân cách giữa 2 môi trường (ngay cả khi 2 môi trường đều trong suốt). Sự phản xạ ánh sáng của thủy tinh được đặc trưng bằng hệ số phản xạ; đó là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phản xạ trên bề mặt thủy tinh với cường độ ánh sáng tới. Trong các hệ thống quang học phức tạp (kính hiển vi, kính thiên văn…) có chứa nhiều thấu kính, lăng kính, sự tổn thất do phản xạ có thể đến 75 ÷ 80% lượng ánh sáng tới; khi đó trường thị thường bị tối. Để khắc phục hiện tượng này, thường giảm hệ số phản xạ bằng cách: phủ lên các chi tiết quang học bằng thủy tinh một màng mỏng có chiều dày bằng một phần tư bước sóng của tia tới và có chiết suất bằng căn bậc 2 chiết suất của thủy tinh. Ngược lại, muốn tăng hệ số phản xạ, chỉ việc phủ lên bề mặt thủy tinh lớp màng có chiết suất lớn hơn chiết suất của thủy tinh. 3. Sự hấp thụ áng sáng Thủy tinh hấp thụ ánh sáng có chọn lọc, nên nó có những màu sắc khác nhau. Sự hấp thụ ánh sáng là do một số chất tạo màu trong thủy tinh gây nên. Như vậy, thành phần của tia tới truyền qua vật liệu trong suốt sẽ thay đổi phụ thuộc vào những tổn hao do hấp thụ và phản xạ. Với tia tử ngoại, thủy tinh thạch anh cho qua mạnh nhất; thủy tinh thường cho qua nhiều hay ít phụ thuộc vào hàm lượng Fe2O3 (Fe2O3 có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại tốt nếu kết hợp với TiO2, CeO2, V2O5); thủy tinh không màu chứa PbO, Sb2O3 hút tia tử ngoại. Với tia hồng ngoại, thủy tinh thạch anh và thủy tinh chứa nhiều FeO hấp thụ mạnh. Với tia rơnghen, thủy tinh chứa các ôxyt kim loại nặng như PbO hút tốt. Trong kỹ thuật hạt nhân để hấp thụ neutron dùng thủy tinh chứa CdO và B2O3. 4. Hiện tượng lưỡng chiết và hiện tượng huỳnh quang Bình thường, thủy tinh là vật thể đẳng hướng quang học; nhưng khi có lực cơ học tác dụng hoặc khi trong nó có ứng suất (do làm lạnh nhanh hay đốt nóng nhanh), thủy tinh sẽ trở thành vật thể bất đẳng hướng và có tính lưỡng chiết. Khi ứng suất được loại trừ thì tính lưỡng chiết cũng biến mất. Có nhiều loại thủy tinh khi chịu tác dụng của tia tử ngoại, tia

268

rơnghen hoặc các tia đặc biệt khác có thể phát ra ánh sáng. Hiện tượng phát sáng này gọi là hiện tượng huỳnh quang của thủy tinh. Thực chất của hiện tượng huỳnh quang là ánh sáng đập vào thủy tinh, tương tác với electron của phân tử chất gây huỳnh quang và làm chúng ở trạng thái kích thích (chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn). Khi các electron này nhảy về quĩ đạo cũ, sẽ phát ra năng lượng dưới dạng huỳnh quang. Sự phát huỳnh quang của thủy tinh phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó và thành phần hóa của thủy tinh. Trong thủy tinh có một số nguyên tố có hoạt tính huỳnh quang như: U, Se, Mn, Cu, Pb…

9.3. Ƣu và nhƣợc điểm của vật liệu kính xây dựng Kính xây dựng (kính tấm xây dựng) là loại vật liệu được làm từ thủy tinh dạng tấm (chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các kích thước còn lại), được sử dụng trong các công trình xây dựng. Vật liệu kính dùng trong xây dựng có nhiều ưu điểm mà các vật liệu khác không thể có được: trong suốt, cứng, không gỉ, không cháy, không hút ẩm và không bị axit (trừ hidro florua) ăn mòn. Tuy nhiên, vật liệu kính lại có nhược điểm cơ bản là dễ vỡ và có thể gây mất an toàn cho con người. Một số lợi thế cơ bản khi sử dụng vật liệu kính trong xây dựng như sau: 1. Mang đến ánh sáng tự nhiên Các loại vật liệu xây dựng khác thường ngăn không cho ánh sáng lọt qua, khiến cho không gian bên trong trở nên tối hơn. Một trong những đặc trưng rõ nét nhất của vật liệu kính là có thể cho ánh sáng truyền qua. Đặc tính này là ưu thế lớn nhất của việc sử dụng vật liệu kính trong xây dựng. 2. Tạo mỹ quan cho công trình Kính là vật liệu tiêu biểu cho phong cách kiến trúc hiện đại. Sử dụng kính giúp các công trình trở nên sang trọng, thẩm mỹ và bề thế hơn. Với những nơi cần phô bày nội thất không gian bên trong, thì vật liệu kính chính là lựa chọn phù hợp; ví dụ: các trung tâm thương mại, khách sạn cao cấp, nhà hàng... 3. Rút ngắn thời gian thi công So với các vật liệu khác, thời gian thi công các hạng mục dùng vật liệu kính nhanh hơn. Với những công trình lớn thì việc rút ngắn thời gian thi công sẽ tiết kiệm được một nguồn tài chính rất lớn. 4. Tiết kiệm diện tích và kinh tế Kính xây dựng mỏng, sẽ giúp tiết kiệm tối đa diện tích. Đồng thời, độ sáng bóng và khả năng lấy ánh sáng tự nhiên của chúng cũng tạo hiệu ứng mở rộng không gian tốt hơn. Hơn nữa, kính cường lực còn giúp hạn chế lượng nhiệt truyền vào không gian bên trong giúp không gian luôn mát mẻ, sáng sủa, từ đó tiết kiệm tối đa kinh phí cho hệ thống chiếu sáng và làm mát.

269

5. Dễ dàng vệ sinh Bề mặt kính phẳng và nhẵn nên rất thuận tiện cho công tác lau chùi, vệ sinh. Không như các vật liệu khác (có thể bị bong tróc, ố màu theo thời gian), với chất liệu kính chỉ cần lau chùi thì công trình lại đẹp và sang trọng như lúc ban đầu. 6. Tái chế Thủy tinh được tạo hình khi nó đang nóng chảy hoặc biến mềm, do đó những phế liệu có tính chất gần giống tính chất sản phẩm cần tạo đều có thể tái chế (nấu chảy và tạo hình lại).

9.4. Đặc tính và quá trình sản xuất một số vật liệu kính thông dụng Cùng với xu thế phát triển, kính là một trong những sản phẩm của thời đại mới, các loại kính có thể sử dụng làm cửa đi, cửa sổ, các vách ngăn trong nhà và giữa nhà... Các sản phẩm về kính cũng rất đa dạng và phong phú (kính thường, kính dán an toàn, kính cường lực, kính phản quang...) được tạo ra theo nhu cầu của cuộc sống.

9.4.1. Kính thường Kính thường là loại kính ủ (annealed glass) được tạo ra ngay sau quá trình ủ. Đây là loại kính thông dụng gồm kính nổi, kính kéo, kính cán, kính lưới thép và không phụ thuộc vào thành phần của thủy tinh. Kính ủ được sử dụng trong công trình xây dựng ở các hạng mục không đòi hỏi yêu cầu chất lượng phục vụ cao hay các công trình cấp thấp. Kính ủ là nguyên liệu ban đầu được sử dụng để sản xuất các sản phẩm cao cấp hơn thông qua xử lý tiếp như cán, tôi kính, sơn…

9.4.2. Kính dán an toàn Kính dán an toàn (Laminated safety glass) là loại kính dán nhiều lớp mà trong trường hợp bị vỡ, lớp xen giữa sẽ giữ các mảnh vỡ lại và hạn chế độ vỡ, đảm bảo độ bền còn lại và giảm gây thương tích.

Hình 9.2. Kính dán an toàn Kính dán an toàn được sản xuất từ hai hay nhiều lớp kính ghép lại, giữa các lớp kính được liên kết với nhau bằng màng dính kết đặc biệt (thường là màng PVB - Poly Vinyl

270

Butylen dạng film). Lớp màng này ngoài khả năng dính kết tốt, còn có độ dẻo và độ bền rất cao, tạo cho kính có khả năng chống lại các lực va đập. Khi vỡ, kính sẽ bám vào lớp màng và giữ nguyên trong khung, giảm thiểu tối đa nguy cơ cạnh kính sắc rơi xuống hay bắn tung toé ra ngoài, gây mất an toàn. Ngoài ra, tùy thuộc đặc tính cấu tạo và công nghệ, lớp màng dính kết còn có thể có các chức năng đặc biệt khác như: chống đạn, hạn chế hiệu ứng nhiệt và những bức xạ UV (tia cực tím hay tia tử ngoại - Ultraviolet), giảm thiểu tiếng ồn… Cũng chính nhờ những tính năng ưu việt này, kính dán an toàn được ứng dụng rộng rất rộng rãi trong xây dựng và nền công nghiệp hiện đại. Kính dán an toàn gồm nhiều loại với độ dày và màu sắc khác nhau (thường từ vài mm đến hơn 10 mm với các mầu: trắng trong, trắng sữa, nâu trà, xanh đen, xanh lá cây, xanh nước biển… ) phù hợp với sở thích của người tiêu dùng. Với đặc tính ưu việt như độ bền và độ an toàn cao, kính dán an toàn được ứng dụng nhiều trong các công trình có quy mô lớn như: trung tâm thương mại, cao ốc, văn phòng, khu mua sắm, trường học, nhà hàng... bảo đảm độ an toàn, an ninh, tiết kiệm năng lượng, tránh rủi ro trong quá trình sử dụng. Kính dán an toàn cũng được ứng dụng nhiều cho các kết cấu, bộ phận công trình như: cửa sổ, mái hiên, cửa ra vào, màn chắn mưa hay đơn giản như bể cá… Việc sản xuất và sử dụng kính dán an toàn phải được tuân theo quy định của tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành là TCVN 7364:2018 Kính xây dựng - Kính dán nhiều lớp và kính dán an toàn nhiều lớp (bao gồm 6 tập). Quy trình sản xuất kính dán an toàn 2 lớp có thể chia thành 6 bước với các nội dung công việc cơ bản như sau: - Bước 1: Rửa và sấy khô các tấm kính. Kính tấm nguyên khổ sẽ được đưa qua thiết bị rửa và sấy khô để xử lý sạch hai bề mặt kính. Sau đó được chuyển qua buồng ghép. - Bước 2: Phủ màng dính kết lên bề mặt kính. Tấm kính thứ nhất được đưa lên bàn định vị và phủ tấm film PVB lên bề mặt; sau đó được cắt bằng kích thước thiết kế. - Bước 3: Úp tấm kính 2 lên tấm 1 vừa được phủ màng dính kết. Tấm kính thứ hai sau khi được rửa và sấy khô, sẽ được đưa vào bàn định vị và được úp lên tấm thứ nhất (tấm kính vừa được phủ màng dính kết), để hai tấm kính được kết dính tạm thời với nhau. - Bước 4: Ép hai tấm kính và hấp sơ bộ.

271

Các tấm kính ghép sẽ được đưa qua hệ thống ép tự động để ép dính lại với nhau, sau đó được hấp lần 01 ở nhiệt độ 140 ÷ 1500C nhằm giúp các tấm kính dính chặt với nhau hơn và được chuyển sang vị trí kệ chờ gia nhiệt. - Bước 5: Nén và gia nhiệt ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Các kệ đựng kính sẽ được đưa vào hệ thống nén và gia nhiệt ở nhiệt độ 140 ÷ 1500C trong thời gian khoảng 3 ÷ 8 giờ tùy thuộc vào độ dày các tấm kính. Sau khi đạt tới nhiệt độ quy định, kính được làm nguội bằng không khí và đưa ra ngoài. - Bước 6: Kiểm tra chất lượng.. Sản phẩm kính dán an toàn sẽ được kiểm tra theo các tiêu chuẩn quy định trước khi nhập kho thành phẩm. Những sản phẩm không đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ bị loại bỏ.

9.4.3. Kính cách âm cách nhiệt Kính cách âm cách nhiệt (kính hộp cách âm cách nhiệt) là loại kính được cấu tạo bởi hai hay nhiều lớp kính. Trong đó, ngăn cách giữa các lớp kính là thanh cử nhôm (nan nhôm - aluminum spacer) được nạp hạt hút ẩm và kết dính với nhau bằng các lớp keo, làm giảm khả năng dẫn nhiệt giữa thanh cử nhôm và các lớp kính; đồng thời, còn tăng khả năng chống xâm nhập của không khí.

Hình 9.3. Cấu tạo kính hộp cách âm cách nhiệt - 3 lớp Tất cả các hộp kính đều được nạp khí (thường là khí trơ), để làm tăng khả năng cách nhiệt và tránh sự ngưng tụ sương. Các hộp kính được bịt kín bằng keo đảm bảo độ bền trước các ứng suất và nhiệt độ. Kính hộp cách âm cách nhiệt có một số đặc tính như sau:

272

Cách âm: Với kết cấu dạng hộp được tạo bởi các lớp kính ngăn cách bằng lớp trung không, kính hộp cách âm cách nhiệt có thể làm giảm tiếng ồn không mong muốn từ môi trường xung quanh. Cách nhiệt: Khoảng không giữa các lớp kính được nạp khí, làm tăng khả năng cách nhiệt của kính hộp, giúp cho bên trong công trình sử dụng kính luôn mát về mùa hè và ấm áp về mùa đông. Bảo vệ và tránh được sự ngưng tụ sương tốt: Với kính thường, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên ngoài và bên trong thường sẽ dẫn đến sự ngưng tụ hơi nước. Với kính hộp cách âm cách nhiệt được nạp khí có thể tránh được khả năng ngưng tụ sương khi có sự chênh lệch cao về nhiệt độ. An toàn và tiết kiệm năng lượng: Khi được kết hợp với kính dán an toàn (kính tôi cường lực an toàn) sẽ tạo ra các loại kính hộp cách âm cách nhiệt an toàn. Đồng thời, với đặc tính cách nhiệt kính hộp sẽ mang thêm tính tiết kiệm năng lượng. Môi trường làm việc và nghỉ ngơi tốt: Với đặc tính bảo ôn cao, việc căn phòng không bị nóng hay lạnh quá sẽ tạo cho không khí dễ chịu trong nội bộ; góp phần tạo sự thư giãn và tiện nghi cho con người trong lúc làm việc và nghỉ ngơi. Việc sản xuất và sử dụng kính hộp cách âm cách nhiệt phải được tuân theo quy định của tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành là: TCVN 8260:2009 Kính xây dựng Kính hộp gắn kín cách nhiệt; TCVN 7529:2005 Kính xây dựng - Kính màu hấp thụ nhiệt do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành; TCVN 9808:2013 Kính xây dựng - Kính phủ bức xạ thấp. Quy trình sản xuất kính hộp cách âm cách nhiệt có thể được chia thành 7 bước với các nôi dung công việc cơ bản như sau: - Bước 1: Chuẩn bị các tấm kính. Tấm kính tấm nguyên khổ được đưa qua máy cắt để cắt theo quy cách đơn đặt hàng. Sau đó được đưa qua thiết bị rửa và sấy khô để xử lý sạch bề mặt kính. - Bước 2: Tạo các thanh cữ nhôm và bơm hạt hút ẩm. Các thanh cữ nhôm (khung nhôm) sẽ được cắt, uốn… trên máy để tạo ra các kích thước phù hợp với tấm kính cần ghép hộp (hạn chế điểm nối). Sau khi được định hình cố định, khung nhôm sẽ được đưa qua thiết bị bơm hạt hút ẩm vào phần rỗng bên trong ruột khung. - Bước 3: Bơm phủ keo lên hai mặt bên của thanh cữ. Các thanh cữ nhuôm được đưa qua thiết bị bơm keo để phủ một lớp keo lên hai mặt bên của thanh cữ và được treo lên giá (để tránh méo hay bụi bẩn có thể bám vào keo).

273

- Bước 4: Gắn các nan nhôm vào các tấm kính và đưa vào buồng bơm khí. Theo dây chuyền, các tấm kính được ghép và gắn các nan nhôm; sau đó được đưa vào buồng bơm khí. - Bước 5: Ép chặt 2 tấm kính vào bề mặt đã bơm keo của nan nhôm. Tại buồng bơm khí, khí sẽ được bơm vào buồng (thường dùng các loại khí trơ không màu không mùi, không vị và không độc); cùng lúc đó máy sẽ ép chặt 2 tấm kính vào bề mặt đã bơm keo của nan nhôm. - Bước 6: Bơm keo. Trong buống bơm khí, kính sẽ được bơm 1 lớp keo dọc theo nan nhôm bằng hệ thống bơm keo tự động. - Bước 7: Kiểm tra chất lượng. Sản phẩm kính sẽ được kiểm tra theo các tiêu chuẩn quy định trước khi nhập kho thành phẩm. Những sản phẩm không đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ bị loại bỏ.

9.4.4. Kính cường lực

Hình 9.4. Kính cường lực dùng làm cửa Kính cường lực (kính tôi, kính temper) là loại kính được tôi ở nhiệt độ khoảng 6500C ÷ 7000C và sau đó làm nguội nhanh bằng luồng khí lạnh thổi lên bề mặt tấm kính để làm đông cứng các ứng suất nén trên bề mặt kính. Điều này có tác dụng tạo sức căng trên bề

274

mặt, tăng khả năng chịu lực, chống lực va đập và chống vỡ do ứng suất nhiệt. Kính cường lực có những đặc điểm cơ bản như: - Chịu lực gấp 4÷7 lần so với các loại kính thông thường cùng loại, cùng độ dày và kích thước; - Khi bị tác động gây vỡ, kính cường lực sẽ vỡ thành nhiều mảnh vụn nhỏ riêng biệt và không có những cạnh sắc như kính thông thường, nên giảm thiểu nguy hiểm cho người sử dụng; - Chịu được độ sốc nhiệt rất cao, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lớp lõi trên 2000C; trong khi các loại kính thường khác chỉ chênh lệch nhiệt độ cho phép không quá 500C. Việc sản xuất và sử dụng kính cường lực phải được tuân theo các tiêu chuẩn quốc gia về kính xây dựng, trong đó đặc biệt quan tâm là TCVN 7455:2013 về Kính xây dựng Kính phẳng tôi nhiệt. Kính cường lực được làm từ kính ủ qua quá trình ủ nhiệt, để tăng khả năng kháng vỡ, tạo ra sự an toàn khi sử dụng. Có thể phân thành 5 bước trong quy trình sản xuất kính cường lực đó là: cắt kính, gia công trên tấm kính, rửa, sấy khô và kiểm tra, gia nhiệt và thành phẩm. 1. Cắt kính Tấm kính nguyên bản sẽ được đưa lên máy cắt để cắt theo kích thước khác nhau theo thiết kế. Sau khi cắt theo kích thước, tấm kính có thể được khoan, khoét để tạo hoa văn. 2. Gia công trên tấm kính Kính thông thường khá nguy hiểm, đặc biệt là sau khi được cắt bởi dao có độ sắc lớn. Để hạn chế mất an toàn, ngay sau khi cắt và trước khi bước vào phần tôi nhiệt, các tấm kính được được xử lý bằng cách mài bề mặt. Ngoài ra, tùy vào yêu cầu thiết kế mà tấm kính có thể được in logo trên bề mặt bằng loại sơn men... 3. Rửa, sấy khô và kiểm tra Tấm kính sau khi gia công sẽ được rửa sạch và sấy khô để tránh những khuyết tật tại bề mặt tấm kính sau khi tôi. Việc kiểm tra kính trước khi gia nhiệt là rất quan trọng, bởi sau khi đưa vào gia nhiệt (trở thành kính cường lực) thì không thể gia công được nữa khi đó nếu có sai sót chỉ còn cách làm cái khác thay thế. 4. Gia nhiệt Sau khi hoàn thành quá trình sấy khô và kiểm tra, tấm kính được đưa tới hệ thống gia nhiệt bằng hệ thống bàn con lăn. Tại đây, tấm kính sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ khoảng

275

600°C ÷ 700°C. Có 3 phương pháp gia nhiệt thường được sử dụng: Gia nhiệt bức xạ (tấm kính được gia nhiệt trực tiếp bằng hệ thống dây mayxo); gia nhiệt bức xạ và đối lưu (dùng hệ thống mayxo kết hợp với hệ thống quạt gió để lưu chuyển nhiệt đều trên bề mặt tấm kính) và gia nhiệt đối lưu hoàn toàn (dùng luồng khí nóng thổi đều trên bề mặt tấm kính bằng hệ thống quạt). Sau khi gia nhiệt tấm kính được làm nguội bằng luồng khí lạnh thông qua hệ thống quạt thổi công suất lớn. 5. Kiểm tra chất lượng Sản phẩm kính sẽ được kiểm tra theo các tiêu chuẩn quy định trước khi nhập kho thành phẩm. Những sản phẩm không đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ bị loại bỏ.

9.4.5. Kính phản quang Kính phản quang là loại kính được phủ lên trên bề mặt một loại hóa chất đặc biệt (thường là các oxit kim loại), có tác dụng phản xạ một phần năng lượng ánh sáng mặt trời (làm giảm độ chói sáng).

Hình 9.5. Mô tả tác dụng của kính phản quang Thông thường, chỉ sử dụng kính phản quang một phần (nhằm giúp giảm cường độ ánh sáng đi vào công trình), không sử dụng kính phản quang toàn phần; bởi vì nếu sử dụng, xông trình sẽ giống như một tấm gương phản chiếu lại ánh sáng, gây nóng cho công trình đối diện. Ngoài ra, tùy theo công nghệ sản xuất, kính phản quan có thể còn kết hợp các đặc tính khác như: ngăn chặn tia tử ngoại, chống nhiệt và giữ nhiệt...

276

Kính phản quang thường được dùng làm cửa sổ, mái kính, vách kính để giảm thiểu sự hấp thụ nhiệt của công trình khi phải tiếp xúc nhiều với ánh nắng mặt trời. Bên cạnh đó, kính phản quang vẫn mang đầy đủ tính chất của kính phẳng thông thương, nên vẫn có thể ghép dán thành kính dán an toàn, kính cường lực… Việc sản xuất và sử dụng kính phản quang phải được tuân theo các tiêu chuẩn quy định. Có 2 phương pháp sản xuất kính kính phản quang: phương pháp nhiệt phân và phương pháp phủ chân không. 1. Phương pháp nhiệt phân - kính phản quang phủ cứng Nhiệt luyện kính đến điểm kính nóng chảy và phủ lên bề mặt lớp hóa chất có khả năng làm chậm sự phát tán nhiệt. Phương pháp này tạo ra được kính phản quang có độ bền cao và có thể sử dụng như các loại kính thông thường: cắt, gia cường, gia nhiệt, uốn cong... 2. Phương pháp phủ chân không - kính phản quang phủ mềm Phủ lên mặt kính một lớp hóa chất có khả năng làm chậm sự phát tán nhiệt bằng công nghệ điện giải trong chân không. Kính phản quang phủ mềm có độ bền không cao (hay bị xước, bong) và rất khó gia cường hay uốn cong, cắt gọt...

277

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Các Tiêu chuẩn, quy trình và định mức hiện hành về có liên quan đến vật liệu và công trình xây dựng. 2. Phạm Duy Hữu, Ngô Xuân Quảng, Mai Đình Lộc (2011). Vật liệu xây dựng. NXB Giao thông vận tải, Hà Nội. 3. Phùng Văn Lự, Phạm Duy Hữu, Phan Khắc Trí (2006). Vật liệu xây dựng. NXB Giáo dục, Hà Nội. 4. Lê Tấn Quỳnh, Nguyễn Quang, Trần Việt Hồng (1997). Đất và Vật liệu xây dựng. NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 5. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8044:2014 (ISO 3129:2012) về Gỗ - Phương pháp lấy mẫu và yêu cầu chung đối với thử nghiệm cơ lý của mẫu nhỏ từ gỗ tự nhiên. 6. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8164:2015 (ISO 13910:2014) về Kết cấu gỗ - Gỗ phân hạng theo độ bền - Phương pháp thử các tính chất kết cấu. 7. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1072:1971 về gỗ - phân nhóm theo tính chất cơ lý. 8. Phan Thế Vinh, Trần Hữu Bằng (2009). Vật liệu xây dựng. NXB Xây dựng, Hà Nội. Tiếng Anh 9. ACI Committee 201 (1992). Guide to Durable Concrete. ACI 201.2R-92. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 10. ACI Committee 211 (1991). Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete. ACI 211.1-91. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 11. ACI Committee 211 (1998). Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete. ACI 211.2-98. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 12. ACI Committee 211 (1993). Guide for Selecting Proportions for High Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash. ACI 211.4R-93. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 13. ACI Committee 214 (1997). Recommended Practice for Evaluation of Strength Test Results of Concrete. ACI 214-77, reapproved 1997. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 14. ACI Committee 228 (1998). Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures. ACI 228.2R-98. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 15. ACI Committee 225 (1999). Guide to the Selection and Use of Hydraulic Cements, ACI 225. ACI Committee 225 Report. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 16. ACI Committee 232 (1996). Use of Fly Ash in Concrete. ACI 232.2R-96. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 17. ACI Committee 232 (2000). Use of Raw or Processed Natural Pozzolans in Concrete. ACI 232.1R-00. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 18. ACI Committee 233 (1995). Ground Granulated Blast-Furnace Slag as a Cementitious Constituent in Concrete. ACI 233R-95. American Concrete Institute. Farmington Hills,

278

Michigan. 19. ACI Committee 234 (1996). Guide for the Use of Silica Fume in Concrete. ACI 234R-96. American Concrete Institute. Farmington Hill, Michigan. 20. ACI Committee 304 (2000). Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00. ACI Committee 304 Report. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 21. ACI Committee 305 (1999). Hot-Weather Concreting. ACI 305R-99. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 22. ACI Committee 306 (1997). Cold-Weather Concreting. ACI 306R-88. Reapproved 1997. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 23. ACI Committee 318 (2002). Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. ACI 318-02. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 24. ACI Manual of Concrete Practice (2001). American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan. 25. AASHTO (2001). Guide Specification For Highway Construction SECTION 56X Portland Cement Concrete Resistant to Excessive Expansion Caused by Alkali-Silica Reaction (Appendix F to ASR Transition Plan). http://leadstates.tamu.edu/ASR/library/ gspec.stm. 26. Detwiler, Rachel J. (2002). Documentation of Procedures for PCA’s ASR Guide Specification. SN 2407. Portland Cement Association. 27. ACI Committee 318 (2002). Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. ACI 318-02. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. 28. ACI E4 (1999). Chemical and Air-Entraining Admixtures for Concrete. ACI Education Bulletin No. E4-96. American Concrete Institute. Farmington Hills, Michigan. Tiếng Trung 29. 柳俊哲 (2009). 宗少民. 赵志曼. 土木工程材料. 科学出版社. 北京. 30. 李玉顺 (2009). 杨海旭. 吴珊瑚瑚. 混凝土结构设计原理. 科学出版社. 北京. 31. 李柏林 (2009). 李冠平. 公路工程施工与计量. 人民交通出版社. 北京. 32. 张登良 (1998). 沥青路面.人民交通出版社. 北京. 33. 沈金安 (2003). 李福普. SMA 路面设计与铺筑. 北京: 人民交通出版社. 34. 沈金安 (1999). 改性沥青与 SMA 路面[M]. 北京: 人民交通出版社. 35. 沈金安 (2001). 沥青及沥青混合料路用性能[M]. 北京: 人民交通出版社. 36. 张登良 (2003). 沥青路面工程手册[M]. 北京: 人民交通出版社. 37. JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S] 38. JTJ 052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S] 39. 邓文清 (DANG VAN THANH). SMA 高温稳定性影响因素及纤维作用机理研究. 东北林业大学，2013. 6.

279

TS. Đặng Văn Thanh (Chủ biên) TS. Phạm Văn Tỉnh

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Chịu trách nhiệm xuất bản ThS. VÕ TUẤN HẢI Biên tập:

NGUYỄN MINH CHÂU

Chế bản:

NGUYỄN MINH CHÂU

Họa sỹ bìa:

ĐẶNG NGUYÊN VŨ

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hoàn Kiếm - Hà Nội ĐT: 024 3941 0835; Fax: 024 3941 0835; Email: nxbkhkt@hn.vnn.vn Website: http://www.nxbkhkt.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận 1 - TP Hồ Chí Minh, ĐT: 028 3822 5062

In 100 bản, khổ 19  27 cm, tại Công ty cổ phần In Đồng Lợi. Địa chỉ: Số 30 ngõ 554 đường Trường Chinh, P. Khương Thượng, Q. Đống Đa, Hà Nội Số ĐKXB: 1418-2020/CXBIPH/3-37/KHKT. Quyết định XB số: 117/QĐ-NXBKHKT ngày 18 tháng 06 năm 2020. In xong và nộp lưu chiểu năm 2020. Mã ISBN: 978-604-67-1557-3

280