Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu thủy tinh

ThS. PHAN NHẬT LONG Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT: Vật liệu sử dụng cho bê tông chủ yếu từ đá, cát và xi măng, tuy nhiên nguồn tài nguyên này càng ngày càng cạn kiệt. Hiện nay, lượng thủy tinh y tế đã qua sử dụng là rất lớn, việc dùng rác thải thủy tinh thay thế hoàn toàn đá dăm làm cốt liệu thô trong bê tông sẽ đóng góp đáng kể cho việc xử lý môi trường chất thải rắn.

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự phát triển cường độ của vật liệu này theo thời gian trong môi trường nước biển và nước ngọt. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương đồng về khả năng phát triển cường độ giữa bê tông cốt liệu thủy tinh và bê tông đá dăm trong môi trường bảo dưỡng khác nhau. Tuy nhiên, khi sử dụng trong môi trường nước biển, cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh có xu hướng phát triển chậm dần theo thời gian so với các môi trường khác. Kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá tác động môi trường bảo dưỡng đến cường độ bê tông.

TỪ KHÓA: Bê tông cốt liệu thủy tinh, rác thải thủy tinh, tái chế thủy tinh, cấp phối bê tông, cường độ bê tông.

Abstract: Material used for concrete in Viet nam and on the world is mainly from stone, sand and cement. Nowadays, increasing demand for concrete leads to proliferating in natural resource, such as stone and sand. However, these resources are exhausted. A substitute material is needed.

Now, used medical glass is very big. The use of glass waste replaced for macadame as raw material in concrete will contribute much to enviroment.

The article presents research results of intensity change of this material at different times in sea water and fresh water. The result shows the similarity in intensity betwenen macadam and used glass concrete in different enviroment. However, the intensity of glass concrete in sea water tends to be lower than in other enviroment. Research result is to evaluate the enviroment effect to concrete durability.

Keywords: Glass-reinforced concrete, waste glass, recycle glass, mixture concrete, strength of concrete.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, bê tông là một trong những loại vật liệu đang được sử dụng rất rộng rãi ở tất cả lĩnh vực xây dựng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng có nhiều nghiên cứu chế tạo ra các loại bê tông khác nhau, phù hợp với đặc tính của từng kết cấu công trình, môi trường làm việc, trong đó có việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu bê tông từ các nguồn thủy tinh của rác thải rắn y tế.

Theo kết quả khảo sát của Tổng cục Môi trường năm 2009 [1], lượng chất thải rắn thông thường phát sinh trong cả nước vào khoảng 28 triệu tấn/năm, trong đó lượng chất thải rắn y tế khoảng 2.12 triệu tấn/năm, đặc biệt là lượng rác thải thủy tinh y tế tại các bệnh viện chiếm khoảng 3% (nguồn: Kết quả điều tra của dự án hợp tác giữa Bộ Y tế và WHO, 2009).

Hình 1.1: Thành phần chất thải y tế dựa trên đặc tính lý hóa

Lượng rác thải thủy tinh không nhiều như các loại rác thải khác nhưng việc thu hồi và tái chế thủy tinh sử dụng làm cốt liệu trong bê tông mang lại nhiều lợi ích cho việc xử lý môi trường, tái sử dụng nguyên liệu, tiết kiệm năng lượng, giảm diện tích bãi chôn lấp.

Vấn đề đặt ra là khả năng phát triển cường độ của loại vật liệu này trong các điều kiện môi trường thực tế.

2. THIẾT KẾ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM

2.1. Vật liệu sử dụng thí nghiệm

Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng PCB40 Sông Gianh. Cường độ chịu nén tiêu chuẩn của xi măng ở 3 và 28 ngày tương ứng là 22MPa và 47MPa. Các tính chất cơ lý xi măng đều đạt yêu cầu kỹ thuật của TCVN 6260:2009 [2], được trình bày ở Bảng 2.1.

Nguồn cát đưa vào thí nghiệm cát vàng Túy Loan - Đà Nẵng, cỡ hạt được sàn qua ray tiêu chuẩn trước khi tiến hành thí nghiệm được trình bày Bảng 2.2.

Thủy tinh y tế được lấy từ nguồn bệnh viện, cơ sở khám bệnh thuộc sự quản lý Bộ Y Tế. Những vật liệu thủy tinh được tiến hành sàng lọc và phân loại sau đó rửa sạch.

Hình 2.1: Bãi tập kết rác thải thủy tinh y tế

2.2. Thiết kế cấp phối bê tông trong nghiên cứu

2.2.1. Xi măng

Sử dụng xi măng Sông Gianh PCB40.

Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm xi măng theo TCVN 6260-2009

Chỉ tiêu	Đơn vị	Kết quả	Yêu cầu
Khối lượng riêng	g/cm3	3.11
Khối lượng thể tích	g/cm3	1.12
Độ mịn Trên sàn 0.09		2.83	≤10
Độ dẻo tiêu chuẩn		30.6
Thời gian đông kết Bắt đầu Kết thúc	Phút Phút	120 190	≥45 ≤420

Thành phần cát

Bảng 2.2. Kết quả thí nghiệm cát theo TCVN 7572 - 2006

TT	Chỉ tiêu	Kết quả	Đơn vị
1	Khối lượng riêng	2.65	g/cm3
2	Khối lượng thể tích xốp	1.41	g/cm3
3	Khối lượng thể tích khô	2.17	g/cm3
4	Độ xốp	35.2	%
5	Hàm lượng bùn, bụi, sét	0.45	%
6	Mô-đun độ lớn	2.37	%

Hình 2.2: Biểu đồ thành phần hạt của cát thí nghiệm

2.2.2. Thành phần thủy tinh

Chai lọ thủy tinh sau khi vệ sinh và làm sạch được đập nhỏ theo kích thước yêu cầu trung bình từ 20mm đến 5mm, sàng phân loại và trộn theo tỷ lệ cấp phối 0.5x01cm (TCVN 7570:2006) [3].

Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm đá dăm và thủy tinh

TT	Chỉ tiêu	Kết quả		Đơn vị
		Đá dăm	Thủy tinh
	Khối lượng riêng	2.71	2.28	g/cm3
	Khối lượng thể tích xốp	1.32	1.060	g/cm3
	Độ hút nước	0.76	0.03	%
	Hàm lượng bùn, bụi, sét	0.73	0.39	%
	Hàm lượng hạt thoi dẹt	14.97	91.74	%
	Độ nén đập	15.5	-	%

Hình 2.3: Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm 01x02cm

Hình 2.4: Xác định tính chất cơ lý của thủy tinh

Từ kết quả tính chất cơ lý của thủy tinh và đá dăm sử dụng trong nghiên cứu ta nhận thấy rằng:

- Khối lượng riêng của đá dăm so với thủy tinh lớn hơn, điều này giúp cho bê tông có tỷ trọng nhẹ hơn so với đá dăm cùng đơn vị thể tích.

- Khối lượng thể tích xốp của thủy tinh nhỏ hơn so với đá dăm, điều này cho thấy sẽ làm giảm độ cứng bê tông so với đá dăm. Bề mặt thủy tinh luôn luôn trơn nhẵn hơn so với đá dăm làm cho liên kết giữa các hạt xi măng và thủy tinh giảm hơn.

- Thành phần hạt đá dăm chủ yếu được tuyển chọn, sàng phân loại sao cho hạt đá dăm tối ưu nhất theo TCVN 7570:2006 [3] (Hình 2.3).

2.3. Cấp phối hỗn hợp bê tông

Tỷ lệ cấp phối thành phần định hướng theo định mức 01m3 bê tông:

Bảng 2.4. Bảng thành phần cấp phối thí nghiệm

Định mức cấp phối	Xi măng PCB40 (kg)	Cát vàng (m3)	Thuỷ tinh (m3)	Nước (lít)
	308	0,462	0,834	195
Quy đổi sang kg	Xi măng PCB40 (kg)	Cát vàng (kg)	Thuỷ tinh (kg)	Nước (lít)
	308	651.42	884.04	195

Hỗn hợp bê tông cần phải đưa vào máy trộn trộn đều độ sụt và khối lượng thể tích bê tông xác định theo Tiêu chuẩn TCVN 3106:1993, TCVN 3108:1993.

Cường độ chịu nén của mẫu được xác định trên mẫu lập phương 150x150x150mm và tiến hành bảo dưỡng mẫu theo đúng quy định. Cường độ chịu nén mẫu được xác định của bê tông 3, 7, 14, 24, 28 ngày tuổi.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Để kiểm tra khả năng phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh, đúc các mẫu thí nghiệm hình lập phương có kích thước 150x150x150mm.

Mẫu đúc thử nghiệm được chế tạo và bảo dưỡng theo TCVN 3105:1993.

Thí nghiệm cường độ mẫu bê tông theo TCVN 3118:1993.

Các mẫu thí nghiệm bê tông được thiết kế 100% thủy tinh thay thế đá dăm.

Hình 3.1: Thí nghiệm phá hoại mẫu bê tông cốt liệu thủy tinh

Cường độ chịu nén của bê tông ở môi trường khác nước biển, môi trường nước ngọt ở các ngày tuổi thể hiện trong các Bảng 2.4 và Bảng 3.1.

Mỗi giá trị kết quả là giá trị trung bình của tổ hợp 3 mẫu thử.

Cường độ chịu nén ở 28 ngày của bê tông cốt liệu thủy tinh bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt 17MPa, trong môi trường nước biển là 14.9MPa. Cường độ này thấp hơn so với bê tông cốt liệu tự nhiên cả đá dăm. Cường độ bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên đá dăm đạt 20.7MPa. Điều này có thể nhận ra rằng, cường độ chịu nén bê tông cốt thủy tinh chịu nén thấp hơn do hàm lượng thoi hạt dẹt lớn của đá dăm lớn và bề mặt nhẵn trơn của thủy tinh làm giảm sự bám dính của vữa xi măng lên bề mặt cốt liệu, ma sát trượt giữa các lớp cốt liệu thủy tinh gây giảm cường độ của bê tông.

Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng, trong thời gian 3 ngày sau khi bảo dưỡng thì cường độ bê tông tăng lên đáng kể trong môi trường nước biển 8.2MPa, môi trường nước ngọt là 9.3MPa và đối với đá dăm là 12.7MPa.

Bảng 3.1. Bảng so sánh cường độ mẫu bê tông thủy tinh và bê tông đá dăm

Mẫu thí nghiệm	Ký hiệu	Cường độ trung bình (MPa)
		Độ tuổi mẫu thí nghiệm (t ngày)
		3	7	14	28
Bê tông đá dăm mẫu đối chứng	Bdc	12.68	15.04	18.60	20.69
Bê tông thuỷ tinh bảo dưỡng nước ngọt	Bn	9.31	11.82	15.48	17.02
Bê tông thuỷ tinh bảo dưỡng nước biển	Bnb	8.21	10.48	13.49	14.84

Hình 3.2: Biểu đồ so sánh sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu thủy tinh và mẫu đối chứng bê tông đá dăm

Hình 3.3: Biểu đồ so sánh sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu thủy tinh trong hai môi trường bảo dưỡng nước ngọt và nước biển

Quá trình phát triển cường độ bê tông trong các môi trường khác nhau được thể hiện qua Hình 3.2, Hình 3.3.

Đối với bê tông thông thường và bảo dưỡng trong môi trường nước biển, trong 7 ngày đầu tiên, cường độ không bị ảnh hưởng, tuy nhiên cường độ (kéo, nén, uốn) bị giảm dần theo thời gian (28 và 90 ngày).

Sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh bảo dưỡng trong môi trường nước biển có xu hướng giống với sự phát triển cường độ khi bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt. Trong 3 ngày đầu sau khi đúc mẫu, cường độ bê tông cốt liệu thủy tinh phát triển nhanh khi bảo dưỡng trong hai môi trường khác nhau, từ 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày cường độ bê tông có xu hướng phát triển chậm lại.

Trong giai đoạn ban đầu từ 3 đến 7 ngày tuổi chênh lệch cường độ giữa bê tông thủy tinh bảo dưỡng nước biển và nước ngọt khoảng 11%, đến 14 ngày tuổi và 28 ngày tuổi chênh lệch cường độ khi bảo dưỡng trong hai môi trường gần 13%. Điều này cho thấy xu hướng phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh bảo dưỡng trong môi trường nước biển là phát triển nhanh cường độ trong thời gian đầu nhưng chậm dần theo thời gian.

4. KẾT LUẬN

Dựa vào các kết quả nghiên cứu, tác giả nhận thấy rằng:

- Trong những điều kiện môi trường hợp lý, bê tông cốt liệu thủy tinh và bê tông tự nhiên có sự phát triển về cường độ tương đồng nhau. Do đó, trong sự thay thế cốt liệu đá dăm trong bê tông là hoàn khả thi và ứng dụng vào thực tế.

- Tuy nhiên, cường độ bê tông cốt liệu thủy tinh thấp hơn so với việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên nên sử dụng loại vật liệu này cho các công trình dân dụng đặc biệt tại những vị trí trên công trình chịu tải trọng không quá lớn như đan mương, nền đường bê tông hoặc kết cấu bao che.

- Môi trường bảo dưỡng là nhân tố ảnh hưởng lớn đến sự phát triển cường độ của bê tông, ngoài vấn đề cung cấp đủ lượng nước cho quá trình thủy hóa của xi măng cần chú ý về thành phần hóa học của nước, hạn chế các thành phần ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ của bê tông.

- Nghiên cứu dừng lại ở việc thí nghiệm xác định được cường độ của bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh trong điều kiện phòng thí nghiệm, chưa xét đến nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh. Trong môi trường nước biển chưa đánh giá được mức độ ăn mòn của vật liệu.

- Trong nghiên cứu chưa dùng bất kỳ chất phụ gia nào.

- Với đặc tính thủy tinh dẫn nhiệt thấp nên trong tương lai có thể sử dụng bê tông thủy tinh làm vật liệu cách nhiệt và thủy tinh không thấm nước nên bê tông hoàn toàn làm bê tông chống thấm cho các dự án.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2011), Chất thải rắn, Báo cáo môi trường quốc gia 2011, Hà Nội.

[2]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6260:2009, Tiêu chuẩn Việt Nam, Xi măng Pooc Lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật.

[3]. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7570:2006, Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật.

[4]. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7570-1÷20:2006, Phương pháp thử.

[5]. Trương Hoài Chính, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan Phú, Huỳnh Quyền (2008), Nghiên cứu khảo sát hiện trạng ăn mòn phá hủy của các công trình bê tông cốt thép và khả năng xâm thực của môi trường vùng ven biển TP. Đà Nẵng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 6(29).