Nghiên cứu chế tạo bê tông rỗng thoát nước từ cốt liệu tái chế - Ngô Kim Tuân

Luận án nghiên cứu chế tạo bê tông rỗng từ phế thải xây dựng. Giải pháp vật liệu mới giúp thoát nước, giảm ngập úng và hướng tới xây dựng bền vững.

• Tác giả: Ngô Kim Tuân
• Người hướng dẫn: GS.TS Phan Quang Minh
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Rỗng Thoát Nước Sử Dụng Cốt Liệu Tái Chế Từ Phế Thải Xây Dựng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Mục đích và mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Cơ sở khoa học
• Các luận điểm khoa học của luận án
• Các đóng góp mới của luận án
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• Những vấn đề còn tồn tại
• Cấu trúc luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG RỖNG VÀ SỬ DỤNG CLTC TỪ PTXD CHẾ TẠO BÊ TÔNG RỖNG
• 1.1. Tổng quan về bê tông rỗng
• 1.1.1. Khái niệm bê tông rỗng
• 1.1.2. Ưu - nhược điểm của BTR
• 1.1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTR trên thế giới
• 1.1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng BTR ở Việt Nam
• 1.2. Tổng quan về cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng
• 1.2.1. Tình hình quản lý, tái chế PTXD trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.2.2. Cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng
• 1.3. Tổng quan về bê tông rỗng sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng
• 1.3.1. Tính chất cơ lý của bê tông rỗng sử dụng cốt liệu tái chế
• 1.3.2. Độ rỗng và cấu trúc rỗng của bê tông rỗng sử dụng cốt liệu tái chế
• 1.3.3. Đặc tính thủy lực của BTR sử dụng CLTC
• 1.3.4. Tính chất nhiệt của BTR
• 1.3.5. Một số đặc tính khác của BTR
• 1.4. Tổng quan về hệ thống mặt đường thấm nước áp dụng cho bãi đỗ xe và hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt
• 1.4.1. Hệ thống mặt đường thấm nước ứng dụng cho bãi đỗ xe
• 1.4.2. Hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt của hệ thống mặt đường thấm nước
• 1.5. Những nội dung cần nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA BÊ TÔNG RỖNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ PTXD
• 2.1. Cơ sở hình thành cấu trúc rỗng của BTR
• 2.1.1. Độ rỗng và cấu trúc rỗng của đá xi măng – (loại 1)
• 2.1.2. Độ rỗng và cấu trúc rỗng trong hạt cốt liệu (loại 2)
• 2.1.3. Độ rỗng và cấu trúc rỗng giữa các hạt cốt liệu (loại 3)
• 2.2. Cơ sở hình thành tính thấm của BTR
• 2.3. Cơ sở hình thành cường độ của BTR
• 2.4. Cơ sở nâng cao hiệu quả giảm nhiệt bề mặt của BTR
• 2.5. Cơ sở lựa chọn trong thiết kế bãi đỗ xe thấm nước
• 2.6. Cơ sở khoa học của việc sử dụng cốt liệu tái chế
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nguyên vật liệu chế tạo
• 3.1.1. Cốt liệu tái chế từ PTXD
• 3.1.2. Phụ gia siêu dẻo
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn
• 3.2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Nghiên cứu đặc tính cơ lý và đặc tính thủy lực của bê tông rỗng
• 4.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt hồ xi măng đến sự phân bố lỗ rỗng
• 4.1.2. Cấp phối bê tông rỗng
• 4.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu nhỏ AAC đến các đặc tính của BTR
• 4.1.4. Ảnh hưởng của CLTC từ gạch đất sét nung đến các tính chất của BTR
• 4.2. Nghiên cứu cấu trúc rỗng, các thông số lỗ rỗng và hệ số thấm của BTR
• 4.2.1. Lựa chọn cấp phối nghiên cứu
• 4.2.2. Kết quả nghiên cứu hệ số thấm nước
• 4.2.3. Nghiên cứu cấu trúc rỗng bằng phân tích hình ảnh 3D (MFXCT)
• 4.2.4. Ảnh hưởng của tác nhân gây tắc nghẽn đến các tính chất của BTR
• 4.3. Kết quả nghiên cứu hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt BTR
• 4.3.1. Xác định các thông số vận chuyển khối
• 4.3.2. Kết quả xác định hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt do bay hơi
• 4.3.3. Xác định hệ số dẫn nhiệt của BTR
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BTR LÀM BÃI ĐỖ XE
• 5.1. Lựa chọn thiết kế và thi công thí điểm bãi đỗ xe thấm nước
• 5.2. Nghiên cứu các tính chất cơ lý của bề mặt BTR
• 5.3. Kết quả nghiên cứu hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt của BTR
• 5.4. Nghiên cứu khả năng thoát nước của bãi đỗ xe thí điểm tính theo lượng mưa trung bình tại Hà Nội
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khái niệm và ưu điểm của bê tông rỗng thoát nước

Bê tông rỗng thoát nước (BTR) là một loại vật liệu xây dựng hiện đại với cấu trúc đặc biệt có chứa nhiều lỗ rỗng liên thông. Vật liệu này đang được ứng dụng rộng rãi trong các dự án phát triển bền vững nhờ các ưu điểm nổi bật. BTR giúp giảm hiện tượng ngập úng ở các khu đô thị, bổ sung nước ngầm tự nhiên và giảm hiệu ứng nhiệt đô thị. Ngoài ra, bê tông rỗng thoát nước còn cung cấp giải pháp hiệu quả cho các bãi đỗ xe, sân thể thao và các khu vực cần thoát nước nhanh chóng. Đặc biệt, khi sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng, BTR trở thành giải pháp vừa bảo vệ môi trường vừa tiết kiệm chi phí. Các tính chất hydraulic và cơ lý của BTR phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và quy trình chế tạo.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm cấu trúc

Bê tông rỗng là loại bê tông có cấu trúc xốp với nhiều lỗ rỗng kết nối với nhau. Cấu trúc này cho phép nước thoát qua một cách tự nhiên và nhanh chóng. Hệ số thấm của BTR thường lớn hơn 4 mm/s, giúp tiêu thoát nước hiệu quả. Cốt liệu xây dựng trong BTR được sắp xếp sao cho giữa các hạt luôn có không gian trống, tạo nên một mạng lưới đường thấm liên tục.

1.2. Lợi ích môi trường và bền vững

Sử dụng phế thải xây dựng để chế tạo BTR mang lại nhiều lợi ích. Giảm lượng chất thải phải xử lý, giảm tác động môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Bê tông rỗng thoát nước góp phần giảm nhiệt độ bề mặt do hiệu ứng bay hơi nước, hỗ trợ phát triển đô thị xanh bền vững.

II. Cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng

Cốt liệu tái chế (CLTC) từ phế thải xây dựng là những vật liệu thu hồi từ các công trình cũ, được xử lý và tái sử dụng trong sản xuất BTR. Các loại CLTC chính bao gồm cốt liệu từ gạch, khối xây, bê tông cũ và các vật liệu xây dựng khác. Nghiên cứu khoa học cho thấy cốt liệu xây dựng tái chế có thể được sử dụng hiệu quả để chế tạo bê tông rỗng đạt chuẩn. CLTC thường có độ rỗng cao bên trong hạt, điều này ảnh hưởng đến các đặc tính của BTR. Bê tông rỗng sử dụng cốt liệu tái chế có khả năng hút nước và giữ nước tốt, tăng hiệu quả bay hơi nước. Tuy nhiên, CLTC cũng ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của bê tông, do vậy cần lựa chọn và xử lý cốt liệu phù hợp.

2.1. Các loại cốt liệu tái chế chính

Phế thải xây dựng tái chế có thể chia thành nhiều loại: cốt liệu từ gạch xây, từ khối bê tông, từ khối AAC (bê tông khí nén). Mỗi loại cốt liệu xây dựng tái chế có đặc tính khác nhau, ảnh hưởng đến tính chất bê tông rỗng thoát nước. CLTC từ khối xây có độ rỗng cao giúp tăng khả năng hút nước. Cốt liệu từ AAC mỏng nhẹ, giảm tải trọng công trình.

2.2. Ảnh hưởng của CLTC đến tính chất BTR

Cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng làm giảm cường độ nén của bê tông nhưng cải thiện hệ số thấm và khả năng thoát nước. Độ rỗng trong hạt CLTC làm tăng khả năng hút nước và giữ nước, cải thiện hiệu quả bay hơi nước và giảm nhiệt độ bề mặt. Điều này là lợi thế cho ứng dụng làm bãi đỗ xe.

III. Tính chất và hiệu suất của bê tông rỗng thoát nước

Bê tông rỗng thoát nước cần đáp ứng những tiêu chí kỹ thuật nhất định để phù hợp với ứng dụng. Cường độ nén thường đạt từ 7-15 MPa, phù hợp với bãi đỗ xe tải trọng nhẹ. Hệ số thấm của BTR phải lớn hơn 4 mm/s để đảm bảo thoát nước hiệu quả. Cấu trúc rỗng của bê tông ảnh hưởng đến tất cả các tính chất này. Nghiên cứu sử dụng công nghệ quét 3D hiện đại (MFXCT) để phân tích chi tiết cấu trúc lỗ rỗng. Kết quả cho thấy bê tông rỗng có tính dị hướng - hệ số thấm theo các phương khác nhau. Hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt phụ thuộc vào quá trình bay hơi nước diễn ra trong cấu trúc rỗng. BTR có thể giảm nhiệt độ bề mặt đáng kể so với bê tông thông thường.

3.1. Cường độ và hệ số thấm

Bê tông rỗng thoát nước có cường độ nén 7-15 MPa, thích hợp cho bãi đỗ xe và công trình tải trọng nhẹ. Hệ số thấm phải lớn hơn 4 mm/s để tiêu thoát nước mưa nhanh. Cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng ảnh hưởng đến cả hai chỉ tiêu này. CLTC từ gạch giảm cường độ nhưng cải thiện khả năng thấm.

3.2. Khả năng thoát nước và giảm nhiệt

Bê tông rỗng có khả năng tiêu thoát nước mưa hiệu quả nhờ cấu trúc lỗ rỗng liên thông. Hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt do quá trình bay hơi nước từ cấu trúc BTR. Cốt liệu xây dựng tái chế có độ rỗng cao giúp giữ nước lâu hơn, tăng hiệu quả giảm nhiệt đô thị.

IV. Ứng dụng và hiệu quả thực tế của bê tông rỗng

Bê tông rỗng thoát nước đang được áp dụng thành công trong nhiều công trình xây dựng, đặc biệt là bãi đỗ xe và các khu vực cần tiêu thoát nước. Theo nghiên cứu thực tế kéo dài hai năm, hệ số thấm của BTR chỉ giảm đôi chút dù bị tác nghẽn bởi bụi và cặn. Hiện tượng tắc nghẽn phụ thuộc vào kích thước hạt bụi, kích thước lỗ rỗng hiệu quả và chiều dài đường thấm. Bê tông rỗng thoát nước từ phế thải xây dựng chứng tỏ khả năng giảm nhiệt độ bề mặt hữu hiệu, góp phần giảm hiệu ứng nhiệt đô thị. Các thành phố lớn ở Việt Nam đang phát sinh lượng lớn phế thải xây dựng, và sử dụng chúng trong BTR là giải pháp xử lý hiệu quả, bền vững. Ứng dụng này kết hợp lợi ích môi trường với hiệu suất kỹ thuật cao.

4.1. Ứng dụng trong bãi đỗ xe và công trình giao thông

Bê tông rỗng thoát nước được ứng dụng rộng rãi làm bãi đỗ xe vì khả năng thoát nước nhanh và giảm nhiệt độ bề mặt. Cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng giúp giảm chi phí xây dựng. BTR từ CLTC đạt cường độ 7-15 MPa, đủ chịu tải trọng xe ô tô nhẹ. Hiệu quả tiêu thoát nước mưa giảm ngập úng ở đô thị.

4.2. Hiệu quả bền vững và kinh tế

Sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê tông rỗng mang lợi ích kép: giải quyết vấn đề xử lý chất thải và cung cấp vật liệu xây dựng hiệu quả. Bê tông rỗng thoát nước từ cốt liệu tái chế giảm chi phí, bảo vệ môi trường, hỗ trợ phát triển bền vững đô thị. Hiệu quả giảm nhiệt đô thị góp phần xây dựng thành phố thông minh.