Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ Polystyrene sử dụng chất thải công nghiệp

Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ polystyrene từ chất thải nguy hại, mang lại giải pháp bền vững cho ngành xây dựng và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Ths. Đỗ Doãn Dung
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa học Công nghệ và Quản lý Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ Polystyrene từ chất thải công nghiệp
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài khoa học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu bê tông nhẹ Polystyrene từ chất thải công nghiệp

Bê tông nhẹ Polystyrene (PC) là một loại vật liệu xây dựng mới, được sản xuất từ xi măng và các hạt xốp EPS, có khả năng thay thế một phần nguyên liệu bằng chất thải công nghiệp không nguy hại. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu và phát triển công nghệ sản xuất bê tông nhẹ PC, đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng của nó trong ngành xây dựng tại Việt Nam.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm của bê tông nhẹ Polystyrene

Bê tông nhẹ Polystyrene là loại bê tông có khối lượng riêng thấp, thường được sử dụng trong các công trình xây dựng nhằm giảm tải trọng cho kết cấu. Đặc điểm nổi bật của nó là khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, giúp tiết kiệm năng lượng trong các công trình.

1.2. Tầm quan trọng của việc sử dụng chất thải công nghiệp

Việc sử dụng chất thải công nghiệp không nguy hại trong sản xuất bê tông nhẹ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang đối mặt với vấn đề khan hiếm nguyên liệu xây dựng.

II. Thách thức trong việc phát triển bê tông nhẹ Polystyrene

Mặc dù bê tông nhẹ Polystyrene có nhiều ưu điểm, nhưng việc phát triển và ứng dụng nó vẫn gặp phải một số thách thức lớn. Những thách thức này bao gồm việc đảm bảo chất lượng sản phẩm, khả năng cạnh tranh với các loại vật liệu truyền thống và việc xử lý chất thải trong quá trình sản xuất.

2.1. Vấn đề chất lượng và độ bền của bê tông nhẹ

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo rằng bê tông nhẹ Polystyrene đạt tiêu chuẩn về cường độ và độ bền. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa công thức phối trộn và quy trình sản xuất.

2.2. Khả năng cạnh tranh với vật liệu truyền thống

Bê tông nhẹ Polystyrene cần phải chứng minh được tính kinh tế và hiệu quả so với các loại vật liệu xây dựng truyền thống như gạch nung hay bê tông thông thường. Điều này đòi hỏi các nghiên cứu về chi phí sản xuất và lợi ích kinh tế.

III. Phương pháp nghiên cứu bê tông nhẹ Polystyrene từ chất thải công nghiệp

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp khoa học hiện đại để phát triển bê tông nhẹ Polystyrene. Các phương pháp này bao gồm thử nghiệm vật liệu, phân tích hóa học và đánh giá tính chất cơ lý của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Quy trình sản xuất bê tông nhẹ Polystyrene

Quy trình sản xuất bao gồm việc phối trộn xi măng, hạt xốp EPS và chất thải công nghiệp không nguy hại. Các tỷ lệ phối trộn được điều chỉnh để đạt được khối lượng riêng và cường độ chịu nén mong muốn.

3.2. Phân tích tính chất vật lý và hóa học

Các mẫu bê tông nhẹ được phân tích để xác định các tính chất vật lý như khối lượng riêng, cường độ chịu nén và khả năng chống thấm. Phân tích hóa học cũng được thực hiện để đảm bảo rằng các thành phần sử dụng không gây hại cho sức khỏe con người và môi trường.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của bê tông nhẹ Polystyrene

Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông nhẹ Polystyrene có thể đạt được các tiêu chí về cường độ và khối lượng riêng tương tự như gạch AAC. Sản phẩm này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đặc biệt là trong các dự án cần tiết kiệm năng lượng.

4.1. Đánh giá cường độ và khối lượng riêng của bê tông nhẹ

Các mẫu bê tông nhẹ Polystyrene đã được thử nghiệm cho thấy cường độ chịu nén đạt yêu cầu tối thiểu, đồng thời khối lượng riêng cũng nằm trong khoảng cho phép. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng của nó trong xây dựng.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng

Bê tông nhẹ Polystyrene có thể được sử dụng trong các công trình nhà ở, văn phòng và các công trình công cộng. Việc sử dụng loại vật liệu này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của bê tông nhẹ Polystyrene

Bê tông nhẹ Polystyrene từ chất thải công nghiệp không nguy hại là một giải pháp tiềm năng cho ngành xây dựng tại Việt Nam. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững và thân thiện với môi trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông nhẹ Polystyrene có thể được sản xuất với chất lượng cao, đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật cần thiết cho ngành xây dựng. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm bê tông nhẹ khác trong tương lai.

5.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về vật liệu xây dựng bền vững, bê tông nhẹ Polystyrene có thể trở thành một lựa chọn hàng đầu trong ngành xây dựng. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của nó.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Tại thị trường Việt Nam, vật liệu xây không nung phổ biến là các loại gạch bê tông khí chưng áp (gạch AAC), gạch bê tông bọt, gạch tổ ong, gạch bê tông cốt liệu… cũng được sử dụng nhưng tổng sản lượng sản xuất trên khắp cả nước vẫn thấp hơn gạch AAC (TLTK?). Tuy nhiên, vì độ hút ẩm cao nên gây ra nhiều khó khăn trong công tác thi công và sản phẩm sau khi đưa vào sử dụng có nhiều khiếm khuyết và sự khan hiếm cát (cát là nguyên liệu không thể thiếu trong các bê tông AAC) đang là một thách thức lớn cho yêu cầu hạn chế sử dụng gạch nung truyền thống (gạch tynel) (TLTK?). Bê tông Polystyrene (PC) là loại bê tông nhẹ mới nhất hiện nay và đang được sử dụng phổ biến trong xây dựng cơ bản ở các nước tiên tiến như Hoa Kỳ, Nga, Canada…. Bê tông Polystyrene là giải pháp để khắc phục các nhược điểm của bê tông nhẹ hiện có và hỗ trợ thúc đẩy công tác bảo vệ môi trường khi mở ra hướng để thay đổi được hoàn toàn gạch nung.

Tại Việt Nam, chỉ có những nghiên cứu bước đầu sử dụng EPS để tạo rỗng cho bê tông Sản phẩm thu được có khối lượng riêng từ 850 – 1300 kg/m3 vẫn còn cao hơn nhiều so với gạch AAC và gạch bê tông bọt, và vẫn sử dụng cát làm cốt liệu (TLTK???). Vì thế, cần nghiên cứu thêm để tìm ra sản phẩm PC có khối lượng riêng và cường độ tương tự gạch AAC với mục đích sử dụng làm vật liệu xây không chịu lực Với mong muốn tự chủ về năng lượng và giảm tỷ trọng kinh tế dựa vào việc xuất khẩu nguyên liệu thô như dầu mỏ, Việt Nam đã cấp phép đầu tư cho nhiều nhà máy lọc dầu trải dài trên lãnh thổ. Tuy nhiên, cả nước mới chỉ có nhà máy lọc hoá dầu Bình Sơn đang hoạt động ổn định với công suất trên 10. Trong quá trình hoạt động một lượng chất thải rắn công nghiệp đáng kể bị thải ra và yêu cầu phải có giải pháp xử lý và quản lý thích hợp.

Trong số đó có xúc tác FCC bị mất hoạt tính (hay còn gọi là xúc tác qua sử dụng- gọi tắt là “RFCC”) hàng năm được thải ra nhiều nhất. Khi hoạt động ổn định, trung bình mỗi ngày nhà máy thải ra từ 15- 20 tấn RFCC, thậm chí có ngày lên đến 25 tấn, tương đương với 6500 - 8500 tấn RFCC cần phải được xử lý hàng năm. Hàng năm, nhà máy phải tiêu tốn một phần lợi nhuận kinh doanh cho công tác xử lý RFCC bằng biện pháp chôn lấp. Có thể thấy trước khi nhiều nhà máy lọc dầu đi vào hoạt động, ví dụ như nhà máy lọc dầu Nghi Sơn dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong năm 2018 với công suất gấp 3 lần nhà máy lọc dầu Bình Sơn, lượng RFCC thải bỏ sẽ rất lớn, đòi hỏi chi phí cao để xử lý theo quy định (TLTK?).

Tại Việt Nam, cũng có những đề tài nghiên cứu liên quan đến đến việc tái sử dụng RFCC từ nhà máy Bình Sơn nhằm giúp tiết kiệm phần kinh phí xử lý môi trường cũng như tận dụng lại nguồn nguyên liệu. Nhưng chỉ mới dừng lại ở đối tượng là xi măng và RFCC phải qua thêm công đoạn nghiền (TLTK???). Từ thực tế yêu cầu về bê tông nhẹ, khả năng sử dụng chất thải làm nguyên liệu sản xuất, và khối lượng chất thải công nghiệp RFCC ngày càng tăng, cần có nghiên cứu bước đầu sử dụng RFCC không nghiền làm nguyên vật liệu sản xuất PC. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là thiết kế ra được cấp phối bê tông Polystyrene có sử dụng xúc tác đã qua sử dụng (RFCC) chưa nghiền của nhà máy lọc dầu Bình Sơn đạt được 2 tiêu chí về cường độ chịu nén tối thiểu (R) và khối lượng riêng (D) tương tự gạch ACC là R28 ngày ≥ 2,5 Mpa và D50 ≈ 459-549 kg/m nhằm góp phần giảm chất thải công nghiệp phát sinh ra môi trường và bước đầu đánh giá chất lượng của loại bê tông mới.

Ý nghĩa của đề tài a. Ý nghĩa khoa học  Đây là một trong những nghiên cứu ứng dụng đầu tiên tại Việt Nam trong sản xuất bê tông nhẹ có sử dụng chất thải công nghiệp RFCC.  Đưa ra được hướng giải quyết đối với khối lượng RFCC lớn như hiện nay.  Sản xuất bê tông nhẹ nói chung cũng như bê tông nhẹ có sử dụng chất thải công nghiệp RFCC nói riêng mang lại hiệu quả to lớn đối với khu vực có nền đất yếu như Việt Nam.

Giảm tải cho công trình, dẫn tới giảm kinh phí xây dựng nền móng và hệ thống kết cấu của nhà. Ý nghĩa thực tiễn  Nghiên cứu này được tiến hành để vừa một phần giải quyết được những khuyết điểm tồn tại của bê tông nhẹ đang thịnh hành trong nước và phần khác thúc đấy tái sử dụng chất thải công nghiệp từ hoạt động hóa dầu đang được tạo ra ngày càng nhiều tại Việt Nam. Tính mới của đề tài  Đề tài không những góp phần xử lý triệt để chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường, mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị gia tăng cao và có khả năng ứng dụng lớn trong ngành vật liệu xây dựng, mở ra hướng phát triển mới cho ngành sản xuất gạch, phù hợp với chủ trương của Chính phủ thể hiện qua Chương trình phát triển vật liệu không nung đến năm 2020. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên các nội dung nghiên cứu được cụ thể hóa như trong khung nghiên cứu Hình 1.

Khung nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông PC có sử dụng RFCC-KN đạt các tiêu chí R28 ngày ≥ 2,5 Mpa và D50 ≈ 459-549 kg/m3 a. Nội dung 1 - Đánh giá khối lượng riêng và cường độ chịu nén thức tế của các cấp phối bê tông sử dụng PCB 50: Loại xi măng PCB50 được sử dụng như là cơ sở để xác định công thức phối trộn đạt yêu cầu kĩ thuật. Lý do vì với hạt EPS có khả năng chịu lực kém nên khả năng chịu lực của khối bê tông mẫu phụ thuộc vào khả năng chịu lực của lớp bê tông nền, trong khi PCB50 là loại xi măng tạo ra được lớp bê tông nền có khả năng chịu lực tốt nhất. Bên cạnh đó, PCB50 cũng là loại xi măng sử dụng nhiều cho các nhà máy sản xuất gạch bê tông hoặc các trạm trộn bê tông mác cao.

Kết qả thu được là cấp phối bê tông đạt yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng xi măng PCB50. Nội dung 2 – Đánh giá so sánh PC tạo ra từ PCB30, PCB40 và PCB50: Với cấp phối tốt nhất xác định được từ nội dung 1, cấp phối này được áp dụng cho các loại xi măng thương phẩm khác nhau đang cơ ở thị trường Việt Nam là PCB30 và PCB40. Từ đánh giá sự ảnh hưởng của xi măng đến sản phẩm, tìm được loại xi măng thay thế PCB50 có giá thành rẻ hơn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Nội dung 3 – Đánh giá khả năng sử dụng RFCC làm chất phụ gia trong sản xuất xi măng: Đối với việc sử dụng RFCC trong sản xuất bê tông, đầu tiển cần phải đánh giá khả năng sử dụng RFCC không nghiền làm chất phụ gia trong xi măng.

Đây là một phần quan trọng vì cần phải xác định được RFCC-KN có làm thay đổi tính chất về cường độ chịu nén của vữa được tạo thành từ hỗn hợp đó, và vì bê-tông được tạo thành hỗn hợp xi măng nên tính chất của hỗn hợp xi măng sẽ quyết định tính chất của bê- tông tạo thành. Nếu lượng RFCC-KN thêm vào không làm thay đổi hay gia tăng cường độ chịu nén thì mới có thể tiếp tục nghiên cứu đối với bê tông. Vì thế nội dung này được tiến hành song với hai nội dung trên. Nội dung 4 – Đánh giá PC tạo ra từ sự thay thế xi măng bằng chất thải công nghiệm RFCC-KN – Các kết quả của các nội dung trên là tiền đề để tiến hành nội dung này trong đó các mẫu sẽ được đúc với tỷ lệ thay thế dần xi măng bằng RFCC, và kết quả là công thức tối ưu tạo ra bê tông nhẹ PC có sử dụng RFCC.

Bê tông Polystyrene Bê tông EPS là một loại bê tông nhẹ đặc biệt được tạo ra từ sự thay thế một phần đá nghiền sử dụng trong bê tông thường bằng các hạt xốp nhẹ trương nở polysterene (hạt EPS) (Sadrmomtazi, 2013, Modeling Compressive strength of EPS….) Bê tông polystyrene (gọi tắt là PC) là một hỗn hợp bao gồm xi măng, cát và hạt xốp đã trương nở “EPS” (Expanded Polystyrene). Trong đó, xi măng đóng vai trò làm chất nền và cũng đồng thời làm chất kết dính cho bê tông. PC được tạo ra bằng cách sử dụng các hạt xốp hoặc EPS nhẹ nhỏ làm cốt liệu thay cho đá nghiền được sử dụng trong bê tông thường (Tài liệu tham khảo, …). Bê tông Polystyren Concrete Hiện nay BTN-EPS có thể được sử dụng trong nhiều thành phần kết cấu khác nhau như tường bao, tường vách, các hệ thống sàn hỗn hợp, các khối bê tông chịu tải, vật liệu nền dưới cho các vỉa hè, các kết cấu nổi trên biển.

Đây không phải là loại bê tông có cường độ cao như hỗn hợp bê tông có sử dụng đá làm cốt liệu, nhưng PC có lợi thế là hấp thụ năng lượng nên tính cách nhiệt và âm thanh tốt hơn, dễ dàng định hình và khả năng cắt bằng tay với các công cụ bình thường trong xây dựng; nên loại bê tông này đặc biệt có thể được sử dụng bên trong các lớp bảo vệ của một kết cấu công trình để chống lại các tác động. [71] Do thành phần nguyên liệu là xi măng, nên phương án thi công của PC không khác nhiều so với gạch tuynel. Vữa xi măng vẫn đóng vai trò làm chất kết dính hiệu quả. Để thi công bằng gạch PC người thợ xây chỉ cần sử dụng vữa xây thông thường và cách thức xây tương tự gạch nung truyền thống.

Các sản phẩm BTN: 4 Hình 1. Tường xây bằng bê tông Polystyrene Hình 1. Trường học xây bằng bê tông Polystyrene Trên thế giới, các nghiên cứu về bê tông EPS được tìm thấy ở những năm đầu thập niên 70 khi Cook (1973) đã khảo sát EPS như là một cốt liệu bê tông. Sau đó có khá nhiều nghiên cứu về bê tông EPS được tiến hành cả thực nghiệm và lý thuyết [72].

Bagon và Yannas có những nghiên cứu đầu tiên về tính chất cơ học của bê tông chứa các hạt EPS trong các cấu trúc nổi sử dụng trên biển.