CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU SỬ DỤNG CỐT LIỆU POLYSTYRENE 1.1 Tình hình sử dụng bê tông nhẹ kết cấu Bê tông nhẹ được sử dụng trong kết cấu xây dựng từ hơn 2. Những công trình sử dụng bê tông nhẹ được tìm thấy ở nhiều nơi nhưng các công trình sử dụng bê tông nhẹ thời cổ đại chủ yếu tập trung ở khu vực Địa Trung Hải. Các loại bê tông nhẹ được ứng dụng nhiều trong thời cổ đại chủ yếu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ từ sản phẩm đất sét hoặc đất đá nở phồng. Trong đó, nhiều di tích cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ đã được sử dụng trong xây dựng các kết cấu chịu lực như cột, sàn của công trình Cảng Cosa, Pantheon Dome, và Đấu trường La Mã.
Ngày nay, triển khai nghiên cứu, áp dụng các loại bê tông đặc biệt phục vụ cho các nhu cầu ngày càng đa dạng của thị trường xây dựng là một xu thế tất yếu của công nghiệp vật liệu xây dựng. Trong số đó, một hướng đi quan trọng, được nhiều nhà nghiên cứu tập trung quan tâm là các vấn đề nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ trong các hạng mục phù hợp. Việc nghiên cứu các loại bê tông nhẹ trên cơ sở cốt liệu nhẹ, bê tông nhẹ hốc lớn, bê tông khí,. đã được triển khai quy mô và gặt hái được nhiều thành tựu đáng kể.
Bê tông nhẹ đã được ứng dụng rộng rãi trên các công trình xây dựng thuộc các lĩnh vực khác nhau. Bê tông nhẹ hiện nay có hai dạng chủ yếu là bê tông cách nhiệt kết cấu và bê tông nhẹ kết cấu. Bê tông cách nhiệt kết cấu có khối lượng thể tích từ 400 kg/m³ đến 900 kg/m³, cường độ chịu nén thường thấp hơn 15 MPa. Bê tông kết cấu có khối lượng thể tích từ thấp hơn 2.000 kg/m³, quy định về mức yêu cầu đối với cường độ chịu nén phụ thuộc tiêu chuẩn liên quan.
Tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn ACI 318-14, ACI 211.2-98 quy định bê tông kết cấu cần có cường độ đặc trưng f’c không nhỏ hơn 17 MPa. Tại Nga, tiêu chuẩn GOST 25820:2014 quy định cường độ chịu nén tối thiểu của bê tông sử dụng cho kết cấu chịu lực là B12,5. Tại Việt Nam, theo TCVN 5574:2017, cấu kiện bê tông cốt thép chịu lực có thể được thiết kế sử dụng bê tông nhẹ có cấp cường độ chịu nén tối thiểu là B15 với khối lượng thể tích nhỏ hơn 2. Các tiêu chuẩn này chỉ có chỉ dẫn cụ thể với việc sử dụng bê tông thường và bê tông cốt liệu nhẹ vô cơ (cốt liệu keramzit, aglopolit.) trong thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt 17 thép.
Do đó, bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cốt liệu keramzit được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến trên thế giới. Cốt liệu nhẹ keramzit đã được sản xuất thương mại từ năm 1928 và một trong những công trình lớn đầu tiên ứng dụng bê tông keramzit kết cấú là công trình ở khu vực Đông Pennsylvania khởi công năm 1948. Cho đến nay, bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu keramzit đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trên thế giới mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho các công trình nhà nhiều tầng, cao tầng và cầu đường. Trong nhiều trường hợp, sử dụng bê tông nhẹ là phương án khả thi duy nhất, như ở các công trình cầu đường hay nhà cao tầng trong khu vực nền đất yếu.
Ngành công nghiệp dầu khí tại Mỹ cũng xem bê tông nhẹ là loại vật liệu lý tưởng để chế tạo các công trình nổi ngoài khơi phục vụ sản xuất, khai thác và dịch vụ khác. Để cung cấp các dữ liệu kỹ thuật cần thiết để xây dựng các công trình bằng bê tông ngoài khơi, các công ty dầu khí và các nhà thầu đã đánh giá việc sử dụng bê tông nhẹ có độ bền cao đáp ứng một số yêu cầu thiết kế của họ. Các đánh giá bắt đầu vào đầu những năm 1980 với những kết quả được đưa ra vào năm 1992. Kết quả của nghiên cứu này đã giúp cho các sản phẩm bê tông nhẹ được sử dụng cho nhiều ứng dụng hơn, trong đó có các ứng dụng yêu cầu bê tông có cường độ và độ bền cao.
Từ những năm 1950, những nghiên cứu được tiến hành tập trung chủ yếu vào việc sử dụng cấu trúc của bê tông cốt liệu nhẹ để xây dựng khung, sàn cầu và các sản phẩm đúc sẵn. Nhiều công trình nhiều tầng và công trình cao tầng được thiết kế sử dụng vật liệu nhẹ một cách đồng bộ, tận dụng giảm trọng lượng công trình bằng bê tông nhẹ và các vật liệu nhẹ khác. Ví dụ: tòa nhà Life Prudential 42 tầng ở Chicago, sử dụng sàn bê tông nhẹ và khách sạn Statler Hilton 18 tầng ở Dallas, được thiết kế với khung bê tông nhẹ và sàn bằng phẳng. Những nghiên cứu tiếp theo tập trung nhiều hơn vào việc làm rõ các tính chất của bê tông nhẹ.
Tính năng nhẹ của vật liệu bê tông nhẹ được nhấn mạnh cùng hiệu quả tiết kiệm năng lượng của cấu trúc nhẹ. Liên Xô cũ là nước sử dụng nhiều bê tông keramzit với sản lượng chiếm 30% tổng sản lượng bê tông nhẹ trên thế giới và đạt gần 25 triệu m3/năm. Nước 18 Nga hiện nay đã sản xuất các loại bê tông nhẹ keramzit chịu lực mác đến 600 dùng trong các kết cấu BTCT ứng lực trước. Các nước Tây Âu và Mỹ sử dụng bê tông keramzit để chế tạo các cấu kiện đúc sẵn (pannel, blốc, dầm cầu .) và có xu hướng sử dụng bê tông keramzit mác cao có khối lượng thể tích từ 1600 kg/m³ đến 1800 kg/m³ cho các kết cấu chịu lực và BTCT ứng lực trước trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, xây dựng cầu đường và thuỷ lợi.
Các nước Châu Á, đặc biệt là Nhật Bản, các nước Mỹ La tinh cũng sử dụng bê tông keramzit ngày càng nhiều với tỉ trọng cao trong ngành sản xuất bê tông xây dựng. Ở Việt Nam việc nghiên cứu và sản xuất cốt liệu keramzit và bê tông keramzit chưa được chú ý đúng mức. Nguyên liệu để sản xuất keramzit ở nước ta được một số cơ quan của Tổng cục Địa chất thuộc Bộ Công nghiệp nghiên cứu điều tra vào các năm 1975 đến năm 1977. Các kết quả khảo sát thăm dò địa chất cho thấy nguyên liệu để sản xuất keramzit khá dồi dào.
Viện Vật liệu xây dựng (Bộ Xây dựng) đã tiến hành nghiên cứu công nghệ sản xuất keramzit và bê tông keramzit nhưng kết quả mới dừng lại ở phạm vi thăm dò thử nghiệm chưa được triển khai áp dụng trong thực tế. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã có nghiên cứu về việc chế tạo bê tông keramzit trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam nhưng cũng mới dừng lại ở mặt lý thuyết. Công ty cổ phần thương mại và sản xuất Bemes là cơ sở duy nhất hiện nay đã đầu tư chế tạo sỏi keramzit nhưng chỉ ở quy mô pilốt. Sản phẩm sỏi keramzit của Công ty Bemes đã được sử dụng chế tạo bê tông keramzit mác 200 trong một số công trình nhà ở tại Hà Nội, nhà tiền chế vùng bão lụt Nam Trung Nghiên Bộ, trường họccứu [7]Châu ở Lai đã chế tạo bê nhưng tông khối keramzit lượng kết chế.
còn hạn cấu chịu lực có cường độ chịu nén từ 15 MPa đến 30 MPa với khối lượng thể tích trong khoảng từ 1. Đề tài này đã ứng dụng bê tông keranmzit trong chế tạo và ứng dụng tấm sàn và dầm. Nghiên cứu tính toán và thí nghiệm khả năng chịu tải của cấu kiện dầm và sàn bê tông keramzit cho thấy đối xử của chúng cũng tương tự như bê tông nặng thông thường. Có thể sử dụng các công thức tính toán và chỉ dẫn quy định trong TCVN 5574 : 1991 đối với bê tông nặng.
Tuy nhiên khi tính toán khả năng chịu lực lớn nhất thì nên nhân với hệ số giảm yếu là 0,9. 19 Nghiên cứu [8] đã cho thấy việc chế tạo bê tông keramzit chịu lực kết cấu và có thể bơm là khả thi. Tác giả của nghiên cứu này cũng đã có các dự án ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thi công và bước đầu có được các kết quả khả quan. Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện nay, các nhà máy sản xuất cốt liệu keramzit tại Việt Nam đã ngừng hoạt động.
Do đó, việc nguồn cung cốt liệu cho chế tạo bê tông keramzit gặp nhiều khó khăn, đẩy giá thành bê tông lên cao, hạn chế khả năng ứng dụng của sản phẩm. Bên cạnh việc hoàn thiện, nâng cao hiệu quả các loại bê tông nhẹ truyền thống sử dụng cốt liệu nhẹ là keramzit hay tup núi lửa, sử dụng cốt liệu có cường độ tương đối cao, các nhà nghiên cứu cũng không ngừng tìm tòi, phát triển các loại bê tông nhẹ mới. Trong đó, bê tông nhẹ, trên cơ sở cốt liệu là cốt liệu EPS, được đánh giá là một hướng đi có nhiều triển vọng.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng cốt liệu polystyrene trong bê tông 1.1 Cốt liệu polystyrene phồng nở Cốt liệu polystyrene phồng nở được sử dụng với vai trò là cốt liệu nhẹ làm giảm khối lượng thể tích trong bê tông [2]. Cốt liệu EPS là sản phẩm thu được sau quá trình phồng nở các hạt polystyrene nguyên liệu ở nhiệt độ thích hợp.
Các hạt polystyrene nguyên liệu được chế tạo bằng cách polimer hoá nhũ tương styrol (C6H5-CH=CH2) với sự có mặt của tác nhân gây nở izopentan (C 5H12). Dưới tác động của nhiệt độ thích hợp, tác nhân gây nở sẽ tăng về thể tích và làm phồng nở hạt polystyrene nguyên liệu. Quá trình nở các hạt polystyrene nguyên liệu có thể diễn ra liên tục hoặc qua một vài giai đoạn. Nếu được nở liên tục các hạt polystyrene nguyên liệu sẽ đạt kích thước yêu cầu sau quá trình phồng nở.
Theo công nghệ không liên tục, các hạt nguyên liệu được nở sơ bộ trong công đoạn đầu, sau đó được chuyển qua các công đoạn sau để tiếp tục quá trình phồng nở đến khi đạt kích thước yêu cầu. Cốt liệu EPS sử dụng trong chế tạo bê tông không bảo dưỡng bằng biện pháp chưng hấp là loại đã được hoàn thành quá trình phồng nở để có kích thước hạt ổn định. Các hạt cốt liệu này được coi là đã hoàn thành quá trình phồng nở hoặc không còn khả năng tiếp tục nở. 20 Cốt liệu EPS làm cốt liệu cho bê tông thường được phồng nở bằng hơi nước có nhiệt độ cao trong điều kiện không giới hạn về mặt thể tích nên có dạng hình cầu.