Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng đặc tính cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene phân lớp chức năng sử dụng cốt liệu tái chế được xử lý bằng huyền phù xi măngtro bayna2so4

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng đặc tính cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene phân lớp chức năng sử dụng cốt, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Cao Hoàng Long
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Phương Trinh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Đặc Tính Cơ Học Của Bê Tông Cốt Sợi Polypropylene Phân Lớp Chức Năng Sử Dụng Cốt Liệu Tái Chế Được Xử Lý Bằng Huyền Phù Xi Măng – Tro Bay – Na2SO4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu bê tông cốt sợi polypropylene

Nghiên cứu về bê tông cốt sợi polypropylene đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành xây dựng. Bê tông này không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững. Việc sử dụng cốt liệu tái chế và xi măng tro bay trong chế tạo bê tông cốt sợi polypropylene giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này sẽ phân tích các đặc tính cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene và ứng dụng của nó trong thực tiễn.

1.1. Đặc điểm của bê tông cốt sợi polypropylene

Bê tông cốt sợi polypropylene có khả năng chống nứt và tăng cường độ bền. Sợi polypropylene giúp phân tán ứng suất trong bê tông, từ đó cải thiện tính chất cơ học. Nghiên cứu cho thấy bê tông này có cường độ chịu nén và chịu kéo cao hơn so với bê tông thông thường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng cốt liệu tái chế

Việc sử dụng cốt liệu tái chế không chỉ tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên mà còn giảm thiểu lượng chất thải xây dựng. Cốt liệu tái chế giúp cải thiện tính chất cơ học của bê tông, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có cường độ tương đương hoặc cao hơn so với bê tông truyền thống.

II. Thách thức trong nghiên cứu bê tông cốt sợi polypropylene

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi polypropylene vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ bền lâu dài, khả năng chống thấm nước và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức và đề xuất giải pháp để khắc phục.

2.1. Độ bền lâu dài của bê tông cốt sợi

Độ bền lâu dài của bê tông cốt sợi polypropylene phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ phối trộn và điều kiện môi trường. Nghiên cứu cho thấy bê tông này có thể bị ảnh hưởng bởi sự ăn mòn và tác động của thời tiết, cần có các biện pháp bảo vệ thích hợp.

2.2. Chi phí sản xuất và ứng dụng thực tiễn

Chi phí sản xuất bê tông cốt sợi polypropylene có thể cao hơn so với bê tông thông thường. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài từ việc giảm thiểu bảo trì và tăng cường độ bền có thể bù đắp cho chi phí này. Cần có các nghiên cứu kinh tế để đánh giá tính khả thi của việc áp dụng rộng rãi.

III. Phương pháp nghiên cứu bê tông cốt sợi polypropylene

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thực nghiệm để đánh giá các chỉ tiêu cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene. Các mẫu bê tông được chế tạo với tỷ lệ cốt liệu tái chế và xi măng tro bay khác nhau. Phương pháp thí nghiệm bao gồm kiểm tra cường độ chịu nén, chịu kéo và độ va đập.

3.1. Thiết kế cấp phối bê tông

Thiết kế cấp phối bê tông là bước quan trọng để đảm bảo các chỉ tiêu cơ học đạt yêu cầu. Nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa cốt liệu tái chế và xi măng tro bay để tìm ra công thức tối ưu.

3.2. Phương pháp thí nghiệm cơ học

Các phương pháp thí nghiệm cơ học bao gồm thử nghiệm cường độ chịu nén, chịu kéo và độ va đập. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ giúp đánh giá chính xác tính chất cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông cốt sợi polypropylene có cường độ chịu nén và chịu kéo cao hơn so với bê tông thông thường. Việc sử dụng cốt liệu tái chế và xi măng tro bay không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần vào phát triển bền vững. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng.

4.1. Cường độ chịu nén và chịu kéo

Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi polypropylene đạt mức tối ưu khi sử dụng cốt liệu tái chế đã xử lý. Cường độ chịu kéo cũng được cải thiện đáng kể, cho thấy khả năng chống nứt tốt hơn.

4.2. Ứng dụng trong xây dựng

Bê tông cốt sợi polypropylene có thể được ứng dụng trong các công trình xây dựng yêu cầu độ bền cao và khả năng chống thấm tốt. Việc sử dụng bê tông này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu về bê tông cốt sợi polypropylene với cốt liệu tái chế và xi măng tro bay đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả. Tương lai của bê tông này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng, đặc biệt trong bối cảnh phát triển bền vững. Cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ và mở rộng ứng dụng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông cốt sợi polypropylene có nhiều ưu điểm vượt trội. Việc sử dụng cốt liệu tái chế và xi măng tro bay không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn và phát triển các phương pháp xử lý cốt liệu tái chế. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng bê tông và mở rộng ứng dụng trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới đang phát triển kéo theo quá trình đô thị hóa với tốc độ vô cùng nhanh chóng, xem Hình 1. Quá trình đô thị hóa được thể hiện rõ trong ngành xây dựng, kéo theo đó là sự phát triển trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông và sự ra đời của các loại bê tông đặc biệt như bê tông cường độ siêu cao, bê tông tự lèn, bê tông chất lượng cao với hàm lượng tro bay lớn và còn rất nhiều chủng loại bê tông khác hiện đại hơn góp phần vào sự phát triển ngành xây dựng. Mặc dù vậy, quá trình này đi đôi với việc duy trì hệ sinh thái và bảo vệ môi trường, do đó cần phát triển hơn các chủng loại vật liệu mới thân thiện với môi trường. Quá trình đô thị hóa “Nguồn từ tác giả” Nhìn chung, bê tông là loại liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới, sau nước.

Theo thống kê, tổng khối lượng bê tông sử dụng trên toàn thế giới là 2 tỷ tấn vào năm 1960, sau đó tăng từ 5 đến 6 tỷ tấn vào năm 1980 và đến năm 2004, tổng khối lượng đạt 13 tỷ tấn [1]. Liên đoàn Bê tông Châu Á ước tính khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu hiện nay và sản lượng bê tông có xu hướng tăng lên trong những năm sắp tới [2]. Có thể thấy, đá đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc chế tạo bê tông, chiếm tỷ lệ nhiều nhất và đóng vai trò là bộ khung chịu lực của bê tông. Tuy nhiên, hiện nay sản lượng đá sản xuất ngày càng giảm do việc khai thác quá mức và gây nhiều tác HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.

BÙI PHƯƠNG TRINH động đến môi trường và đời sống dân cư xung quanh khu vực [3], xem Hình 1. Việc giảm sản lượng đá khai thác có thể giảm thiểu được một số tác động môi trường và đời sống xã hội. Hơn thế nữa, đây là vật liệu tự nhiên không thể tái tạo. Tuy nhiên, do nhu cầu cao về sản xuất bê tông trong lĩnh vực đã và đang kéo theo nhu cầu khai thác đá ngày càng tăng.

Khai thác đá [4] Mặt khác, chất thải rắn là một loại sản phẩm không thể tránh khỏi trong quá trình công nghiệp hóa xã hội, xem Hình 1. Đây là một kết quả của quá trình tăng trưởng kinh tế làm phát sinh lượng lớn chất thải rắn thường không được xử lý và đổ tại các bãi chôn lấp và gây ôn nhiễm môi trường đất, nước và không khí do các chất độc hại như hóa chất xây dựng, kim loại nặng,… và sự khan hiếm khu vực chôn lấp. Từ đó, để bảo vệ môi trường, việc tìm kiếm một loại vật liệu mới có tính bền vững và có thể tái sử dụng là yêu cầu rất cần thiết đối với lĩnh vực xây dựng ngày nay. Một trong những vật liệu bền vững được quan tâm hiện nay là bê tông cốt liệu tái chế.

HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. BÙI PHƯƠNG TRINH Hình 1. Chất thải rắn từ việc phá dở công trình [5] Bên cạnh đó, khoảng 16 triệu tấn tro bay, xỉ được thải ra từ các nhà máy nhiệt điện than hàng năm ở nước ta hiện nay [6]. Với lượng lớn tro và xỉ thải ra hàng năm, đòi hỏi cần lượng lớn quỹ đất làm bãi chữa, điều này lâu dài sẽ có những tác động xấu đến môi trường nếu không có phương pháp tận dụng và xử lý phù hợp [6], xem Hình 1.

Bãi chứa tro, xỉ của các nhà máy đang hoạt động ở Trung tâm nhiệt điện Vĩnh Tân thuộc huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận [7] Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên, cần nghiên cứu và tạo ra một loại bê tông mới mang tính bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Để sản xuất bê tông tiết kiệm và bền vững, các yếu tố như độ bền, các tính chất cơ học; đặc biệt là, thành phần và chức năng của bê tông cần được xem xét và thay đổi sao cho phù hợp. Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu đã kết hợp sợi polypropylene (PP) nhằm mục đích tăng cường độ chịu kéo và độ dẻo dai của bê tông. Sợi PP là một loại polymer nhiệt dẻo tơ mảnh được sản xuất bằng công nghệ kéo sợi ly tâm, pha thêm phụ gia để tăng cường HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.

BÙI PHƯƠNG TRINH độ, đồng thời được xử lý bề mặt và được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng để sản xuất bê tông cốt sợi. Trong nghiên cứu này, sử dụng sợi PP, nhằm tăng sự dẻo dai trong bê tông và cốt liệu bê tông tái chế cũng được sử dụng để thay thế đá dăm nhằm giúp tiết kiệm đá trong sản xuất bê tông. Do đó, đề xuất và nghiên cứu việc ứng dụng bê tông phân lớp chức năng (functionally graded concrete – FGC), xem Hình 1. Bê tông phân lớp chức năng 1.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới a) Bê tông cốt liệu tái chế Phế thải xây dựng được sản sinh với số lượng ngày càng tăng, gây tác động xấu đối với môi trường và mỹ quan độ thị, cần có những định hướng mới để giải quyết vấn đề này. Do đó, phương pháp tái chế các phế thải xây dựng được đề xuất trong sản xuất bê tông để phục vụ cho nhu cầu sử dụng bê tông ngày càng tăng hiện nay. Một số nghiên cứu đã thực hiện việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (recycled concrete aggregate - RCA) vào sản xuất bê tông cốt liệu tái chế (recycled aggregate concrete - RAC); kết quả cho thấy cường độ chịu nén và độ bền của bê tông giảm.

Điều này là do sự gia tăng hàm lượng RCA đã gây ảnh hưởng bất lợi đến cường độ chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, với một số trường hợp khác, khi thay thế với hàm lượng nhỏ RCA có thể làm tăng cường độ của bê tông do việc kiểm soát và phân loại tốt [8]. Do đó, có nhiều phương pháp giúp cải thiện đặc tính cơ lý của RCA mang lại hiệu quả tối ưu. Đặc biệt là cải thiện bề mặt của RCA do lớp vữa cũ bám trên bề mặt của RCA có ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ học của RCA.

Theo nghiên cứu của Mulder et al. [9], bằng cách nung RCA với nhiệt độ 700C, xem Hình 1. Kết quả cho thấy, lượng vữa cũ còn bám lại trên bề mặt RCA chỉ còn 2%. Bên cạnh đó, việc cho RCA vào nước lạnh sau khi nung giúp loại bỏ vữa cũ hiệu quả HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.

BÙI PHƯƠNG TRINH hơn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của Al–Bayati et al. [10] chỉ ra rằng, khi nung RCA với nhiệt độ cao (> 500C) làm ảnh hưởng đến cường độ của RCA do lúc này tính chất của RCA sẽ bị thay đổi. Loại bỏ vữa cũ bám trên RCA bằng phương pháp nhiệt trong nghiên cứu của Mulder et al.

[9] Trong nghiên cứu của Pepe et al. [11], lớp vữa cũ bám trên RCA được loại bỏ bằng máy nghiền thông qua việc dùng lực cơ học để loại bỏ vữa cũ hoàn toàn trên bề mặt RCA, xem Hình 1. Tuy nhiên, việc dùng lực cơ học để loại bỏ vữa cũ có thể tạo ra vết nứt và thay đổi cấu trúc bề mặt của RCA. Loại bỏ vữa cũ bằng máy nghiền trong nghiên cứu của Pepe et al.

[11] Nghiên cứu của Sui et al. [12] đã đề xuất kết hợp giữa phương pháp loại bỏ vữa cũ bằng nhiệt và cơ học. Trong nghiên cứu này, phương pháp xử lý bằng nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ trong khoảng 300 - 500C trong 30 phút; sau đó, được xử lý cơ học bằng máy nghiền trong 3 – 14 phút và cho kết quả tối ưu trong khoảng thời gian 5 phút. Phương pháp xử lý này cải thiện một phần những nhược điểm trong nghiên cứu của Mulder et al.

[9] và nghiên cứu của Pepe et al. Tuy nhiên, loại bỏ vữa cũ bám trên HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. BÙI PHƯƠNG TRINH RCA bằng phương pháp nhiệt và cơ học đồng thời cũng tạo ra các vết nứt vi mô, gây ảnh hưởng đến tính chất của bê tông sau này. Ngoài những phương pháp cải thiện tính chất của RCA bằng cách loại bỏ vữa cũ bám trên bề mặt, còn có những nghiên cứu về việc cải thiện tính chất của lớp vữa cũ nhằm cải thiện tính chất của RCA bằng vật liệu pozzolanic.

Trong cứu của Shaban et al. [13], lớp vữa cũ được cải thiện bằng cách ngâm RCA trong các huyền phù pozzolanic khác nhau (tro bay, silica fume và nano – silica fume) với các hàm lượng và thời gian ngâm khác nhau. Các tính chất cơ lý và độ nén dập của RCA có mối quan hệ chặt chẽ với độ hút nước và độ rỗng. Cụ thể, tỷ lệ hỗn hợp của các loại vật liệu pozzolanic được trình bày ở Bảng 1.

Quy trình xử lý được minh họa ở Hình 1. Tỷ lệ vật liệu pozzolanic trong huyền phù trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] Chất kết dính (%) RCA Nước Tỷ lệ Hỗn hợp FA SF C NSF (kg) (lít) CKD/Nước 20%FA&SF 100 100 – – 2:20 20%FA&SF 200 200 – – 1000 2000 4:20 20%FA&SF 300 300 – – 6:20 20%FA&C 100 – 100 – 2:20 20%FA&C 200 – 200 – 1000 2000 4:20 20%FA&C 300 – 300 – 6:20 1%NSF 198 – 198 4 4:20 2%NSF 196 – 196 8 1000 2000 4:20 3%NSF 194 – 194 12 4:20 FA: Tro bay; SF: Silica fume; C: Xi măng; NSF: Nano – Silica fume; CKD: chất kết dính; Hình 1. Quy trình xử lý RCA bằng huyền phù trong nghiên cứu của Shaban et al.

[13] HVTH: NGUYỄN CAO HOÀNG LONG 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. BÙI PHƯƠNG TRINH Kết quả nghiên cứu cho thấy, thành phần hạt của RCA tăng lên và độ hút nước của RCA giảm, xem Hình 1.9, điều này chỉ ra rằng việc xử lý bề mặt của RCA bằng vật liệu pozzolanic có hiệu quả giúp cải thiện phần lớn vữa cũ của RCA. Đồng thời, khi xử lý RCA bằng huyền phù FA&SF ở các tỷ lệ và thời gian ngâm khác nhau giúp giảm khoảng 23% độ rỗng của RCA, xem Hình 1. Ngoài ra, với hai loại huyền phù FA&C và NSF, kết quả cho thấy sự giảm độ rỗng đáng kể với thời gian ngâm là 4 giờ.

Phản ứng pozzolanic của tro bay và xi măng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc lấp đầy lỗ rỗng, giúp làm giảm độ rỗng, từ đó giúp cải thiện bề mặt của RCA [13].