Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội nhanh chóng, đặc biệt tại các đô thị như tỉnh Trà Vinh, vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải y tế, trong đó có phế phẩm thủy tinh, ngày càng trở nên nghiêm trọng. Theo ước tính, chỉ khoảng 10% lượng rác thải y tế được xử lý triệt để, còn lại chủ yếu được chôn lấp hoặc tái chế một phần không hiệu quả. Việc tận dụng phế phẩm thủy tinh làm cốt liệu cho vữa xi măng Portland nhằm thay thế cát tự nhiên không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát tính khả thi và xác định hàm lượng thủy tinh tối ưu có thể thay thế cát trong vữa xi măng Portland, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của thủy tinh đến các tính chất cơ học của vữa như cường độ chịu nén và chịu uốn. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với các mẫu thử được bảo dưỡng và thí nghiệm trong khoảng thời gian từ 7 đến 90 ngày. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường, đồng thời mở ra hướng ứng dụng mới cho phế phẩm thủy tinh trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cấp phối vật liệu xây dựng: Xác định tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và cốt liệu thủy tinh để đảm bảo tính đồng nhất và các đặc tính cơ học của vữa.
  • Lý thuyết gia cố vật liệu: Phân tích ảnh hưởng của việc bổ sung thủy tinh làm cốt liệu nhỏ đến khả năng chịu lực và độ bền của vữa xi măng Portland.
  • Khái niệm về vật liệu vữa xi măng Portland: Bao gồm thành phần, cấu trúc, tính chất cơ học như cường độ chịu nén, chịu uốn, và các yếu tố ảnh hưởng như tỷ lệ nước/xi măng, chất lượng cốt liệu.
  • Tính chất hóa lý và cơ học của thủy tinh: Thủy tinh là vật liệu vô định hình, có độ cứng từ 5-7 theo thang Mohs, độ bền nén dao động từ 3000 đến 12000 kg/cm², khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt, phù hợp làm cốt liệu thay thế cát.
  • Tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN 3121-2003: Áp dụng để xác định cường độ chịu nén và chịu uốn của mẫu vữa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng phế phẩm thủy tinh thu gom từ rác thải y tế, được làm sạch và nghiền nhỏ kích thước hạt 0.14 mm. Cát sông tự nhiên được dùng làm cốt liệu đối chứng.
  • Thiết kế thí nghiệm: Thực hiện phối trộn vữa với các tỷ lệ thay thế cát bằng thủy tinh lần lượt là 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. Mẫu vữa được đúc thành khối hình lập phương cạnh 7.07 cm và dầm kích thước 40x40x160 mm.
  • Bảo dưỡng mẫu: Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm tại các thời điểm 7, 14, 21, 28 và 90 ngày để đánh giá sự phát triển cường độ.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích thống kê để so sánh cường độ chịu nén và chịu uốn giữa các mẫu vữa thủy tinh và vữa truyền thống. Phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ thủy tinh đến các chỉ tiêu cơ học.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi tỷ lệ phối trộn được thử nghiệm với ít nhất 3 mẫu để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thí nghiệm phối trộn, bảo dưỡng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ thủy tinh đến cường độ chịu nén: Mẫu vữa có tỷ lệ thủy tinh thay thế cát từ 20% đến 40% cho thấy cường độ chịu nén tăng lên đáng kể, đạt từ 7.5 MPa đến 9.2 MPa sau 28 ngày, cao hơn khoảng 15-20% so với vữa truyền thống (khoảng 6.5 MPa). Khi tỷ lệ thủy tinh vượt quá 60%, cường độ giảm nhẹ do ảnh hưởng của tính chất giòn của thủy tinh.
  2. Cường độ chịu uốn: Tương tự, cường độ chịu uốn của vữa thủy tinh tăng từ 2.1 MPa đến 2.8 MPa ở tỷ lệ thủy tinh 20-40%, cao hơn 10-18% so với mẫu chuẩn (khoảng 2.0 MPa). Điều này cho thấy thủy tinh góp phần cải thiện khả năng chịu kéo của vữa.
  3. Độ co ngót của vữa: Hàm lượng thủy tinh cao hơn 60% làm tăng độ co ngót của vữa, có thể ảnh hưởng đến tính ổn định kích thước và độ bền lâu dài.
  4. Tiêu chuẩn kỹ thuật: Các mẫu vữa với tỷ lệ thủy tinh từ 20% đến 40% đều đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 3121-2003 về cường độ và độ bền, phù hợp sử dụng trong các công trình xây dựng thông thường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng phế phẩm thủy tinh làm cốt liệu nhỏ trong vữa xi măng Portland là khả thi và có thể cải thiện một số tính chất cơ học của vữa. Nguyên nhân chính là thủy tinh có độ cứng và khả năng chịu lực cao, đồng thời có tính chất chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt, giúp tăng cường độ bền cho vữa. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với xu hướng sử dụng vật liệu tái chế nhằm giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và ô nhiễm môi trường. Việc tăng cường sử dụng thủy tinh còn giúp giảm chi phí vận chuyển và xử lý phế thải, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng. Tuy nhiên, khi tỷ lệ thủy tinh quá cao, tính giòn và độ co ngót tăng lên có thể làm giảm độ bền lâu dài, do đó cần kiểm soát hàm lượng phù hợp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ chịu nén và chịu uốn theo tỷ lệ thủy tinh, cũng như bảng thống kê độ co ngót và các chỉ tiêu kỹ thuật khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng thủy tinh làm cốt liệu thay thế cát trong tỷ lệ 20-40% nhằm tối ưu hóa cường độ và độ bền của vữa xi măng Portland, đồng thời giảm khai thác cát tự nhiên. Thời gian áp dụng: 1-2 năm; chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng và cơ quan quản lý xây dựng.
  2. Phát triển quy trình xử lý và nghiền phế phẩm thủy tinh đạt chuẩn kích thước hạt 0.14 mm để đảm bảo chất lượng cốt liệu và tính đồng nhất của vữa. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: các nhà máy tái chế và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.
  3. Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật về sử dụng thủy tinh làm cốt liệu trong vữa xi măng, bao gồm kiểm soát thành phần hóa học và tính chất vật lý của thủy tinh. Thời gian: 1 năm; chủ thể: Bộ Xây dựng, Bộ Khoa học và Công nghệ.
  4. Mở rộng nghiên cứu và thí nghiệm hiện trường để đánh giá hiệu quả và độ bền lâu dài của vữa thủy tinh trong các điều kiện môi trường thực tế, từ đó hoàn thiện quy trình ứng dụng. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xây dựng.
  5. Tuyên truyền, đào tạo và nâng cao nhận thức về lợi ích của việc sử dụng phế phẩm thủy tinh trong xây dựng nhằm thúc đẩy áp dụng rộng rãi và góp phần bảo vệ môi trường. Thời gian: liên tục; chủ thể: các tổ chức giáo dục, cơ quan quản lý và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu mới, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn liên quan.
  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và tái chế phế liệu: Tham khảo để ứng dụng công nghệ phối trộn vữa thủy tinh, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.
  3. Cơ quan quản lý xây dựng và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng vật liệu thân thiện môi trường.
  4. Các nhà thầu và kỹ sư thi công công trình xây dựng: Áp dụng vật liệu vữa thủy tinh trong thực tế nhằm tăng cường độ bền, giảm chi phí và đáp ứng yêu cầu bền vững của công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phế phẩm thủy tinh có thể thay thế bao nhiêu phần trăm cát trong vữa xi măng?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thay thế tối ưu là từ 20% đến 40%, giúp tăng cường độ chịu nén và chịu uốn của vữa mà không làm giảm tính ổn định lâu dài.

  2. Việc sử dụng thủy tinh làm cốt liệu có ảnh hưởng đến độ co ngót của vữa không?
    Có, khi tỷ lệ thủy tinh vượt quá 60%, độ co ngót tăng lên, có thể ảnh hưởng đến độ bền và ổn định kích thước của vữa.

  3. Thủy tinh có những ưu điểm gì khi dùng làm cốt liệu trong xây dựng?
    Thủy tinh có độ cứng cao, khả năng chịu lực tốt, chống ăn mòn, chịu nhiệt và có thể tái chế, giúp giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên.

  4. Quy trình xử lý phế phẩm thủy tinh trước khi sử dụng như thế nào?
    Phế phẩm thủy tinh được thu gom, làm sạch, nghiền nhỏ đến kích thước hạt khoảng 0.14 mm để đảm bảo tính đồng nhất và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của vữa.

  5. Có tiêu chuẩn kỹ thuật nào quy định việc sử dụng thủy tinh làm cốt liệu không?
    Hiện tại chưa có tiêu chuẩn chính thức, do đó cần xây dựng và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi ứng dụng vật liệu này.

Kết luận

  • Việc sử dụng phế phẩm thủy tinh làm cốt liệu nhỏ trong vữa xi măng Portland là khả thi và có thể thay thế từ 20% đến 40% cát tự nhiên mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu cơ học.
  • Vữa thủy tinh có cường độ chịu nén và chịu uốn tăng từ 10-20% so với vữa truyền thống, đồng thời có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt.
  • Hàm lượng thủy tinh quá cao có thể làm tăng độ co ngót và giảm tính ổn định của vữa, cần kiểm soát tỷ lệ phù hợp.
  • Nghiên cứu góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải thủy tinh và tiết kiệm tài nguyên cát, hướng tới phát triển vật liệu xây dựng bền vững.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, mở rộng nghiên cứu hiện trường và thúc đẩy ứng dụng thực tế trong ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thí nghiệm hiện trường, đồng thời đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi vật liệu vữa thủy tinh trong xây dựng.