Tổng quan nghiên cứu

Bê tông bọt (BTB) là vật liệu xây dựng nhẹ với khối lượng thể tích (KLTT) chỉ bằng khoảng 39-43% so với bê tông truyền thống, có khả năng cách nhiệt, cách âm và chống cháy tốt. Tại Việt Nam, đặc biệt ở Thanh Hóa, lượng tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn (XLCNM) thải ra từ các nhà máy nhiệt điện và luyện gang lên đến hàng trăm tấn mỗi ngày, gây áp lực lớn về xử lý môi trường. Việc sử dụng các phế thải công nghiệp này trong sản xuất BTB không chỉ giảm chi phí nguyên liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, BTB thường có cường độ chịu lực thấp, hạn chế ứng dụng trong các công trình đòi hỏi tính chịu lực cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi Polypropylene (PP) trong thành phần cấp phối BTB sử dụng 40% tro bay hoặc XLCNM thay thế xi măng nhằm nâng cao các đặc tính cơ lý như cường độ chịu uốn, chịu nén và đồng thời giữ được khối lượng thể tích nhẹ. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Hồng Đức, Thanh Hóa, với các mẫu BTB có hàm lượng sợi PP thay thế chất kết dính lần lượt là 0%, 0,3%, 0,6% và 1%. Mục tiêu là đề xuất cấp phối hợp lý để sản xuất BTB có khả năng chịu lực tốt, phù hợp với tiêu chuẩn xây dựng hiện hành, đồng thời tận dụng hiệu quả nguồn phế thải công nghiệp tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về vật liệu composite và bê tông nhẹ, trong đó:

  • Lý thuyết bê tông bọt: BTB là hỗn hợp bê tông chứa bọt khí chiếm đến 75% thể tích, giúp giảm trọng lượng nhưng ảnh hưởng đến cường độ cơ học. BTB được phân loại theo KLTT, từ loại nhẹ (256-610 kg/m³) đến chịu lực (1360-1920 kg/m³).

  • Lý thuyết sử dụng phế thải công nghiệp trong bê tông: Tro bay và XLCNM có tính hoạt tính cao, có thể thay thế một phần xi măng, giảm phát thải CO₂ và chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện một số tính chất bê tông như độ bền và khả năng chống thấm.

  • Lý thuyết về sợi Polypropylene trong bê tông: Sợi PP có độ bền kéo cao (310-760 MPa), khả năng chống thấm nước và chịu nhiệt tốt, giúp tăng cường tính chịu uốn, giảm nứt và cải thiện độ dẻo dai của bê tông nhẹ.

Các khái niệm chính bao gồm: khối lượng thể tích, cường độ chịu uốn, cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu âm (VTTXSA), độ hút nước, độ truyền nhiệt và cấu trúc vi mô (quan sát SEM).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thực nghiệm gồm xi măng PCB40, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1, XLCNM từ nhà máy thép Hòa Phát, sợi PP, cát mịn và chất tạo bọt. Các mẫu BTB được thiết kế với tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) lần lượt là 0,23 (nhóm A sử dụng tro bay) và 0,25 (nhóm B sử dụng XLCNM), với hàm lượng sợi PP thay thế chất kết dính là 0%, 0,3%, 0,6% và 1%.

  • Phương pháp phân tích: Các mẫu BTB được chế tạo theo phương pháp thể tích tuyệt đối, trộn đều các thành phần, tạo bọt và đổ vào khuôn. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật gồm: khối lượng thể tích ướt và khô, cường độ chịu uốn, cường độ chịu nén, độ hút nước, vận tốc truyền xung siêu âm, độ truyền nhiệt và quan sát cấu trúc vi mô bằng SEM.

  • Timeline nghiên cứu: Mẫu được bảo dưỡng và thử nghiệm ở các ngày tuổi 7, 14 và 28 để đánh giá sự phát triển các đặc tính cơ lý theo thời gian.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi tổ hợp mẫu gồm 3 mẫu thử để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khối lượng thể tích: KLTT ướt của nhóm A (sử dụng tro bay) là 1141 kg/m³, nhóm B (sử dụng XLCNM) là 1209 kg/m³. KLTT khô dao động từ 988-1012 kg/m³ (nhóm A) và 1009-1070 kg/m³ (nhóm B), thấp hơn bê tông thường khoảng 57-61%. Hàm lượng sợi PP thay đổi không ảnh hưởng đáng kể đến KLTT do khối lượng riêng sợi PP thấp (0,91 t/m³).

  2. Cường độ chịu uốn: Tăng rõ rệt theo hàm lượng sợi PP và thời gian bảo dưỡng. Ở 28 ngày, nhóm A tăng từ 10% đến 64%, nhóm B tăng từ 7,3% đến 56,4% so với mẫu không có sợi PP. Cường độ chịu uốn cao nhất ở hàm lượng sợi PP 1%.

  3. Cường độ chịu nén: Tăng tối đa khi hàm lượng sợi PP là 0,3% (nhóm A tăng 12,7%, nhóm B tăng 13,7% so với mẫu đối chứng), sau đó giảm nhẹ khi tăng hàm lượng sợi PP lên 0,6% và 1%, nhưng vẫn cao hơn mẫu không sử dụng sợi PP.

  4. Độ hút nước: Nhóm A có độ hút nước từ 12,7% đến 13,07%, nhóm B từ 10,6% đến 10,76%. Độ hút nước không thay đổi đáng kể khi thay đổi hàm lượng sợi PP, do sợi PP không thấm nước.

  5. Vận tốc truyền xung siêu âm (VTTXSA): Giá trị VTTXSA của các mẫu đều trên 2630 m/s, chứng tỏ chất lượng bê tông tốt. Nhóm A đạt giá trị cao nhất ở hàm lượng sợi PP 0,6%, nhóm B không sử dụng sợi PP có giá trị cao nhất. Sự thay đổi hàm lượng sợi PP không ảnh hưởng lớn đến VTTXSA.

  6. Độ truyền nhiệt: Giá trị độ truyền nhiệt của nhóm A khoảng 0,374 W/m.K, nhóm B khoảng 0,365 W/m.K, không thay đổi đáng kể khi tăng hàm lượng sợi PP, phản ánh khả năng cách nhiệt ổn định của BTB.

  7. Quan sát SEM: Hình ảnh vi cấu trúc cho thấy sợi PP liên kết các hạt bọt khí, tăng cường độ bền và giảm vết nứt. Tuy nhiên, hàm lượng sợi PP 1% gây khó khăn trong tạo mẫu và xuất hiện vết nứt nhỏ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc bổ sung sợi PP vào BTB giúp tăng cường độ chịu uốn và chịu nén, đặc biệt với hàm lượng 0,3% đến 0,6%. Sợi PP hoạt động như cốt thép vi mô, cải thiện liên kết giữa các hạt vật liệu và giảm hiện tượng nứt do co ngót hoặc tải trọng uốn. KLTT không bị ảnh hưởng nhiều do khối lượng riêng sợi PP thấp và hàm lượng sử dụng nhỏ.

So với các nghiên cứu trước, kết quả này phù hợp với nhận định rằng sợi PP tăng khả năng chịu kéo và chịu uốn của bê tông nhẹ mà không làm giảm đáng kể cường độ chịu nén. Việc sử dụng tro bay và XLCNM thay thế xi măng cũng góp phần giảm phát thải CO₂ và tận dụng phế thải công nghiệp hiệu quả.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng sợi PP và cường độ chịu uốn, chịu nén, cũng như KLTT và VTTXSA, giúp minh họa rõ ràng xu hướng tăng giảm của các chỉ tiêu theo hàm lượng sợi PP. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cung cấp số liệu cụ thể cho từng mẫu theo ngày tuổi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hàm lượng sợi PP 0,3% trong sản xuất BTB nhằm tối ưu hóa cường độ chịu nén và chịu uốn, đảm bảo chất lượng công trình và tiết kiệm chi phí nguyên liệu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu thi công.

  2. Sử dụng tro bay và XLCNM thay thế 40% xi măng trong cấp phối BTB để giảm phát thải CO₂ và tận dụng phế thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường. Khuyến nghị áp dụng trong các nhà máy sản xuất bê tông và các dự án xây dựng quy mô lớn.

  3. Nâng cao công tác kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào và quy trình trộn để đảm bảo sự đồng nhất và chất lượng BTB, đặc biệt khi sử dụng hàm lượng sợi PP cao (không vượt quá 1%) để tránh hiện tượng nứt mẫu. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình sản xuất.

  4. Phát triển nghiên cứu ứng dụng BTB có sợi PP trong các công trình thực tế như tường ngăn, sàn nhẹ, công trình cách âm, cách nhiệt nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp thiết kế cấp phối BTB sử dụng sợi PP và phế thải công nghiệp, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để cải tiến sản phẩm BTB, nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm thân thiện môi trường.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu nhẹ, tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả thi công các công trình hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn về sử dụng vật liệu tái chế và vật liệu nhẹ trong xây dựng, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sợi Polypropylene có ảnh hưởng như thế nào đến cường độ bê tông bọt?
    Sợi PP tăng cường độ chịu uốn và chịu kéo của BTB, giúp giảm nứt và tăng độ dẻo dai. Cường độ chịu nén tăng tối đa ở hàm lượng 0,3%, sau đó giảm nhẹ nhưng vẫn cao hơn mẫu không có sợi PP.

  2. Tại sao sử dụng tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn trong BTB?
    Hai loại phế thải này có tính hoạt tính cao, giúp thay thế một phần xi măng, giảm chi phí và phát thải CO₂, đồng thời cải thiện một số tính chất cơ lý của BTB như độ bền và khả năng chống thấm.

  3. Hàm lượng sợi PP tối ưu trong BTB là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng 0,3% sợi PP thay thế chất kết dính là tối ưu để đạt cường độ chịu nén và chịu uốn tốt nhất, đồng thời đảm bảo tính thi công thuận lợi.

  4. BTB có khối lượng thể tích như thế nào so với bê tông truyền thống?
    KLTT khô của BTB dao động từ 988 đến 1070 kg/m³, chỉ bằng khoảng 39-43% so với bê tông truyền thống, giúp giảm tải trọng công trình và tiết kiệm vật liệu.

  5. Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTB có đáp ứng tiêu chuẩn xây dựng không?
    BTB nghiên cứu đạt cấp độ bền B7,5 theo TCVN 9029-2017, phù hợp với các ứng dụng trong xây dựng nhẹ, tường ngăn và các cấu kiện không chịu tải trọng lớn.

Kết luận

  • Nghiên cứu thành công thiết kế cấp phối BTB sử dụng 40% tro bay hoặc XLCNM thay thế xi măng kết hợp với sợi PP hàm lượng 0-1%, đánh giá đầy đủ các đặc tính cơ lý và vật lý của BTB.
  • Hàm lượng sợi PP 0,3% là mức tối ưu giúp tăng cường độ chịu nén và chịu uốn, đồng thời giữ được khối lượng thể tích nhẹ và các tính chất cách nhiệt, cách âm.
  • BTB có KLTT thấp hơn bê tông truyền thống khoảng 57-61%, phù hợp cho các công trình nhẹ và thân thiện môi trường.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần tận dụng hiệu quả phế thải công nghiệp, giảm chi phí và phát thải trong ngành xây dựng.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trong sản xuất và thi công BTB tại các dự án xây dựng hiện đại, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng thực tế.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và nhà thầu nên thử nghiệm cấp phối BTB theo đề xuất để đánh giá hiệu quả thực tế, đồng thời các cơ quan quản lý cần xem xét cập nhật tiêu chuẩn vật liệu xây dựng phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu tái chế và nhẹ.