Đặt vấn đề Trong lĩnh vực xây dựng hiện nay một trong những loại vật liệu xây dựng phổ biến đóng vai trò rất quan trọng trong ngành xây dựng công trình đó chính là bê tông. Bê tông là loại vật liệu xây dựng phổ biến trên thế giới và trong nước, bê tông được ứng dụng để xây dựng hầu hết các loại công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, nông nghiệp và phát triển nông thôn….Theo số liệu báo cáo tại Hội nghị quốc tế lần thứ 7 của Liên đoàn Bê tông châu Á (ACF 2018) ước tính hàng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu. Theo số liệu báo cáo tại Hội nghị thường niên của Hội Bê tông Việt Nam, năm 2019 Việt Nam sử dụng khoảng 140 triệu tấn bê tông, trong đó 50% được sản xuất tại các cơ sở sản xuất bê tông thương phẩm và 50% được sản xuất thủ công. Từ đó cho thấy vai trò rất quan trọng của bê tông trong lĩnh vực xây dựng.
Bê tông được sử dụng nhiều như thế do có các ưu điểm: rẻ tiền, sử dụng nhiều vật liệu tại chỗ, dễ tạo hình dáng theo ý muốn, có cường độ chịu nén cao, có khả năng chịu nhiệt và chịu nước cao. Tuy nhiên, bê tông cũng có một số nhược điểm là loại vật liệu giòn, có cường độ chịu kéo kém hơn nhiều so với cường độ chịu nén, khả năng chống nứt kém, trọng lượng bản thân lớn so với sức chịu tải. Để tăng cường độ chịu kéo của bê tông và tăng khả năng chống nứt của bê tông người ta thường thêm các loại cốt có khả năng chịu kéo và chống nứt vào bê tông như thép, các loại sợi vô cơ hoặc hữu cơ để tăng khả năng chịu kéo và chống nứt của bê tông. Thép gia cường cho bê tông là loại vật liệu truyền thống được sử dụng từ rất lâu có ưu điểm khả năng chịu kéo cao, hệ số dãn nở gần bằng với bê tông, khả năng dính bám với bê tông tốt.
Tuy nhiên, thép là loại vật liệu có chi phí cao, tiêu hao nhiều năng lượng, được chế tạo từ khoáng sản (tài nguyên) không tái tạo và ngày càng khan hiếm. Theo Niên giám thống kê năm 2019, Việt Nam sản xuất đạt 25,263 triệu tấn thép, tiêu thụ đạt 23,126 triệu tấn thép. Có nhiều nghiên cứu, ứng dụng sử dụng các loại vật liệu để thay thế cốt thép như các loại vật liệu tổng hợp, phi kim loại (sợi polyme, sợi thủy tinh, sợi cacbon…), 1 các loại sợi hữu cơ hay các loại sợi có nguồn gốc tự nhiên. Sợi tự nhiên là nguồn vật liệu tái tạo sẵn có, thân thiện với môi trường có khả năng gia cường làm tăng cường độ chịu kéo và khả năng chống nứt cho bê tông.
Tiềm năng về sợi tự nhiên khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long Đồng bằng Sông Cửu Long là vùng kinh tế trọng điểm của cả nước trong đó kinh tế nông nghiệp đóng vai trò quan trọng của sự phát triển của vùng [1]. Hằng năm, các loại phụ phẩm trong sản xuất nông nghiệp khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long chưa được sử dụng một cách hiệu quả và bền vững như rơm rạ trong sản xuất lúa, xơ dừa trong việc sản xuất các sản phẩm ngành dừa hay các loại thực vật hoang dại có giá trị kinh tế không cao như lục bình (bèo tây) gây ảnh hưởng không tốt đến việc sản xuất nông nghiệp và môi trường. Cây dừa (Hình 1.1) là loại cây trồng lâu năm được trồng phổ biến ở Đồng bằng Sông Cửu Long. Theo Võ Thị Thanh Lộc [2] cả nước có khoảng 200.000ha diện tích trồng dừa, trong đó tỉnh Bến Tre chiếm khoảng 25% diện tích, kế đến là ở Trà Vinh [3] đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc phát triển ngành tơ (sợi) xơ dừa.
Theo nguồn Bách khoa toàn thư mở Wikipedia: Xơ dừa là phần của vỏ trái dừa được xé ra. Loại sản phẩm này sử dụng rộng rãi trong các ngành thủ công mỹ nghệ hoặc dùng để phủ lên gốc của những cây trồng, giá thể (để trồng rau). Ngoài ra người ta còn phát hiện ra rằng xơ dừa có thể được dùng để xử lý nước thải rất tốt. Sợi xơ dừa (chỉ xơ dừa hay còn gọi là tơ xơ dừa) được sản xuất từ xơ dừa thông qua máy đánh tơi hay còn gọi là máy dập để lấy phần sợi (Hình 1.a), phần bột xơ dừa hay còn gọi là mụn dừa (Hình 1.b) được gom lại chủ yếu làm phân bón cho cây trồng.
a) Cây dừa b) Xơ dừa c) Trái dừa Hình 1.1: Hình ảnh cây dừa 2 a) Sợi xơ dừa b) Mụn dừa Hình 1.2: Các sản phẩm liên quan đến xơ dừa Rơm hay còn gọi là rạ (Hình 1.a) là sản phẩm sau khi thu hoạch từ cây lúa (Hình 1.b), theo Niên giám thống kê năm 2019, cả nước có hơn 7,4 triệu ha diện tích trồng lúa, trong đó Đồng bằng Sông Cửu Long chiếm hơn 50% với hơn 4,0 triệu ha và sản lượng lúa năm 2019 ở Đồng bằng Sông Cửu Long đạt hơn 24 triệu tấn. Theo Trần Sỹ Nam [4], tỷ lệ rơm rạ : lúa khoảng xấp xỉ 1,0, cho ta thấy hàng năm có khoảng 24 triệu tấn rơm được thu hoạch. Tuy nhiên xu hướng xử dụng rơm của người dân trên 50% là đố bỏ, còn lại là làm phân bón, bán hoặc chăn nuôi. Từ các dẫn chứng trên cho thấy, lượng rơm rạ phát sinh ở ĐBSCL hằng năm là rất lớn trong khi lượng rơm rạ này hầu hết đều bị đốt bỏ.
Việc này gây lãng phí nguồn sinh khối dồi dào từ nông nghiệp và phát thải một lượng lớn khí CO2, CO, NOx vào bầu khí quyển. Việc nghiên cứu các biện pháp tận dụng nguồn rơm rạ sau thu hoạch nhằm hạn chế việc đốt rơm gây lãng phí nguồn tài nguyên sinh khối và ô nhiễm môi trường. a) Sợi rơm b) Cây lúa a) Rơm b) Cây lúa Hình 1.3: Hình ảnh về sợi rơm, rạ 3 Cây lục bình (bèo tây) có nguồn gốc bản địa từ Nam Mỹ và được du nhập vào Việt Nam vào những năm 1905. Bèo tây vốn sinh sản rất nhanh, đặc biệt ở những vùng sông nước.
Do đó, sau khi vào nước ta, cây phát triển ở khắp mọi nơi, đặc biệt là vùng sông nước Đồng bằng Sông Cửu Long. Cây lục bình (Hình 1.4) là loại thực vật thủy sinh, thân thảo, sống nổi ở nước hoặc những nơi ẩm ướt. Cây mọc cao khoảng 30 cm. Lá cây có màu xanh lục, hình tròn, bề mặt nhẵn.
Gân lá có hình cung dài, hẹp. Lá thường cuốn vào nhau như những cánh hoa, cuống lá nở phình như bong bóng xốp ruột. Trước đây, lục bình sinh sản nhiều gây cản trở lưu thông thủy, gây ô nhiễm nguồn nước làm hạn chế sự phát triển của cá. Hiện nay, lục bình chủ yếu để phơi khô để làm đồ thủ công mỹ nghệ.
Ngoài ra, có một số nghiên cứu sử dụng lục bình để làm nguyên liệu nạp bổ sung cho hầm ủ bioga [5]. a) Cây lục bình tươi b) Lục bình phơi khô Hình 1.4: Cây lục bình 1. Giới thiệu về đề tài Từ những đặc điểm, ưu điểm cũng như nhược điểm của bê tông truyền thống, nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới đã không ngừng nghiên cứu nhằm cải thiện các đặc tính của bê tông theo từng mục đích cụ thể. Ngoài việc nghiên cứu các công nghệ thi công hiện đại thì việc nghiên cứu các thành phần cấp phối bê tông luôn được các nhà khoa học nghiên cứu sâu để phục vụ cho từng loại công trình.
Thành phần chủ yếu của bê tông truyền thống là cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết dính. Nguyên lý hình thành cường độ của bê tông là chất kết dính bao bọc 4 cốt liệu nhỏ, cốt liệu nhỏ chèn vào độ rỗng giữa các cốt liệu lớn hơn. Do đó bê tông thường xuất hiện các vết nứt giữa các hạt cốt liệu. Giải pháp để tăng khả năng chống nứt của bê tông là tăng cường các loại sợi vào thành phần của bê tông.
Vấn đề đặt ra là sử dụng loại sợi vừa cải thiện được các tính chất của bê tông truyền thống vừa thân thiện với môi trường, có khả năng tái tạo và ít ảnh hưởng đến tài nguyên khoáng sản. Sợi hữu cơ là một loại sợi đáp ứng được các yêu cầu đó như có khả năng chịu kéo tốt, thân thiện với môi trường, có thể tái tạo theo nhu cầu của con người. Có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng sợi hữu cơ để cải thiện một số tính chất của bê tông như sợi tre, xơ dừa, sợi đai, sợi gai dầu, sợi nấm…. đã đạt được những kết quả khả quan nhưng vẫn còn những hạn chế nhất định nên các nghiên cứu vẫn được tiếp tục tiến hành để giải quyết những hạn chế ấy.
Sau khi nghiên cứu các kết quả đạt được trước đây, kết hợp với tiềm năng về sợi tự nhiên Đồng bằng Sông Cửu Long, học viên đề xuất bước đầu sử dụng loại sợi tự nhiên là sợi xơ dừa, xợi rơm và xợi lục bình để làm luận văn tốt nghiệp với tên đề tàì là: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG SỢI TỰ NHIÊN KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 1. Nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu nước ngoài C.Bey và các cộng sự [6] đã nghiên cứu về sợi lanh như sau: Sợi lanh, có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo là một thay thế thú vị cho sợi khoáng sản. Chi phí thấp cùng với mật độ thấp, độ cứng đặc biệt cao và khả năng tái chế tạo thành các ưu đãi lớn cho việc sử dụng chúng trong vật liệu tổng hợp.
Sợi lanh trong tự nhiên có khả năng chịu kéo tăng theo độ ẩm và giảm theo nhiệt độ, trong khi mô đun đàn hồi giảm khi nước được hấp thụ. Các ảnh hưởng của độ ẩm là đáng chú ý nhất trên độ giãn dài. Cấu trúc sợi lanh được lắp ráp thành bó 10 - 40 sợi được duy trì cùng nhau bởi thớ (Hình 1. Một đặc điểm chung của sợi tự nhiên là không đồng nhất về kích thước hình học.
Sợi lanh thể hiện một đa giác hình dạng với 5 mặt 7 như được phác họa (Hình 1.b) và hiển thị trên hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (Hình 1. Quan sát theo chiều dọc của một sợi cho thấy kích thước ngang không liên tục. Các sợi dày 5 hơn gần gốc và mỏng hơn gần đầu. Trung bình, một sợi có chiều rộng 19μm và chiều dài 33mm.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý kích thước hình học bị phân tán. Các kích thước ngang trong phạm vi 5 - 76μm và dọc nằm trong khoảng 4–77 mm.5: Các hình ảnh về sợi lanh Trên cơ sở phân tích các thí nghiệm kéo sợi lanh, C.