Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ sử dụng hạt polystyrene phồng nở tái chế (P2)

>> Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ sử dụng hạt polystyrene phồng nở tái chế (P1)

3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng rEPS đến khối lượng thể tích và sự phân tầng của bê tông  
Kết quả thí nghiệm về ảnh hưởng của hàm lượng rEPS đến khối lượng thể tích của bê tông được thể hiện ở Hình 6. Kết quả thí nghiệm cho thấy với mỗi tỷ lệ N/CKD xác định, khi hàm lượng rEPSsử dụng trong bê tông tăng thì khối lượng thể tích của bê tông giảm. Điều này có thể giải thích là do khối lượng thể tích của hạt rEPS là 20,8 kg/m³ nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng thể tích của đá xi măng tương ứng khoảng 2000 kg/m³, do vậy việc thay thế thể tích của đá xi măng bằng hạt rEPS sẽ làm giảm khối lượng thể tích của bê tông. Khi tỷ lệ N/CKD giảm thì khối lượng thể tích của bê tông tăng ứng với cùng thể tích hạt rEPS sử dụng. Khi tỷ lệ N/CKD = 0,3 thì khối lượng thể tích của bê tông lớn nhất đạt 1490 kg/m³, và thấp nhất đạt 1010 kg/m³. Tương tự, khi tỷ lệ N/CKD = 0,25 thì khối lượng thể tích của bê tông lớn nhất đạt 1550 kg/m³, và thấp nhất đạt 1128 kg/m³. Như vậy, vớitỷ lệ N/CKD và hàm lượng rEPS lựa chọn hoàn toàn chế tạo được bê tông với khối lượng thể tích từ1000 kg/m³ đến 1500 kg/m³.
Bê tông nhẹ sử dụng rEPS được tạo bởi các thành phần bao gồm: xi măng, nước, phụ gia và hạt cốt liệu nhẹ polystyrene tái chế. Đây là hỗn hợp không đồng nhất bao gồm các vật liệu có khối lượng thể tích khác nhau và có sự chênh lệch rất lớn, do vậy rất dễ xảy ra hiện tượng phân tầng. Hiện tượng phân tầng khiến cho cốt liệu rEPS có khối lượng thể tích nhỏ có xu hướng dịch chuyển lên trên và hồ chất kết dính nặng hơn có xu hướng dịch chuyển xuống dưới. Vì vậy hiện tượng phân tầng trong bê tông cần được hạn chế để dảm bảo độ đồng nhất các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.Trong nghiên cứu này sẽ đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng rEPS và tỷ lệ N/CKD đến sự phân tầng của bê tông. Kết quả thí nghiệm đánh giá sự phân tầng của bê tông được thể hiện ở Bảng 4. Kết quả thí nghiệm cho thấy, sự chênh lệch khối lượng thể tích giữa các mặt cắt của mẫu so với giá trị trung bình lớn nhất là 5,26% với mẫu sử dụng rEPS với hàm lượng 25% ở tỷ lệ N/CKD = 0,25. Với các hàm lượng rEPS tăng đến 50% thì sự chênh lệch về khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông đều nhỏ hơn 5%. Như vậy, có thể khẳng định không có sự phân tầng xảy ra với các cấp phối thử nghiệm khi sửdụng rEPS phế thải. Hỗn hợp bê tông đảm bảo độ đồng nhất và không xảy ra hiện tượng phân tầng có thể giải thích là do khi sử dụng các hạt cốt liệu rỗng polystyrene tái chế, các hạt sau khi được nghiền sẽ có bề mặt nhám ráp và góc cạnh, điều này sẽ làm tăng ma sát khô giữa các hạt đồng thời hạn chế sự dịch chuyển của các hạt cốt liệu lên phía trên. Bên cạnh đó, việc lựa chọn tỷ lệ N/CKD ở mức thấp hàm lượng SD phù hợp đủ đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông cũng là yếu làm tăng độ nhớt cho hồ CKD, từ đó hạn chế sự phân tầng của hỗn hợp bê tông xảy ra.

3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng rEPS đến cường độ nén của bê tông
Ảnh hưởng của hàm lượng rEPS và tỷ lệ N/CKD đến cường độ nén của bê tông được thể hiện ở Hình 7. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ứng với mỗi tỷ lệ N/CKD khi tăng hàm lượng rEPS thì cườngđộ nén của bê tông giảm. Đồng thời, ứng với mỗi hàm lượng rEPS sử dụng, khi giảm tỷ lệ N/CKD thì cường độ nén của bê tông tăng, điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Cường độ nén của bê tông lớn nhất đạt được là 21 MPa, khi tỷ lệ N/CKD = 0,25 với hàm lượng rEPS là 25%. Ngược lại, cường độ nén của bê tông nhỏ nhất đạt được là 6,3 MPa, ứng với tỷ lệ N/CKD = 0,3 và hàm lượng rEPS là 50%. Như vậy, với khối lượng thể tích của bê tông đạt 1000 kg/m3 thì cường độ nén của bê tông đạt 6,3 MPa, khi khối lượng thể tích của bê tông tăng đến 1500 kg/m³ thì cường độ nén của bê tông đạt trên 20 MPa. Kết quả nghiên cứu đạt được cho thấy, sự gia tăng hàm lượng cốt liệu rEPS sẽ dẫn đến giảm cường độ của bê tông, điều này có thể giải thích: xét về bản chất, cốt liệu rEPS chứa đến 98% là không khí, cường độ rất yếu và có tính kỵ nước, có liên kết rất kém với đá xi măng do vậy việc sử dụng rEPS làm cốt liệu trong bê tông sẽ làm giảm cường độ nén của bê tông. Bên cạnh đó, cường độ nén của bê tông sử dụng rEPS được đánh giá là tỷ lệ trực tiếp với khối lượng thể tích của bê tông, khi tăng hàm lượng rEPS tức là tăng thể tích rỗng trong bê tông, giảm khối lượng thể tích của bê tông dẫn tới cường độ nén bê tông giảm.

3.3. Độ hút nước và độ hút nước mao quản của bê tông nhẹ sử dụng rEPS tái chế   Kết quả thí nghiệm độ hút nước và độ hút nước mao quản của bê tông được thể hiện ở Hình 8 và Hình 9. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi giảm tỷ lệ N/CKD thì độ hút nước của bê tông giảm. Bên cạnh đó với mỗi tỷ lệ N/CKD, khi tăng hàm lượng rEPS thì độ hút nước của bê tông tăng. Điều này có thể giải thích, khi giảm tỷ lệ N/CKD hoặc giảm hàm lượng rEPS sẽ làm tăng khối lượng thể tích của bê tông, làm tăng hàm lượng đá xi măng, tăng độ đặc của bê tông từ đó làm giảm độ hút nước của bê tông. Khi hàm lượng rEPS tăng đến 40% theo thể tích bê tông, độ hút nước của bê tông có sự tăng đột biến, tiếp tục tăng hàm lượng rEPS đến 50% thì độ hút nước của bê tông tăng, tuy nhiên mức độ tăng giảm dần. Bê tông nhẹ sử dụng rEPS, đây là loại cốt liệu có cấu trúc rỗng xốp, kỵ nước do vậy khi sử dụngrEPS có thể ảnh hưởng đến hệ thống lỗ rỗng mao quản, tác động đến độ hút nước mao quản của bê tông. Kết quả về độ hút nước mao quản được thể hiện ở Hình 9, các kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng rEPS thì độ hút nước mao quản cuối cùng có xu hướng giảm. Với tỷ lệ N/CKD = 0,3; ở 60 phút đầu thí nghiệm, không có sự khác biệt về độ hút nước mao quản giữa các hàm lượng rEPS khác nhau, tuy nhiên tiếp tục thí nghiệm theo thời gian độ hút nước mao quản của bê tông tăng, độ hút nước mao quản giảm lớn nhất với hàm lượng rEPS là 25%. Trong khoảng 120 phút đầu thí nghiệm, tốc độ hút nước mao quản nhanh, sau đó độ hút nước tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm dần. Khi giảm tỷ lệ N/CKD thì độ hút nước mao quản giảm tuy nhiên vẫn theo quy luật tăng hàm lượng rEPS thì độ hút nước mao quản giảm. Việc sử dụng cốt liệu rEPS sẽ làm giảm độ hút nước mao quản trong bê tông, điều này có thể giải thích do các hạt cốt liệu rEPS có cấu trúc rỗng và kỵ nước, khi sử dụng rEPS trong bê tông các hạt rEPS sẽ làm mất sự liên tục của các lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng từ đó ngăn cản sự hút nước mao quản trong bê tông. 

3.4. Hệ số dẫn nhiệt của bê tông nhẹ sử dụng rEPS tái chế
 
Tính dẫn nhiệt của bê tông chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính của cốt liệu, loại và hàm lượng cốt liệu, các yếu tố khác bao gồm cả độ ẩm, tỷ trọng và nhiệt độ của bê tông. Tính dẫn nhiệt thấp là một trong những ưu điểm chính cho việc ứng dụng loại bê tông này. Trong nghiên cứu này sẽ đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng rEPS đến hệ số dẫn nhiệt của bê tông, kết quả tính toán về hệ số dẫn nhiệt của bê tông sử dụng rEPS tái chế được thể hiện ở Bảng 5 và Hình 10. Các kết quả tính toán cho thấy có sự giảm mạnh hệ số dẫn nhiệt của bê tông với sự gia tăng hàm lượng hạt rEPS. Độ dẫn nhiệt của bê tông nhẹ rEPS giảm khi bê tông nhẹ hơn, tức là khối lượng thể tích của bê tông giảm. Do đó, hệ số dẫn nhiệt của bê tông rEPS được đánh giá là tỷ lệ thuận với khối lượng thể tích của bê tông và hàm lượng hạt rEPS, kết quả này đúng với cả tỷ lệ N/CKD = 0,25 và 0,3. Kết quả tính toán hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu về ảnh hưởng của hạt rEPS nguyên sinh đến hệ số dẫn nhiệt của bê tông là khi tăng hàm lượng hạt rEPS nguyên sinh thì hệ số dẫn nhiệt của bê tông giảm [17-19].

4. Kết luận

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đạt được, một số kết luận như sau:

- Hoàn toàn có thể sử dụng cốt liệu rỗng polystyrene tái chế và vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo bê tông nhẹ thỏa mãn yêu cầu: khối lượng thể tích của bê tông đạt từ 1000 - 1500 kg/m³; cường độ nén của bê tông đạt đến 20,0 MPa.

- Khi sử dụng rEPS với hàm lượng 25%-50% theo thể tích bê tông, khối lượng thể tích của bê tông tương ứng giảm. Khối lượng thể tích của bê tông lớn nhất đạt 1550 kg/m³ ứng với tỷ lệ N/CKD= 0,25 hàm lượng rEPS là 25% và cường độ nén của bê tông lớn nhất đạt 21 MPa. Khối lượng thể tích của bê tông nhỏ nhất đạt 1010 kg/m3ứng với tỷ lệ N/CKD = 0,3, hàm lượng rEPS là 50% và cườngđộ nén của bê tông nhỏ nhất là 6,3 MPa;

- Khi sử dụng rEPS tái chế đến 50% thể tích của bê tông, khối lượng thể tích của bê tông theo chiều cao mẫu không có sự chênh lệch đáng kể, không xảy ra hiện tượng phân tầng và hỗn hợp rEPS phân bố đồng đều trong hỗn hợp bê tông.

- Khi tăng hàm lượng rEPS đồng thời tỷ lệ N/CKD tăng thì độ hút nước của bê tông tăng, độ hút nước của bê tông lớn nhất đạt 6,25% khi tỷ lệ N/CKD = 0,3 và hàm lượng rEPS là 50%. Ngược lạivới độ hút nước, độ hút nước mao quản của bê tông giảm khi tăng hàm lượng rEPS đồng thời giảm tỷlệ N/CKD. Độ hút nước mao quản nhỏ nhất là 0,84 kg/m².s^0,5 tại tỷ lệ N/CKD = 0,25 và hàm lượngrEPS là 50%.

- Hệ số dẫn nhiệt của bê tông tính toán theo ACI 213R14 cho thấy; khi tăng tỷ lệ N/CKD đồngthời tăng hàm lượng rEPS thì hệ số dẫn nhiệt của bê tông giảm. Với hỗn hợp khi sử dụng N/CKD =0,3 và 50% rEPS, hệ số dẫn nhiệt của bê tông nhỏ nhất đạt 0,3039 W/m.°C.
(Hết)

Tài liệu tham khảo

[1] Chandra, S., Berntsson, L. (2002).Lightweight Aggregate Concrete: Science, Technology and Applica-tions (Building Materials Science Series).

[2] Phong, N. H., và cs. (2019). Nghiên cứu chế tạo và đánh giá mô đun đàn hồi của bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ chế tạo từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng.Tạp chí xây dựng Việt Nam, 3-2019.

[3] Le Roy, R., Parant, E., Boulay, C. (2005). Taking into account the inclusions’ size in lightweight concretecompressive strength prediction.Cement and Concrete Research, 35(4):770–775.

[4] Thang, N. C., Duc, H. N., Nghia, H. T. (2018). Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao một số tính chất của bêtông nhẹ cốt liệu rỗng.Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 12(2):104–109.

[5] Thang, N. C., Duc, H. N. (2020). Effect of Carbon Nanotube on properties of lightweight concrete usingrecycled Expanded Polystyrene (EPS).IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOPPublishing, 869(3).

[6] Sabaa, B., Ravindrarajah, R. S. (1999). Workability assessment for polystyrene aggregate concrete.VIIQuality Control Congress, 18–21.

[7] Collins, J., Ravindrarajah, R. (1998).   Temperature development in Concrete with EPS breads.AUSTCERM 98 Melbourne Australia.

[8] Pacheco-Torgal, F., Khatib, J., Colangelo, F., Tuladhar, R. (2009).Use of recycled plastics in eco-efficientconcrete. Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering.

[9] EPA (2003).Environmental Protection Agency (USA) Plastic Wastes: Management, Control, Recyclingand Disposal.

[10] APME (2004).An Analysis of Plastics Consumption and Recovery in Western Europe 2000. Associationof Plastics Manufacturers in Europe.

[11] Polymelt (2013).Polystyrene recycling.

[12] TCVN 3115:1993.Bê tông nặng - Phương pháp xác định khối lượng thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[13] TCVN 3118:1993.Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén. Bộ Khoa học và Công nghệ,Việt Nam.

[14] TCVN 3113:1993.Bê tông nặng - Phương pháp xác định độ hút nước. Bộ Khoa học và Công nghệ, ViệtNam.

[15] ASTM C1585-2020.Standard Test Method for Measurement of Rate of Absorption of Water by Hydraulic-Cement Concretes. American Concrete Institute, Detroit.

[16] ACI 213R-14.Guide for Structural Lightweight-Aggregate Concrete. American Concrete Institute, De-troit.

[17] Sayadi, A. A., Tapia, J. V., Neitzert, T. R., Clifton, G. C. (2016). Effects of expanded polystyrene (EPS)particles on fire resistance, thermal conductivity and compressive strength of foamed concrete.Construc-tion and Building Materials, 112:716–724.

[18] Demirboˇga, R., G ̈ul, R. (2003).  Thermal conductivity and compressive strength of expanded perliteaggregate concrete with mineral admixtures.Energy and Buildings, 35(11):1155–1159.

[19] Al-Jabri, K. S., Hago, A. W., Al-Nuaimi, A. S., Al-Saidy, A. H. (2005). Concrete blocks for thermalinsulation in hot climate.Cement and Concrete Research, 35(8):1472–1479.83