Kết quả nghiên cứu được thực hiện trên 08 cấp phối với các tỷ lệ N/CKD là 0,25 và 0,30; hàm lượng cốt liệu nhẹ sử dụng 25%, 30%, 40% và 50% theo thể tích của bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng cốt liệu nhẹ tăng thì khối lượng thể tích giảm. Tuy nhiên, độ hút nước mao quản và cường độ nén của bê tông có xu hướng giảm. Kết quả đánh giá hệ số dẫn nhiệt của bê tông theo công thức thực nghiệm của ACI213R14 cho thấy hệ số dẫn nhiệt của bê tông giảm khi tăng hàm lượng cốt liệu nhẹ.

1. Giới thiệu

Trong hơn năm thập kỷ trở lại đây, bê tông nặng đã được sử dụng khá hiệu quả trong các công trình xây dựng, mặc dù có rất nhiều ưu điểm nhưng bê tông vẫn tồn tại những nhược điểm là nặng, giòn và trong một số trường hợp thì khả năng cách nhiệt không cao. Trước nhu cầu thực tế với rất nhiều kết cấu yêu cầu khả năng cách nhiệt cách âm tốt, kết cấu nhẹ và không yêu cầu quá cao về cườngđộ,trên cơ sở đó đã có các nghiên cứu về bê tông nhẹ (Lightweight Concrete-LWC) được quan tâm. Về nguyên tắc để giảm tỷ trọng của bê tông bằng cách tạo khoảng trống (lỗ rỗng) trong cấu trúc vữa, trong bản thân hạt cốt liệu, giữa các hạt cốt liệu lớn... Tuy nhiên, khi lỗ rỗng trong bê tông nhiều thì khối lượng của bê tông giảm khi đó kéo theo cường độ nén của bê tông giảm theo.
 

Hình 1.  Xốp thải và hạt cốt liệu nhẹ sau khi được tái chế.
 

Khi so sánh với bê tông thông thường, bê tông nhẹ (Lightweight Concrete-LWC) cho thấy một số đặc tính nổi bật như khối lượng thể tích thấp hơn, đặc tính cách âm, cách nhiệt tốt hơn và sự hấp thụ năng lượng lớn hơn có thể thu được bằng cách thay thế toàn bộ hoặc một phần cốt liệu nặng bằng cốt liệu nhẹ (Lightweight Aggregate-LWA) [1, 2]. Hiện nay, một trong những loại bê tông nhẹ được sử dụng phổ biến là bê tông khí hoặc bê tông bọt và bê tông nhẹ cốt liệu rỗng polystyrene. Với bê tông nhẹ cốt liệu rỗng Polystyrene (EPS-C), đây là một loại bê tông nhẹ được sản xuất theo công nghệ Pháp, từ hỗn hợp các loại vật liệu khác nhau như: xi măng, phụ gia khoáng, cốt liệu nhẹ Polystyrene (hạt EPS - Expanded Polystyrene Beads), nước và phụ gia hóa học. Hạt EPS (hay hạt nhựa nhiệt dẻo phồng nở) là hạt tạo rỗng, hình cầu, không thấm nước, không độc hại, khối lượng thể tích hạt rất thấp chỉ đến khoảng 8 đến 20 kg/m³, được sản xuất dễ dàng với nhiều nhóm kích thước hạt khác nhau nên khi đưa hạt EPS vào hỗn hợp bê tông dẻo dính có lượng nước nhào trộn thấp thì việc tạo hình không gặp khó khăn, cho phép đưa hạt EPS vào với hàm lượng lớn. Việc sử dụng các hạt polystyrene phồng nở sẽ làm giảm khối lượng thể tích, tăng khả năng cách âm, cách nhiệt cho bê tông. Hỗn hợp bê tông nhẹ EPS-C bao gồm hệ thống cấu trúc lỗ rỗng lớn được tạo ra từ độ rỗng xốp của các hạt polystyrene phồng nở, cấu trúc lỗ rỗng bé được tạo nên từ các lỗ rỗng gel và hệ thống mao quản nằm trong phần vách ngăn nằm giữa các lỗ rỗng lớn. Việc sử dụng hạt Polystyrene phồng nở sẽ có điểm rất lớn trong việc giảm trọng lượng của bê tông nhẹ.Tuy nhiên, do Polystyrene phồng nở (EPS) là một loại cốt liệu nhẹ với trọng lượng chỉ 8 - 20 kg/m³. Do trọng lượng EPS rất nhẹ nên các hạt EPS có xu hướng dễ phân tầng trong quá trình tạo hình. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm này [3–5] đã sử dụng phụ gia siêu dẻo kết hợp với sợi phân tán để tránh sự phân tầng của hạt EPS, ngoài ra để cải thiện cường độ của bê tông EPS-C. Với các ưu điểm đạt được EPS-C đã được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều, các nghiên cứu của Sabaa [6] về ảnh hưởng của tính công tác đến một số tính chất củaEPS-C như khố ilượng thể tích, cường độ. Các kết quả cho thấy khi tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng thì cường độ bê tông được cải thiện so với hỗn hợp bê tông có tính công tác thấp. Ngoài ra, các nghiên cứu của [4, 5, 7] về ảnh hưởng của nano carbon và khối lượng thể tích của EPS-C đến tính chất của bê tông cho thấy, nano carbon cũng như khối lượng thể tích của EPS-C ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông, đồng thời mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này đến cường độ nén lớn hơn so với cường độ uốn và mô đun đàn hồi. Tuy nhiên, trong bê tông EPS-C sử dụng lượng xốp lớn, vật liệu này chiếm tỷ trọng lớn về giá thành trong bê tông. Trong thực tế hiện nay, lượng rác thải xốp đang ngày một gia tăng, loại xốp này rất nguy hại nếu chúng ta không có biện pháp xử lý hiệu quả. Rác thải xốp này phát sinh từ những đồ vật chúng ta thường sử dụng như thùng xốp, các chi tiết chèn khe cho các dụng cụ dễ vỡ... Các công bố cho thấy, một lượng lớn EPS cuối cùng trở thành chất thải và được gửi đến bãi chôn lấp hoặc đổ bất hợp pháp ở các khu vực trống, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Theo các nghiên cứu [8–10]; tổng sản lượng polystyrene toàn cầu đã chế tạo là 14 triệu tấn. Giá trị này ở Tây Âu là 2,5 triệu tấn và ở Mỹ là 2,3 triệu tấn, hầu hết trong số đó có xu hướng cuối cùng ở các bãi chôn lấp. Ở Anh, khoảng 300000 tấn EPS thải được gửi đến bãi chôn lấp và số lượng này chiếm một thể tích là 38000000 m³ [11]. Theo các nghiên cứu, phần lớn các loại rác thải xốp thuộc loại khó phân hủy, có thể gây ra những hậu quả về ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Rác thải xốp quá nhiều khi thải ra môi trường nước hoặc đất có thể khiến cho biến đổi tính chất của đất, gây tắc nghẽn hệ thống thoát nước, theo thời gian đây chính là nguyên nhân khiến cho nhiều loại vi khuẩn không ngừng phát triển, gây ra nhiều loại bệnh nguy hiểm cho con người [8]. Xuất phát từ thực tiễn như vậy, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu sử dụng loại polystyrene phế thải (recycled - Expanded Polystyrene Beads - rEPS) này trong chế tạo bê tông nhẹ. Việc nghiên cứu sử dụng loại rác thải xốp này trong chế tạo bê tông nhẹ vừa làm giảm giá thành do giảm lượng dùng hạt EPS nguyên sinh, đồng thời vừa góp phần giảm lượng rác thải xốp thải ra môi trường, điều này có ý nghĩa thực tiễn rất lớn [5]. Xốp thải trước khi và sau khi tái chế được thể hiện ở Hình 1. 

2. Vật liệu sử dụng và công tác chuẩn bị mẫu

2.1. Vật liệu sử dụng
 

 

Vật liệu được dùng trong nghiên cứu gồm: Xi măng Poóc lăng (XM) Nghi Sơn PC40 có các tínhchất cơ lý trình bày ở Bảng 1. Phụ gia siêu dẻo (SD) sử dụng trong nghiên cứu có gốc polycarboxylate với lượng dùng được tính theo % theo khối lượng xi măng, các tính chất của SD theo công bố của nhà sản xuất phù hợp theo tiêu chuẩn ASTM C494 loại F và G với phụ gia giảm nước và kéo dài thời gian đông kết. Lượng SD sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 3. Nước trộn bê tông là nước máy, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật với nước trộn bê tông theo TCVN 4506:2012.
 

 

 

 

Cốt liệu rỗng polystyrene tái chế (rEPS) được cung cấp bởi Công ty cổ phần Tường nhẹ Nuce-wall. Trong đó, xốp phế thải sau khi được làm sạch, được nghiền và phân loại theo cỡ sàng yêucầu. Các tính chất cơ lý của rEPS được trình bày ở Bảng 2. Cốt liệu rỗng rEPS sau khi được tái chế thể hiện ở Hình 2.

2.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
 

 

 

Thành phần bê tông nhẹ được tính toán theo phương pháp thể tích tuyệt đối, trên cơ sở các thông số đầu vào, cụ thể: bê tông nhẹ lựa chọn nghiên cứu với khối lượng thể tích tương ứng:1500 kg/m³, 1200 kg/m³ và 1000 kg/m³, thể tích cốt liệu rEPS lựa chọn với hàm lượng tương ứng là 25%, 30%, 40% và 50% theo thể tích của bê tông. Tỷ lệ N/CKD lựa chọn là 0,25 và 0,3. Hàm lượng bọt khí lựa chọn là 3%. Để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông đề tài sử dụng phụ gia siêu dẻo (SD), hàm lượng SD được lấy 0,6% và 0,4% theo khối lượng chất kết dính tương ứng với tỷ lệ N/CKD lựa chọn là 0,25 và 0,3. Thành phần cấp phối bê tông nhẹ rEPS được thể hiện ở Bảng 3. Quá trình trộn và chế tạo bê tông nhẹ rEPS được thực hiện theo quy trình thể hiện trên Hình 3.

2.3. Phương pháp thí nghiệm
 

 

Khối lượng thể tích của bê tông được thực hiện trên cơ sở tiêu chuẩn TCVN 3115:1993 [12] vớimẫu có kích thước 100×100×100 mm. Cường độ nén của bê tông được thực hiện trên cơ sở tiêu chuẩnTCVN 3118:1993 [13] với mẫu có kích thước 100×100×100 mm. Thí nghiệm sự phân tầng của bê tông nhẹ sử dụng rEPS được thực hiện trên mẫu có kích thước 100×100×100 mm. Để xác định độ phân tầng của bê tông ta chia mẫu thành 4 phần bằng nhau theo chiều cao theo phương đổ bê tông của mẫu (Hình 4). Dùng máy cắt, cắt mẫu ra thành 4 phần như đã chia ở trên. Sau đó sấy khô mẫu đã cắt đến khối lượng không đổi, tiến hành cân và đo lại kích thước của từng phần đã cắt, cân mẫu và tính khối lượng thể tích từng phần để so sánh với giá trị trung bình.

 

Độ hút nước của bê tông được thực hiện trên cơ sở TCVN 3113:1993 [14] với mẫu có kích thước100×100×100 mm. Thí nghiệm xác định độ hút nước mao quản của bê tông nhẹ sử dụng rEPS được thực hiện trên cơ sở tiêu chuẩn ASTM C1585-20 [15] với mẫu có kích thước 100×100×50 mm. Sơ đồthí nghiệm được thể hiện ở Hình 5.

Thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của bê tông nhẹ sử dụng rEPS được tính toán dựa theo ACI213R14 [16]. Trong đó công thức xác định hệ số dẫn nhiệt được tính toán như sau:

trong đó e = 2,71828; Wc là khối lượng thể tích khô của bê tông, kg/m³. 
(Còn nữa)

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

VLXD.org (TH/ Tạp chí KHCNXD)