Sử dụng vụn thủy tinh làm cốt liệu bê tông - Phần 1

Ngày 22/09/2017 03:13
Việc nâng cao sản lượng bê tông và bê tông cốt thép không thể thiếu vai trò của cốt liệu. Tại CHLB Nga, sản lượng trung bình hàng năm trong sản xuất bê tông và bê tông cốt thép là khoảng 60 triệu m3, trong đó bao gồm hơn 20 triệu m3 bê tông đúc sẵn và hơn 40 triệu m3 bê tông tươi; ngoài ra sản lượng hàng năm trong sản xuất vữa là khoảng 20-25 triệu m3. Do vậy, nhu cầu về cốt liệu lớn lên tới hơn 50 triệu m3 và cốt liệu mịn lên tới 50-55 triệu m3.

Chưa có ảnh

Hình 1. Vụn thủy tinh

Tuy nhiên, việc phát triển khai thác các loại cốt liệu cho bê tông không phải dễ thực hiện ở mọi thời điểm do thời kỳ mùa đông và băng giá kéo dài. Trong khi đó, vụn thủy tinh sinh hoạt và công nghiệp có các tính chất cơ lý cao, dễ kiếm nhưng chưa được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông. Tại CHLB Nga, hàng năm có khoảng 35-40 triệu tấn phế thải rắn sinh hoạt được thải ra, trong đó khối lượng phế thải được tái sử dụng chỉ đạt khoảng 3-4%. Lượng thủy tinh vụn có trong các bãi chứa phế thải rắn sinh hoạt lên tới 2-6 triệu tấn trung bình mỗi năm. So với nhu cầu tiêu thụ cốt liệu hàng năm thì con số đó chưa lớn (nếu tính đến hiệu quả về mặt khối lượng cốt liệu đá tự nhiên có thể được thay thế bằng vụn thủy tinh); nhưng khi sử dụng vụn thủy tinh để thay thế cốt liệu đá tự nhiên, cần phải tính đến hiệu quả kinh tế (có thể giảm đến 30-50% vốn đầu tư) không chỉ nhờ tận dụng phế thải rắn làm cốt liệu mà còn là khả năng giảm lượng đã thiên nhiên bị khai thác và giảm tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng.

Tương tự vậy, các vật liệu khác có chứa thủy tinh như: vật liệu sợi thủy tinh và bông khoáng, vải thủy tinh, thủy tinh bọt cũng có thể được sử dụng hiệu quả làm cốt liệu hoặc vật liệu gia cường trong các loại hỗn hợp với xi măng.

Tuy nhiên, khi sử dụng vụn thủy tinh làm cốt liệu trong các hỗn hợp với xi măng, sự tương tác giữa thuỷ tinh silicat kiềm natri-kali và xi măng lại tiềm ẩn nguy hiểm. Do phản ứng kiềm-silica tạo thành gel có khả năng nở trong môi trường có độ ẩm nhất định, quá trình nứt, vỡ bê tông có thể xuất hiện. Phản ứng này có thể xảy ra trong bê tông nếu như cốt liệu nguồn gốc thiên nhiên có chứa SiO2 hoạt tính (SiO2 vô định hình). Đối với cốt liệu thủy tinh, nó có thể thúc đẩy phản ứng kiềm – silica trong bê tông do ion Na+ trên bề mặt thủy tinh có khả năng tạo ra một lượng nhất định NaOH, thậm chí phản ứng này cũng xảy ra khi sử dụng xi măng có hàm lượng kiềm thấp. Ở khía cạnh khác,SiO2 ở dạng vô định hình trên bề mặt thủy tinh cũng là thành phần thúc đẩy phản ứng này.

Trên thực tế đã có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng thủy tinh kali-natri làm cốt liệu trong vữa xi măng. Cụ thể hơn, thủy tinh vụn với các thành phần và độ mịn khác nhau đã được bổ sung vào vữa xi măng, và từ đó các chuyên gia tiến hành nghiên cứu về độ nở, cường độ của bê tông sử dụng loại vữa này. Kết quả nghiên cứu tại trường đại học Kolumbo cho thấy, việc bổ sung  thủy tinh vào các cấp phối trong phần lớn các trường hợp sẽ xuất hiện phản ứng kiềm - silica và sự giảm cường độ bê tông. Ngoài ra, khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần thủy tinh (kính) đến quá trình phản ứng, kết quả cho thấy: bột thủy tinh có độ mịn cao khiến các mẫu thử không bị nở. Nguyên nhân của hiện tượng này (không ghi nhận thấy có sự thay đổi về độ nở và sự phá hủy của mẫu), các tác giả cho là do tốc độ cao của trong phản ứng kiềm – silica xảy ra trong vòng 24-28h. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã đề xuất rằng: một trong những cách để loại bỏ quá trình tương tác kiềm – silica muộn và gây nở trong hỗn hợp xi măng thủy tinh là sử dụng vụn thủy tinh có thành phần hạt quy định, bổ sung thủy tinh độ mịn cao và biến tính phối liệu bằng phụ gia có chứa các hợp chất của liti và zirconia. 


Hình 2. Tương quan độ bền nén (MPa) của các phối liệu bê tông và kích thước cốt liệu thủy tinh (mm)
ở các khoảng thời gian khác nhau khi bổ sung (hoặc không bổ sung) chất kiềm vào các cấp phối: 1 - ở tuổi 13 tuần
không có kiềm; 2- Ở tuổi 1 tuần không kiềm; 3- Ở tuổi 13 tuần có kiềm; 4- Ở tuổi 1 tuần có kiềm.

Trong nghiên cứu này sử dụng cốt liệu thủy tinh làm cốt liệu mịn và thủy tinh bọt làm cốt liệu thô cho bê tông, các phương án khác nhau để loại trừ phản ứng kiềm – silica tuổi muộn cũng đã được xem xét.

Các thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM C 1293-01 tại nhiệt độ cao. Các mẫu bê tông tiêu chuẩn dài 250 mm được lưu tại nhiệt độ 60°С trong vòng 3 tháng. Các mẫu được định kỳ lấy ra từ tủ bảo ôn nhiệt để đo độ nở. Sau khi làm nguội mẫu xuống nhiệt độ phòng, tiến hành đo chiều dài thanh mẫu bằng thiết bị quang học dilatometer. Việc kiểm tra cường độ mẫu được thực hiện trên thiết bị nén ИП 6010-100-1. Xi măng mác tiêu chuẩn M400 của nhà máy xi măng Pashisky đã được sử dụng để tạo mẫu. Vụn thủy tinh đã được nghiền trong máy nghiền búa và tiếp đó là máy nghiền rung ly tâm ВЦМ-5000. Trong thí nghiệm, thủy tinh bọt tạo hạt của nhà máy Penostal đã được sử dụng làm cốt liệu thô.

Để đánh giá mức độ phản ứng kiềm – silica, nhóm tác giả đã thực hiện các thí nghiệm sử dụng xi măng và thủy tinh có các cỡ hạt khác nhau, trong điều kiện bổ sung và không bổ sung kiềm tự do vào các cấp phối bê tông. Thông số cơ bản đặc trưng của phản ứng là độ nở của mẫu bê tông. Kết quả đã cho thấy, nếu phản ứng kiềm –silica ở tuổi muộn xảy ra thì sự giảm cường độ của bê tông cũng được ghi nhận. Trong khi đó, các mẫu thử bê tông có cốt liệu tinh thể - cát thạch anh đã không xảy ra phản ứng nở.

Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng, sự giãn nở của các mẫu do phản ứng kiềm – silica chỉ quan sát thấy ở các mẫu bê tông có cỡ hạt thủy tinh bọt lớn hơn 1,25mm. Bên cạnh đó, mức độ nở cũng tăng lên khi bổ sung thêm kiềm vào thành phần bê tông. Sự phụ thuộc của cường độ nén vào thời gian dưỡng hộ bê tông cũng là cơ sở để làm rõ hiện tượng cường độ cao bất thường ở các mẫu bê tông không bổ sung kiềm và sử dụng cốt liệu thủy tinh có cỡ hạt khác nhau. Ngoài ra, cường độ của bê tông được chế tạo với cốt liệu hạt thuỷ tinh là cao hơn đáng kể so với bê tông đối chứng không các hạt cốt liệu hạt thủy tinh. Điều đặc biệt này cho thấy sự ảnh hưởng đáng kể của cỡ hạt cốt liệu thủy tinh đến cường độ bê tông.

(còn nữa)

Trung tâm Thông tin (Lược dịch theo Newchemistry)