Bài viết Đánh giá khả năng thấm nước của tường bê tông in 3Dtrình bày phương pháp đánh giá khả năng thấm nước của tường bê tông in 3D theo tiêu chuẩn ASTM E514. Mô hình thí nghiệm thấm được thực hiện trên tường bê tông sau khi in 3D ở 7 ngày tuổi, khối tường bê tông in 3D có kích thước 1100x1600mm (rộngxcao).
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 24/5/2022 nNgày sửa bài: 13/6/2022 nNgày chấp nhận đăng: 13/7/2022 Đánh giá khả thấm nước tường bê tông in 3D Evaluation of water penetration of 3D printed concrete wall > TRẦN VĂN MIỀN1,2*, NGUYỄN THỊ HẢI YẾN3, CÙ THỊ HỒNG YẾN1,2 Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Đại học Quốc gia TP HCM Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM * Email: tvmien@hcmut.edu.vn In bê tông 3D xây dựng trình tạo hình đối tượng (vật thể cơng trình) ba chiều cách đắp chồng lớp vật liệu bê tông lên định dạng kiểm sốt máy tính để tạo vật thể vẽ sẵn phần mềm CAD (Computer-Aided Design) Với ưu việt khả tạo hình, cơng nghệ in 3D thường ứng dụng để in tường cơng trình xây dựng Trong cơng trình xây dựng, cấu kiện tường có tác dụng bao che tiêu quan trọng cấu kiện khả chống thấm Bài báo trình bày phương pháp đánh giá khả thấm nước tường bê tông in 3D theo tiêu chuẩn ASTM E514 Mơ hình thí nghiệm thấm thực tường bê tông sau in 3D ngày tuổi, khối tường bê tơng in 3D có kích thước 1100x1600mm (rộngxcao) Kết nghiên cứu cho thấy, mức độ thấm hệ số thấm nước tường bê tông in 3D thấp so với tường gạch đất sét nung, tường bê tông in 3D xuất thấm chủ yếu vị trí tiếp giáp lớp bê tông in 3D kế cận nhau, nước không thấm qua vật liệu bê tơng lớp in, vậy, cần phải có giải pháp chống thấm cho lớp tường bê tông in 3D lớp tường bê tông tường ABSTRACT 3D concrete printing construction is an additive manufacturing technique, in which, a structure is built by adding concrete layer by layer under CAD software control 3D printing techonology is used to print amazing concrete walls which are exposed to environment, then water penetration resistance becomes one of the most important properties to 3D concrete wall This paper presented a evaluation of water penetration of 3D concrete wall by ASTM E514 In this test, concrete walls whose dimensions of 1100x1600 mm (width and height) were printed and wet cured up to days before testing Results showed that water penetrated through at interface between printed concrete layers, whereas water did not penetrate through each concrete layer, therefore, it is necessary to apply water proof layer to 3D concrete wall in case that this concrete wall is an external wall Key words: Concrete, 3D printing, water penetration GIỚI THIỆU Quá trình tạo hình vật thể cơng nghệ in 3D có nét độc đáo tạo vật thể với hình dáng nào, nhanh mà khơng cần khn, q trình xây dựng thực tự động hóa với tốc độ cao, lao động, đặc biệt loại bỏ đáng kể chất thải vật liệu trình xây dựng thi cơng cơng trình khơng cần ván khn Bằng việc áp dụng công nghệ in bê tông 3D giảm đáng kể chất thải xây dựng khơng cần ván khn để tạo hình cấu kiện xây dựng, lượng bê tơng trộn kiểm sốt cẩn thận hệ thống tự động nguyên liệu chế tạo mực in bê tơng tận dụng chất thải rắn (tro xỉ nhiệt điện, xà bần xây dựng, thạch cao ), cấu trúc bê tông in 3D có khả tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng, cải thiện suất hết, hạn chế đáng kể tác động môi trường cách sử dụng vật liệu tạo chất thải Hiện nay, tất ngành sản xuất Việt Nam hướng đến việc ứng dụng thành cách mạng công nghiệp 4.0, ngành công nghiệp xây dựng không ngoại lệ Công nghệ bê tông in 3D dùng cho ngành Xây dựng xu hướng công nghệ hướng đến phát triển xây dựng bền vững giảm đáng kể chất thải xây dựng, giảm nhân công lao động, tăng độ an tồn làm việc cho cơng nhân xây dựng, tăng tốc độ xây dựng gia tăng tính độc đáo kiến trúc cho cơng trình xây dựng [1, 2, 3] Đối với in bê tông 3D, chất lượng khối in đánh giá thông qua tính đồng kích thước, hình dạng, cường độ, bám dính đặc hai lớp bê tông liền kề [4, 5, 6] Trong trình in bê tơng, khơng khí bị vào tạo thành khuyết tật lỗ rỗng vị trí tiếp giáp lớp in, từ làm giảm liên kết bám dính tăng nguy thấm nước xuyên qua khối bê tông in 3D [7, 8] Một số nghiên cứu cho thấy rằng, để gia tăng liên kết bám dính tăng khả chống thấm nước cho khối bê tông in 3D, thêm vào thành phần hỗn hợp bê tông in 3D hàm lượng phù hợp loại phụ gia khoáng tro bay, silicafume khống sét Ngồi ra, chất có tác dụng gia tăng dưỡng hộ TĨM TẮT Từ khóa: Bê tông, in 3D, thấm tường 70 8.2022 ISSN 2734-9888 nội sinh cho bê tơng có tác dụng gia tăng bám dính giảm thấm nước cho khối bê tơng in 3D [9, 10] Bài báo trình bày kết nghiên cứu đánh giá khả thấm nước khối tường bê tông in 3D theo ASTM E514 [11] Kết nghiên cứu có ý nghĩa nhận xét khả chống thấm nước, vị trí thấm nước tường bê tông in 3D so với tường xây gạch đất sét nung IN 3D TẠO HÌNH KHỐI TƯỜNG BÊ TƠNG Khối tường bê tơng tạo hình máy in 3D, tường có chiều dày 50 mm, rộng 1100 mm cao 1500 mm Bê tông in 3D thiết kế đạt M500 28 ngày, cấp phối bê tông dùng nghiên cứu thể bảng Bảng 1: Cấp phối bê tông sử dụng nghiên cứu Cát sông Nước Phụ gia Phụ gia Phụ gia Xi măng (kg/m3) (Lit/m3) khống siêu hóa điều chỉnh PC50 (kg/m3) dẻo độ nhớt (kg/m3) (Lit/m3) (Lit/m3) 595 1190 240 179 8,9 1,8 Máy in bê tông 3D hoạt động theo nguyên lý cần trục sử dụng để in tường bê tơng dùng để thí nghiệm thấm nước tường bê tơng (hình 1) Trước in 3D, hỗn hợp bê tơng kiểm tra tính liên tục dải bê tơng q trình đùn khỏi vịi in, dải bê tơng đùn liên tục chuyển sang bước in 3D liên tục máy in Thí nghiệm đánh giá khả đùn tạo thành dải in bê tông liên tục thực máy in 3D đứng im chỗ vít đùn vật liệu bê tơng khỏi vịi in tương ứng (vịi in vng, cạnh 20 mm) với lưu lượng 25 ml/s Các thông số q trình in 3D bê tơng tạo hình mơ hình tường nhà lựa chọn thử nghiệm sau: - Tốc độ in (tốc độ di chuyển vòi in): 60 mm/s - Kích thước vịi in: vịi in hình vng có kích thước cạnh 20 mm - Chiều cao lớp in: 10 mm THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THẤM NƯỚC CỦA TƯỜNG Thí nghiệm đánh giá khả thấm nước bê tông in 3D đánh giá theo hướng dẫn tiêu chuẩn ASTM E514 Mơ hình thí nghiệm thực tường bê tông sau in 3D ngày tuổi, khối tường bê tơng in 3D có kích thước 1100x1600x50 mm (rộng x cao x dày), mơ hình thí nghiệm thể hình 3, Ngồi ra, thí nghiệm thực với khối xây gạch đất sét nung tô mặt để so sánh với tường bê tông in 3D Gạch đất sét nung Mác 75, có kích thước 80x80x180 mm, tường gạch đất sét nung xây tô vữa xi măng Poóclăng M100 Các thiết bị dụng cụ cần có để thực thí nghiệm bao gồm: Máy bơm nước, hệ thống ống phun tia nước lên mặt tường, hệ thống tuần hoàn nước, máy nén khí tạo áp suất thiết bị đo áp suất Trình tự thí nghiệm đánh giá khả thấm nước qua tường bê tông in 3D thực theo ASTM E514 sau: - In bê tông 3D tạo hình tường, xây khối xây gạch đất sét nung (gạch 8x8x18 cm), mặt để hở, mặt lại tô vữa xi măng hỗn hợp PCB40 tường gạch đất sét nung Khối xây lưu phịng thí nghiệm 14 ngày, thời gian tối thiểu ngày tường bê tông in 3D - Lắp đặt thiết bị: hộp mica, ống tuần hồn phun nước thu hồi nước, vịi phun khí vào hộp mica - Tiến hành thí nghiệm liên tục 72 giờ: khí bơm vào hộp mica với áp lực 0,7 kgf/cm2, nước bơm vào ống phun liên tục lên bề mặt khối xây với lưu lượng 150 lít/giờ - Quan sát, ghi nhận tượng mặt khối xây có tơ vữa xi măng hỗn hợp PCB40 mặt sau tường bê tông in 3D, thu hồi lượng nước thấm qua khối xây/tường bê tông - Dựa vào lượng nước thấm qua khối xây/tường bê tơng, tính tốn hệ số thấm nước khối xây/tường bê tông in 3D theo công thức sau: K V t.S K: hệ số thấm nước (ml/cm2.s) t: thời gian thí nghiệm (s) S: diện tích khối xây nằm hộp mica có phun nước (cm2) V: thể tích nước thấm xun qua tường (ml) Hình In 3D tạo hình khối tường bê tơng để thí nghiệm thấm nước Hình Kiểm tra khả đùn bê tơng qua vịi in trước thực in 3D Hình Mơ hình thí nghiệm thấm tường bê tông in 3D thực theo ASTM E514 ISSN 2734-9888 8.2022 71 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảng 2: Kết thí nghiệm thấm tường gạch đất sét nung thực theo ASTM E514 Mẫu thí Hiện tượng nghiệm Khối xây gạch - Xuất vết nước thấm mặt sau khối xây đất sét nung - Toàn mặt sau khối xây bị thấm ướt, cạnh tường xuất vết thấm nước phút Lượng nước thấm Hệ số thấm qua thu (ml/cm2.s) (ml) 0 0 24 0 - Xuất nhiều giọt nước bám tường mặt sau khối xây Các giọt nước 48 chảy thành dòng từ xuống chân khối xây 0 - Xuất nhiều giọt nước bám tường mặt sau khối xây Các giọt nước 72 chảy thành dòng từ xuống chân khối xây chảy máng thu nước 22 78,6*10-10 - Xuất giọt nước bám tường mặt sau khối xây Bảng 3: Kết thí nghiệm thấm tường bê tơng in 3D thực theo ASTM E514 Mẫu thí Hiện tượng nghiệm Tường bê tông in 3D Thời gian Thời gian Lượng nước thấm Hệ số thấm qua thu (ml/cm2.s) (ml) 0 - Xuất vết nước thấm mặt tường bê tơng - Tồn mặt sau tường bị thấm ướt, cạnh tường xuất vết thấm nước 10 0 - Xuất giọt nước bám mặt sau cạnh tường 24 0 - Xuất nhiều giọt nước bám mặt sau cạnh tường Các giọt 48 nước chảy thành dịng vị trí tiếp giáp lớp bê tông in 3D 0 - Xuất nhiều giọt nước bám mặt sau cạnh tường Các giọt 72 nước chảy thành dịng vị trí tiếp giáp lớp bê tông in 3D chảy máng thu nước 15 53,6*10-10 xuất thấm nước mặt sau tường thể tích nước thấm xuyên qua tường sau kết thúc q trình thí nghiệm Kết thí nghiệm thấm tường xây gạch đất sét nung tô mặt vữa xi măng, tường bê tông in 3D thể bảng Hiện tượng thấm nước trình thí nghiệm tường bê tơng in 3D tường xây gạch đất sét nung thể hình Hình Thí nghiệm thấm tường khối xây gạch đất sét nung thực theo ASTM E514 Hình Thí nghiệm thấm tường bê tông in 3D thực theo ASTM E514 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thí nghiệm thấm tường thực theo quy trình mục tường bê tông in 3D tường xây sử dụng gạch đất sét nung tô mặt vữa xi măng, thời gian thí nghiệm tiến hành liên tục 72 tiếng Trong q trình thí nghiệm, tiến hành quan sát tượng thấm, vị trí thấm, thời điểm bắt đầu 72 8.2022 ISSN 2734-9888 Hình Nước thấm qua tường bê tơng in 3D q trình thí nghiệm thực theo ASTM E514 Hình Nước thấm sang mặt sau khối xây gạch đất sét nung thí nghiệm thấm thực theo ASTM E514 Kết thí nghiệm thể bảng cho thấy rằng, khả kháng thấm nước tường bê tông in 3D tốt so với tường gạch đất sét nung tô vữa xi măng mặt Hệ số thấm nước tường bê tông in 3D thấp đáng kể so với tường gạch đất sét nung Thí nghiệm thấm tường thực theo ASTM E514 thí nghiệm mơ điều kiện thấm tường biên (tường ngồi) cơng trình, khả nước thấm xuyên tường thúc đẩy hệ thống phun tia nước liên tục điều kiện áp suất 0,7 kgf/cm2 trì tác dụng lên tường suốt q trình thí nghiệm Trong điều kiện thí nghiệm vậy, tường gạch đất sét nung tô mặt (ở mặt sau) bị thấm xuyên nước nhanh, sau phút thí nghiệm vệt thấm nước xuất mặt sau tường, đến sau thí nghiệm tồn mặt sau tường thấm đẫm nước, nước thấm xuyên qua khối xây tạo thành dịng chảy nhỏ có xu hướng chảy từ phần đỉnh cao tường xuống chân vào máng thu nước, tượng xuất rõ thời điểm 48 sau thí nghiệm Qua quan sát q trình thí nghiệm, nước thấm xuyên tường gạch đất sét nung chủ yếu qua vị trí mạch vữa liên kết lớp gạch xây, mạch vữa liên kết có độ kín khít khơng đồng nước dễ thấm xuy ên qua tường vị trí mạch vữa có nhiều khuyết tật; lỗ rỗng Đối với tường bê tông in 3D, tượng thấm xuyên nước xuất hiện, nhiên, mức độ thấm hệ số thấm nước tường bê tông in 3D thấp so với tường gạch đất sét nung Trong q trình thí nghiệm, tượng thấm tường bê tông in 3D gần giống với tường gạch đất sét nung Tường bê tông in 3D bị thấm nước bắt đầu xuất vệt thấm nước mặt sau sau thí nghiệm, tồn mặt sau tường bị thấm ướt cạnh tường bắt đầu xuất vết thấm nước thời điểm 10 sau thí nghiệm, sau 48 thí nghiệm, nước thấm xuyên qua tường bê tơng, tích tụ tạo thành dịng chảy nhỏ có xu hướng chảy men theo mạch tiếp giáp lớp bê tông in 3D chảy xuống chân tường vào máng thu nước Tương tự tường xây gạch đất sét nung, nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ yếu vị trí tiếp xúc lớp bê tơng in 3D, điều có nghĩa là, vị trí tiếp xúc lớp bê tông in 3D không đủ đặc chắc, có tồn khuyết tật lỗ rỗng đủ lớn để nước thấm xuyên qua Vì vậy, để gia tăng khả chống thấm cho tường bê tơng in 3D cơng trình xây dựng, cần phải có biện pháp để cải thiện, gia tăng độ đồng vị trí tiếp xúc lớp bê tông in 3D KẾT LUẬN Từ kết thực nghiệm đánh giá khả thấm nước tường bê tơng in 3D tạo hình thiết bị quy trình in 3D nghiên cứu so sánh với tường xây gạch đất sét nung, tác giả rút kết luận sau: Thí nghiệm thấm tường thực theo ASTM E514 thí nghiệm phù hợp để mô điều kiện thấm tường biên (tường ngồi) cơng trình, khả nước thấm xuyên tường thúc đẩy hệ thống phun tia nước liên tục điều kiện áp suất trì tác dụng lên tường suốt q trình thí nghiệm; Mức độ thấm hệ số thấm nước tường bê tông in 3D thấp so với tường gạch đất sét nung Các tượng thấm tường bê tông in 3D gần giống với tường gạch đất sét nung; Nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ yếu vị trí tiếp xúc lớp bê tơng in 3D Cần phải có biện pháp để cải thiện, gia tăng độ đồng vị trí tiếp xúc lớp bê tông in 3D nhằm giảm độ thấm nước cho tường LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Qũy Phát triển khoa học công nghệ TP.HCM – Sở khoa học công nghệ TP.HCM khuôn khổ hợp đồng số 07/2021/HĐ-QKHCN Chúng xin cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG – HCM hỗ trợ thời gian phương tiện vật chất cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G.D.Schutter, K.Lesage, V.Mechtcherine, V.N.Nerella, G.Habert, I.Agusti-Juan, “Vision of 3D printing with concrete — Technical, economic and environmental potentials, ”Cement and Concrete Research journal, pp 25–36,2018 Doi: 10.1016/j.cemconres.2018.06.001 [2] T.Wangler, E.LIoret, L.Reiter, N.Hack, F.Gramazio, M.Kohler, M Bernhard, B.Dillenburger, J Buchli, N.Roussel and R.Flatt, “Digital Concrete: Opportunities and Challenges,” RILEM Technical Letters, pp 1: 67 – 75, 2016, Doi: 10.21809/rilemtechlett.2016.16 [3] Trần Văn Miền, Huỳnh Cơng Tâm, Lê Hồng Giang, Nguyễn Quốc Cường, “Cải thiện bám dính lớp in 3D bê tơng hồ xi măng biến tính” Tạp chí Vật liệu Xây dựng, Tập 11 Số 6: Trang – 14, 2021 [4] Y Zhang, Y Zhang, W She, L Yang, G Liu, Y Yang, “Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing Concrete,” Construction and Building Materials, 201 (2019), pp.278-285 [5] A Perrot, D Rangeard, A Pierre, “Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques,” Materials and Structures, 49 (2016), pp.12131220 [6] J.G.Sanjayan, B.Nematollahi, M.Xia and T.Marchment, “Effect of surface moisture on inter-layer strength of 3D printed concrete,” Construction and Building Materials, vol 172 pp 468–475, 2018, Doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.232 [7] T.T.Le, S.A.Austin, S.Lim, R.A.Buswell, A.G.F.Gibb and T.Thorpe, “Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete,” Materials and Structures, pp 45:1221–1232, 2012, Doi: 10.1617/s11527-012-9828-z [8] E.Keitaa, H.Bessaies-Beyb, W.Zuoa, P.Belina and N.Roussel, “Weak bond strength between successive layers in extrusion-based additive manufacturing: measurement and 2019, Doi: physical origin,” Cement and Concrete Research, 0.1016/j.cemconres.2019.105787 [9] Y.W.D.Tay, G.H.A.Ting, Y.Qian, B.Panda, L.He and M.J.Tan,“Time gap effect on bond strength of 3D-printed concrete,” Virtual and Physical Prototyping, pp 1-10, 2018, Doi:10.1080/17452759.2018.1500420 [10] G.Li, “A new way to increase the long-term bond strength of new-to-old concrete by the use of fly ash,” Cement and Concrete Research, vol 33, no pp 799-806, 2003, Doi: 10.1016/S0008-8846(02)01064-5 [11] ASTM E514 - 08: Standard test method for water penetration and leakage through masonry ISSN 2734-9888 8.2022 73 ... thước vịi in: vịi in hình vng có kích thước cạnh 20 mm - Chiều cao lớp in: 10 mm THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THẤM NƯỚC CỦA TƯỜNG Thí nghiệm đánh giá khả thấm nước bê tông in 3D đánh giá theo... nghĩa nhận xét khả chống thấm nước, vị trí thấm nước tường bê tông in 3D so với tường xây gạch đất sét nung IN 3D TẠO HÌNH KHỐI TƯỜNG BÊ TƠNG Khối tường bê tơng tạo hình máy in 3D, tường có chiều... lượng nước thấm qua khối xây /tường bê tông - Dựa vào lượng nước thấm qua khối xây /tường bê tơng, tính tốn hệ số thấm nước khối xây /tường bê tông in 3D theo công thức sau: K V t.S K: hệ số thấm nước