ă T V Nă
Bùn ph th i
Quá trình sản xuất và sinh hoạt của các loài động vật diễn ra liên tục theo thời gian Qua thời gian, các chất thải bắt đầu lắng đọng và hình thành bùn thải Bùn thải gồm nhiều loại bùn khác nhau và được phân loại dựa trên các tiêu chí nhất định.
+ Bùn n o vét: g m có bùn n o vét t iăkênhăm ng,ăc a sông, bi n (xem Hình 1.1)
+ Bùn th i t các nhà máy: nhà máy c păn c và nhà máy x lỦăn c (xem Hình 1.2) +ăBùnăđ t
Bùn thải chứa các kim loại nặng như Zn, Ni, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, As và nhiều vi sinh vật gây mùi Nếu không được xử lý đúng cách, nó có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người Theo số liệu ghi nhận từ nhà máy, mỗi ngày nhà máy thải ra từ 40 đến 50 tấn bùn, tùy thuộc vào mùa.
H̀nh 1.2 Bùn t i nhà máy x lý n c th i [8]
T nhu c u v vi c x lỦăl ngăbùnăphátăsinh,ăđ tƠiănƠyăh ng t i vi c s d ng bùn vào
TÌNH HÌNH NGHIÊN C UăTRONGăVĨăNGOĨIăN C
Tình hình nghiên c u trên th gi i
Các nghiên c u trên th gi i ch y u s d ng bùn n o vét và bùn các nhà máy x lỦăn c th iăđ ti n hành thay th m t ph năxiăm ng C th nh ăsau:
+ S d ng bùn n o vét thay th m t ph năxiăm ng
Zhao và cộng sự đã đưa ra một nghiên cứu về việc thay thế một phần xi măng bằng bùn đốt tại công trình Dunkirk (Pháp), với tỷ lệ thay thế lần lượt là 0%, 10%, 20% và 30% Bùn đốt được xử lý qua ba giai đoạn: sấy khô ở nhiệt độ 40 độ C, nung trong lò ở 450 độ C và cuối cùng là nghiền mịn để tạo thành sản phẩm có độ mịn cao.
Trong nghiên cứu, loại xi măng CEM I 52.5 được sử dụng để đúc mẫu bê tông và mẫu chứa bùn, trong khi loại xi măng CEM II 32.5 được dùng để đúc mẫu bê tông so sánh với các mẫu có thay thế bùn Kết quả thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của bùn thay thế đến cường độ nén và cường độ kéo của mẫu bê tông ở 7 và 28 ngày tuổi.
H̀nh 1.3 s t c a h n h p bê tông trong nghiên c u c a Zhao và c ng s [6]
+ M0-52.5: m u đ i ch ng không dùng bùn và s d ng xi m ng CEM I 52.5
+ M10-52.5: m u dùng 10% bùn thay th xi m ng và s d ng xi m ng CEM I 52.5
+ M20-52.5: m u dùng 20% bùn thay th xi m ng và s d ng xi m ng CEM I 52.5
+ M30-52.5: m u dùng 30% bùn thay th xi m ng và s d ng xi m ng CEM I 52.5
+ M0-32.5: m u không dùng bùn thay th xi m ng và s d ng xi m ng CEM II 32.5
H̀nh 1.4 C ng đ ch u nén c a bê tông trong nghiên c u c a Zhao và c ng s [6]
+ Compressive strength (MPa): c ng đ ch u nén (MPa)
+ Rc 7d, Rc 28d: c ng đ ch u nén 7, 28 ngày tu i
H̀nh 1.5 C ng đ ch u kéo khi u n c a bê tông trong nghiên c u c a Zhao và c ng s [6]
+ ạlexural strength (MPa): c ng đ ch u kéo khi u n (MPa)
+ Rf 7d, Rf 28d: c ng đ ch u kéo khi u n 7, 28 ngày tu i
Ez-zaki và c ng s [9] đưăs d ng bùn n o vét c ng Lyvet sông Rance và bùn l y V nh
Mont Saint Michel r i tr n v i b t v hƠuăđ c nghi n m n và sauăđóăthayăth 8 và 33% xi m ngăb ng bùn Bùnăđ c x lý b ng cách nung 2 m c nhi tăđ , bao g m 650 và 850 o C
K t qu cho th yăc ngăđ ch u nén gi măkhiăhƠmăl ng bùn thay th t ngălên (xem Hình 1.6)
H̀nh 1.6 C ng đ ch u nén 28 ngày tu i c a bê tông s d ng bùn thay th xi m ng m c
8 và 33% trong nghiên c u c a Ez-zaki và c ng s [9]
+ 0%, 8%, 33%: m u thay th l n l t 0%, 8%, 33% xi m ng b ng bùn
+ R: m u không thay th xi m ng b ng bùn
+ L650: m u thay th xi m ng b ng bùn l y t C ng Lyvet và nung 650 o C
+ M650: m u thay th xi m ng b ng bùn l y t V nh Mont Saint Michel và nung 650 o C + S650: m u thay th xi m ng b ng bùn tr n v i v hàu và nung 650 o C
+ S850: m u thay th xi m ng b ng bùn tr n v i v hàu và nung 850 o C
Bùn được sử dụng để thay thế 0, 10 và 20% xi măng trong công thức bê tông Quá trình xử lý bùn diễn ra qua các giai đoạn: sấy nhiệt độ 60°C và sàng để loại bỏ các hạt mịn dưới 2mm, nung ở 800°C trong 1 giờ, sau đó nghiền mịn để thu các hạt nhuyễn 45 micromet Kết quả cho thấy cường độ nén của các mẫu bê tông sau 28 ngày đạt trên 50 MPa, cụ thể là các mẫu thay thế 0, 10 và 20% có cường độ lần lượt là 56, 57 và 54 MPa Điều này cho thấy rằng việc thay thế bùn có thể thực hiện hiệu quả với tỷ lệ tối ưu là 10%.
H̀nh 1.7 C ng đ ch u nén c a m u bê tông 3, 28, 56 và 91 ngày tu i trong nghiên c u c a Safhi và c ng s [10]
+ Compressive strength (MPa): c ng đ ch u nén (MPa)
+ SSC-R: m u không thay th xi m ng b ng bùn
+ SSC-1: m u thay th 10% xi m ng b ng bùn
+ SSC-2: m u thay th 20% xi m ng b ng bùn
+ S d ng bùn t nhà máy x lỦăn c thay th m t ph năxiăm ng
Gomes và cộng sự [11] đã sử dụng bùn từ nhà máy xử lý nước thải Cascade Katoomba, NSW, để thay thế xi măng với tỷ lệ 1, 2, 5 và 10% Kết quả cho thấy cường độ chịu nén của các mẫu bê tông thay thế lần lượt là 55.99, 55.77, 40.74 và 27.51 MPa (xem Hình 1.8) Như vậy, cường độ chịu nén của các mẫu bê tông thay thế bùn có xu hướng giảm khi tỷ lệ bùn thay thế tăng lên.
H̀nh 1.8 C ng đ ch u nén c a các m u bê tông thay th 1, 2, 5 và 10% xi m ng b ng bùn
7, 14 và 28 ngày tu i trong nghiên c u c a Gomes và c ng s [11]
+ Compressive strength (MPa): c ng đ ch u nén (MPa)
+ Curing time (day): th i gian đóng r n (ngày)
+ 7 days, 14 days, 28 days: đ tu i c a m u bao g m 7, 14, 28 ngày tu i
+ Reference: m u không thay th xi m ng b ng bùn
+ 1%, 2%, 5%, 10%: m u thay th l n l t 1, 2, 5, 10% xi m ng b ng bùn
Nghiên cứu này tập trung vào việc thay thế bùn trong quá trình nén của các mẫu bùn tại nhà máy El-Baddrashen (nhà máy xử lý sinh hoạt) và nhà máy El-Hawamdia (nhà máy xử lý sinh hoạt và công nghiệp) với các tỷ lệ thay thế là 0%, 5%, 10%, 15% và 20% Bùn được nung ở nhiệt độ 200°C trong 2 giờ, với kích thước hạt của bùn trong nghiên cứu là từ 2.36 đến 4.75 mm Kết quả cho thấy rằng khả năng nén của bùn giảm khi tỷ lệ thay thế tăng lên Tuy nhiên, bùn với tỷ lệ thay thế 15% cho thấy khả năng nén không đáng kể, trong khi tỷ lệ 20% lại cho kết quả khả năng nén kém hơn, cho thấy rằng tỷ lệ thay thế tối ưu là 15%.
H̀nh 1.9 C ng đ ch u nén 7 và 28 ngày tu i c a bê tông s d ng bùn khô thay th xi m ng t 0 đ n 20% trong nghiên c u c a Rabie và c ng s [12]
+ Mix with dry sludge after 7-days: m u tr n v i bùn khô sau 7 ngày
The study on concrete mix incorporating dry sludge after 28 days reveals significant findings regarding its compressive strength A summary of the results indicates that the use of dry sludge in the concrete mix enhances its overall performance, demonstrating promising compressive strength outcomes.
H̀nh 1.10 C ng đ ch u nén 7 và 28 ngày tu i c a bê tông s d ng bùn t thay th xi m ng t 0 đ n 20% trong nghiên c u c a Rabie và c ng s [12]
+ Mix with wet sludge after 7-days: m u tr n v i bùn t sau 7 ngày
+ Mix with wet sludge after 28-days: m u tr n v i bùn t sau 28 ngày
+ Var after 28-days wet: đ ng bi u di n sau 28 ngày d ng h m
+ Var after 7-days wet: đ ng bi u di n sau 7 ngày d ng h m
+ Wet sluge concrete mix compressive strength results summary: tóm t t k t qu c ng đ ch u nén c a bê tông s d ng bùn t
Tóm lại, nghiên cứu cho thấy bùn nạo vét đang được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu về ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc xử lý bằng cách nung nhiệt độ cao, điều này dẫn đến việc tiêu tốn nhiều nhiên liệu nung Khi bùn được xử lý ở nhiệt độ cao, thành phần xi măng có thể thay thế lên đến 20%, giúp tiết kiệm nguyên liệu và tăng cường tính chất của sản phẩm, với cường độ nén đạt từ 2.36 đến 4.75 MPa sau 28 ngày.
Tình hình nghiên c uătrongăn c
Nghiên c u s d ngăbùnăđ TơnăRai,ăLơmă ngăđ thay th m t ph năxiăm ng c a Nguy n và c ng s [13] v i hƠmăl ng bùn thay th là 0, 5, 10, 15 và 20%, v i t l xiăm ng/cát (X/C)
Bùn sau khi lắp đặt và đốt ở nhiệt độ 105 oC, sau đó nung ở 650 oC và 750 oC, cuối cùng nghiền trong 20 phút Kết quả cho thấy rằng khi thay thế 5% bùn nung 650 oC, cường độ nén đạt 1.8%, trong khi thay thế 5% bùn nung 750 oC cho cường độ nén là 2.3% Khi thay thế 20% bùn nung 650 oC và 750 oC, cường độ nén giảm mạnh so với mẫu không có bùn.
H̀nh 1.11 C ng đ ch u nén c a m u v a thay th 5 (a) và 20% (b) bùn đ c nung 650 và 750 o C so v i m u đ i ch ng 0% bùn 3, 7 và 28 ngày tu i trong nghiên c u c a Nguy n và c ng s [13]
+ Ref: m u không thay th xi m ng b ng bùn đ
+ 5RM650 và 20RM650: m u thay th l n l t 5% và 20% xi m ng b ng bùn đ nung
650 o C n l t 5% và 20% xi m ng b ng bùn đ
Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng bùn thải nhà máy cáp phân với tỷ lệ thay thế xi măng từ 0% đến 30% đã ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của bê tông Sau 28 ngày nén, cường độ nén của bê tông giảm từ 53 MPa xuống còn 28 MPa khi tăng tỷ lệ bùn thay thế Ngoài ra, độ hút nước và thể tích lỗ rỗng của bê tông cũng tăng lên, với độ hút nước từ 2.62% lên 5.07% và thể tích lỗ rỗng từ 5.31% lên 8.70% Các kết quả này cho thấy bùn thải có thể được sử dụng như một chất phụ gia trong sản xuất bê tông, nhưng cần cân nhắc tỷ lệ thay thế để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
H̀nh 1.12 C ng đ nén c a các m u thay th t 0% đ n 30% xi m ng b ng bùn trong nghiên c u c a Võ và c ng s [7]
H̀nh 1.13 hút n c và th tích l r ng h c a m u thay th t 0% đ n 20% xi m ng b ng bùn trong nghiên c u c a Võ và c ng s [7]
Nguyễn [14] đã đưa ra nghiên cứu về việc thay thế một phần xi măng bằng bùn thải trong sản xuất bê tông, với mục tiêu cải thiện độ bền của vật liệu Kết quả cho thấy, sau 28 ngày dưỡng hộ, bê tông đạt cường độ nén lên đến 70 MPa, với tỷ lệ thay thế bùn thải là 0,5% Thiết kế mẫu thử nghiệm có kích thước 14 ± 2 cm, cho thấy tính khả thi của việc sử dụng bùn thải trong ngành xây dựng.
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc thay thế xi măng với các tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15% và 20% đã ảnh hưởng đến cường độ nén của mẫu Cường độ nén lần lượt là 74.65, 67.40, 68.85, 60.33 và 55.91 MPa Sau 28 ngày, độ hút nước tăng từ 1.32% lên 2.70%, trong khi thể tích lỗ rỗng tăng từ 2.27% lên 3.99% khi hàm lượng bùn thay thế xi măng từ 0% đến 20%.
H̀nh 1.14 C ng đ ch u ńn c a bê tông 28 ngày tu i trong nghiên c u c a Nguy n [14]
H̀nh 1.15 hút n c c a bê tông 28 ngày tu i trong nghiên c u c a Nguy n [14]
H̀nh 1.16 Th t́ch l r ng h 28 ngày tu i trong nghiên c u c a Nguy n [14]
Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của chế độ dinh dưỡng trong 3, 7 và 28 ngày tuổi, cho thấy sự cải thiện đáng kể về chỉ số tăng trưởng trong 28 ngày Kết quả cho thấy, việc thay thế bùn trong khẩu phần ăn đã làm tăng hiệu suất sinh trưởng lên đến 20% Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh chế độ dinh dưỡng trong giai đoạn đầu đời để đạt được kết quả tối ưu.
M C TIÊU NGHIÊN C U
Theo nghiên cứu, việc sử dụng bùn thải từ nhà máy trong sản xuất vật liệu thay thế một phần xi măng còn đang gặp nhiều thách thức Quá trình nung bùn ở nhiệt độ cao với khí thải độc hại từ các ngành công nghiệp gây ra ô nhiễm môi trường, đồng thời tiêu tốn nguồn nhiên liệu lớn, dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao.
Nghiên cứu này sử dụng bùn thải từ nhà máy cọc bê tông, được xử lý ở nhiệt độ 110 độ C và sau đó được sàng qua lưới 0.14 mm Mục tiêu là đánh giá các tính chất cơ lý của bê tông cao cấp sử dụng bùn thải, với tỷ lệ thay thế tối đa 30% xi măng Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện để kiểm tra hiệu quả của phương pháp này.
+ X lý bùn b ngăph ngăphápăs y khô và nghi n mn,ăsauăđóăphơnătíchăcácăthƠnhăph n hóa h c và tính ch t k thu t c a bùn
+ Thi t k c p ph iăbêătôngăc ngăđ cao v iăc ngăđ ch u nén 28 ngày đ t t 70 MPa cho c p ph i đ i ch ng và th aăđ s t thi t k 14 ± 2 cm cho t t c các c p ph i
+ Nghiên c uăđánhăgiáăcácătínhăch tăc ăh c c a các m u bê tông thay th 5, 10, 15, 20, 25 vƠă30%ăxiăm ngăb ng bùn th i.
PH M VI NGHIÊN C U
+ Nghiên c uăđ c th c hi n t i phòng thí nghi m V t li u Xây d ng và phòng thí nghi m
K t c u Công trình c a Tr ngă i h c BáchăKhoa,ă i h c Qu c Gia TPHCM
+ H nguyên v t li u bao g m:ăxiăm ng,ăcát,ăđá,ăn c, bùn th iăđ c l y t nhà máy c p n c Th c đưăquaăx lý, ph gia Master Glenium SKY - 8719ăđ căquyăđ nh trong tiêu chu n
+ V yêu c u k thu t: c p ph i bê tông s d ng trong nghiên c uăđ c thi t k theo TCVN
10306:2014 [4], m uăđ c s d ngăcóăkíchăth c 100×100×100 mm v iăc ngăđ ch u nén đưăđ căquyăđ i sang m u 150×150×150 mm M uăsauăkhiătháoăkhuônăđ c ngâm trong b d ng h t i phòng thí nghi m
+ Các ch tiêu thí nghi m bao g m:ăc ngăđ ch u nén 3, 7, 28 và 56 ngày tu i, c ng đ ch u kéo khi u n 28 và 56 ngày tu i,ăđ hútăn c và th tích l r ng h 28 và 56 ngày tu i.
TÍNH C P THI T C Aă TÀI
Ngành xây dựng đang phát triển mạnh mẽ, nhưng đi kèm với đó là việc sử dụng xi măng trong quá trình sản xuất, dẫn đến sự gia tăng khí thải Các tác động từ việc sản xuất xi măng chủ yếu do bột và khí thải phát sinh, với ngành này đóng góp khoảng 8% lượng khí CO2 toàn cầu Do đó, cần tìm ra loại vật liệu mới nhằm thay thế xi măng để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Bê tông cao cấp là một vật liệu quan trọng trong xây dựng các công trình nhà cao tầng, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu lực Để đạt được chất lượng bê tông cao, cần bổ sung các hợp chất và có phần ngăn hydrat hóa, nhằm cải thiện cấu trúc bê tông và đảm bảo tính chắc chắn.
Với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng trong sinh hoạt và sản xuất của con người ngày càng tăng cao Các nhà máy cấp nước đang phải đối mặt với thách thức lớn trong việc cung cấp nước sạch đáp ứng nhu cầu sử dụng Sản xuất năng lượng từ bùn do quá trình xử lý tạo ra, bùn chứa nhiều thành phần hóa học, đặc biệt là các kim loại nặng như Fe, Zn, Ni, Cu, Hg, nếu không được xử lý tốt sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người Nhà máy cấp nước Thủ Đức hiện đang hoạt động trong số các nhà máy lớn cung cấp nước sạch cho Thành phố Hồ Chí Minh, với sản lượng nước từ nhà máy thải ra khoảng 40-50 tấn bùn mỗi ngày.
Tài liệu này đề cập đến việc sử dụng bùn thải từ nhà máy cấp phân để thay thế một phần xi măng trong bê tông, nhằm cải thiện chất lượng và giảm thiểu tác động môi trường trong quá trình sản xuất Việc này không chỉ giúp tiết kiệm nguyên liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
1.6 Ý NGH AăKHOAăH C VÀ TH C TI N NGHIÊN C U
S d ng bùn làm v t li u thay th m t ph năxiăm ngămangăl i nh ng l i ích sau:
+ Giúp h n ch đ căl ng b i và khí th i phát sinh t quá trình s n xu tăxiăm ng,ăgópă ph n b o v môiătr ng và c i thi n ch tăl ng cu c s ngăconăng i
+ Gi măđ căl ng bùn phát sinh t quá trình s n xu tăn c s ch t i nhà máy c păn c, gi m b t chi phí x lý bùn
+ Tìm ra lo i v t li u m i thay th xiăm ngăhi u qu , mang l i giá tr v kinh t và k thu t
Tình hình nghiên cứu về việc sử dụng bùn thay thế xi măng trong bê tông đang được quan tâm Việc áp dụng bùn vào sản xuất bê tông không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn đáp ứng nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng bền vững Các nghiên cứu cho thấy bùn có thể cải thiện tính chất cơ học của bê tông, đồng thời giảm chi phí sản xuất.
Chương 2: Nguyên lý chế tạo bê tông cao cấp 2.1 Nguyên lý chế tạo bê tông cao cấp yêu cầu lựa chọn các loại vật liệu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đã được xác định trong tiêu chuẩn.
Xiăm ngăPortland là s n ph m nghi n m n c a clinker và 3 ậ 5 % ph giaăđáăth ch cao; clinkerăxiăm ngăcóăch a 4 khoáng v t chính bao g m alit, belit, aluminat canxi, feroaluminat canxi [1]
+ Khoáng alit có công th c hóa h c 3CaO.SiO2 (vi t t t là C3S).ăKhoángăalităđ c t o thành
Nhiệt độ 1250 °C ảnh hưởng đến sự hình thành của CaO và khoáng C2S trong quá trình nung nóng, với khoáng alit có màu trắng và kích thước hạt từ 10 đến 250 mm Alit là thành phần chính trong clinker, chiếm từ 45% đến 60%, giúp cải thiện tính chất cơ học của xi măng, tạo ra độ bền cao và ảnh hưởng đến nhiệt độ trong quá trình hydrat hóa và đông đặc.
Khoáng belit, với công thức hóa học 2CaO.SiO2 (C2S), được hình thành từ phản ứng của CaO và SiO2 ở nhiệt độ từ 600 đến 1000 độ C Khoáng belit chiếm khoảng 20-30% trong clinker, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ lý của xi măng, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu nước.
Aluminat canxi, với công thức hóa học 3CaO.Al2O3 (viết tắt là C3A), là một khoáng chất màu xám, chiếm khoảng 4-12% trong clinker Khoáng này có khả năng phản ứng nhanh, tạo ra nhiệt độ cao và độ bền tốt.
+ Feroaluminat canxi có công th c hóa h c 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (vi t t t là C4AF) Khoáng
C4AF là một khoáng chất chiếm khoảng 10-12% trong clinker, có tác dụng giúp giảm nhiệt độ trong quá trình hydrat hóa và làm giảm khả năng co ngót của xi măng Khoáng chất này có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của xi măng, đặc biệt là trong việc giảm thiểu hiện tượng nứt và co ngót trong bê tông.
Quá trình hydrat hóa của xi măng là phản ứng giữa các hợp chất C3S và C2S, dẫn đến sự hình thành hydrosilicat canxi và hydroxit canxi.
3(CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.1)
2(CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2.2) Giaiăđo n ti p theo là ph n ng gi a C3A v iăn c t o ra hydroaluminat theo ph n ng (2.3)
Quá trình phản ứng giữa 3CaO.Al2O3 và 6H2O tạo thành 3CaO.Al2O3.6H2O, trong đó khi nghiền clinker, cần thêm một lượng đá vôi (3-5% khối lượng) Sulfate canxi đóng vai trò quan trọng trong quá trình hóa cứng của xi măng, tương tác với aluminat tricanxi để hình thành khoáng ettringite theo phương trình phản ứng đã nêu.
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (2.4)
Khoáng ettringite được hình thành khi 3CaO.Al2O3 tham gia vào quá trình hydrat hóa, kéo dài thời gian đông cứng của xi măng Ettringite tạo ra dưới dạng tinh thể hình thành nhanh chóng, có khả năng kết hợp với các chất phụ gia ban đầu, giúp cải thiện độ bền của xi măng Sau đó, ettringite tương tác với 3CaO.Al2O3 để tạo thành muối sunfat kép theo phương trình hóa học.
Cu i cùng là ph n ng c a feroaluminat tác d ng v i n c t o ra hydroaluminat và hydroferit canxi theo ph n ng (2.6)
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + Ca(OH)2 + 10H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + 3CaO.Fe2O3.6H2O (2.6)
Các khoáng chính trong bê tông bao gồm xi măng Portland PC40, được sử dụng cho bê tông có cường độ đạt 70 MPa, trong khi bê tông yêu cầu cường độ từ 80 đến 100 MPa thì cần sử dụng xi măng PC50 Để đảm bảo chất lượng bê tông, xi măng cần có thành phần hóa học phù hợp với TCVN 2682:2020 Ngoài ra, bê tông phải đạt cường độ tối thiểu 30 MPa sau 7 ngày thi công.
2.1.2 T l n c/ch t k t dính ch t oăbêătôngăc ngăđ cao, c n ph i l a ch n t l N/CKD phù h p, m i lo i h n h p bê tông c n m t t l N/CKD khác nhau T l N/CKD đ i v iăbêătôngăc ngăđ caoăth ng n m trong kho ngă0.2ăđ n 0.4 [4]
Trong sản xuất bê tông, việc điều chỉnh tỷ lệ N/CKD là cần thiết để đáp ứng yêu cầu của công tác bê tông Điều này giúp cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm Sử dụng phụ gia hóa học phù hợp sẽ góp phần quan trọng vào việc tối ưu hóa tính công tác cho hỗn hợp bê tông.
NGUYÊN LÝ CH T OăBểăTỌNGăC NGă CAO
ăXiăm ng
Xiăm ngăPortland là s n ph m nghi n m n c a clinker và 3 ậ 5 % ph giaăđáăth ch cao; clinkerăxiăm ngăcóăch a 4 khoáng v t chính bao g m alit, belit, aluminat canxi, feroaluminat canxi [1]
+ Khoáng alit có công th c hóa h c 3CaO.SiO2 (vi t t t là C3S).ăKhoángăalităđ c t o thành
Tại nhiệt độ 1250 độ C, CaO tác động với khoáng C2S trong pha lỏng, tạo ra khoáng alit có màu trắng và kích thước từ 10 đến 250 mm Khoáng alit chiếm từ 45 đến 60% trong clinker, giúp xi măng có độ rắn chắc cao và tăng cường tính chất vật lý trong quá trình hydrat hóa.
Khoáng belit, với công thức hóa học 2CaO.SiO2 (C2S), được hình thành từ phản ứng của CaO và SiO2 ở nhiệt độ từ 600°C đến 1000°C Khoáng belit chiếm khoảng 20-30% trong clinker, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tính bền vững và độ cứng của bê tông Sự hiện diện của belit giúp cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu xây dựng.
Aluminat canxi, với công thức hóa học 3CaO.Al2O3 (viết tắt là C3A), là một khoáng chất màu xám, chiếm từ 4% đến 12% trong clinker Khoáng C3A có khả năng hydrat hóa nhanh, tạo ra nhiệt độ cao và độ bền rất lớn.
+ Feroaluminat canxi có công th c hóa h c 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (vi t t t là C4AF) Khoáng
C4AF là một khoáng chất chiếm khoảng 10-12% trong clinker, có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của xi măng Khoáng này giúp giảm thiểu sự co ngót, tăng cường độ bền và tạo ra nhiệt độ thấp hơn trong quá trình hydrat hóa và đông cứng.
Quá trình hydrat hóa của xi măng diễn ra khi các hợp phần khoáng như C3S và C2S tương tác với nước, tạo ra hydrosilicat canxi và hydroxit canxi Điều này được thể hiện qua các phương trình hóa học (2.1) và (2.2).
3(CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.1)
2(CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2.2) Giaiăđo n ti p theo là ph n ng gi a C3A v iăn c t o ra hydroaluminat theo ph n ng (2.3)
Quá trình phản ứng giữa 3CaO.Al2O3 và 6H2O tạo ra 3CaO.Al2O3.6H2O, trong đó clinker được bổ sung thêm một lượng đá vôi (3-5% khối lượng) Sunfát canxi đóng vai trò quan trọng trong việc hóa cứng của xi măng, tương tác với aluminat tricanxi để hình thành khoáng ettringite theo phương trình.
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (2.4)
Khoáng ettringite hình thành từ 3CaO.Al2O3 trong quá trình hydrat hóa, kéo dài thời gian đông cứng của xi măng Ettringite có khả năng tích tụ nhanh chóng và tương tác với các thành phần ban đầu, làm tăng cường độ bền của đá xi măng Sau đó, ettringite tiếp tục tác động với 3CaO.Al2O3 để tạo thành muối sunfat kép theo phản ứng hóa học.
Cu i cùng là ph n ng c a feroaluminat tác d ng v i n c t o ra hydroaluminat và hydroferit canxi theo ph n ng (2.6)
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + Ca(OH)2 + 10H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + 3CaO.Fe2O3.6H2O (2.6)
Bê tông có chứa các khoáng chất chính, trong đó xi măng Portland PC40 được sử dụng để đạt được cường độ bê tông từ 70 MPa Để đáp ứng yêu cầu cường độ từ 80 đến 100 MPa, cần sử dụng xi măng PC50 Xi măng cũng phải có thành phần hóa học phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2020 Đặc biệt, bê tông cần đạt cường độ tối thiểu 30 MPa sau 7 ngày.
T l n c/ch t k t dính
ch t oăbêătôngăc ngăđ cao, c n ph i l a ch n t l N/CKD phù h p, m i lo i h n h p bê tông c n m t t l N/CKD khác nhau T l N/CKD đ i v iăbêătôngăc ngăđ caoăth ng n m trong kho ngă0.2ăđ n 0.4 [4]
Trong sản xuất bê tông cường độ cao, việc giảm thiểu lượng N/CKD thông qua việc cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông là rất quan trọng Điều này giúp nâng cao hiệu suất làm việc và chất lượng sản phẩm bê tông Do đó, việc sử dụng phụ gia hóa học có thể cải thiện đáng kể tính công tác cho hỗn hợp bê tông, từ đó đáp ứng tốt hơn yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng.
Phụ gia hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất kết dính và phân tán các hạt trong bê tông, từ đó nâng cao hiệu suất công tác cho hỗn hợp bê tông Điều này không chỉ giúp giảm thiểu hiện tượng ngưng tụ mà còn tăng cường tính bền vững của bê tông trong quá trình thực nghiệm.
C t li u
Trong sản xuất bê tông chịu lực cao, việc lựa chọn nguyên liệu là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng Các loại vật liệu như cát, đá, và xi măng cần được xem xét kỹ lưỡng, đặc biệt là cát có kích thước hạt nhỏ và đá có độ nén cao Đối với bê tông chịu lực cao, tỷ lệ cốt liệu từ 2.5 đến 3.2 là lý tưởng, giúp tăng cường độ bền cho sản phẩm Đồng thời, việc sử dụng đá có cường độ nén từ 100 MPa trở lên cũng góp phần nâng cao tính chất cơ học của bê tông.
Dmax = 19 ậ 25 mm có th ch t oăbêătôngăc ngăđ cao [4] C t li u s d ng cho nghiên c u ph i phù h p v i TCVN 7570:2006 [21]
Hệ thống bê tông có chiều cao, hình dáng của cấu trúc liền khối ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông Do đó, nên sử dụng đá tự nhiên có bề mặt nhẵn thay vì sử dụng bê tông thô Thêm vào đó, cấu trúc liền khối cần có sự kết nối chắc chắn giữa các thành phần để đảm bảo tính liên kết và độ bền của vật liệu.
Dùng hóa chất bê tông là việc rất quan trọng sau khi đúc các cấu kiện bê tông Hóa chất giúp duy trì độ bền và tính chất cần thiết trong bê tông ngay sau khi hoàn thiện, từ đó đảm bảo các đặc tính mong muốn có thể phát triển Việc sử dụng hóa chất có thể nhanh chóng nâng cao các tính chất của bê tông, đồng thời bảo vệ bề mặt, chống thấm, và giữ cho bê tông luôn mới mẻ.
Bê tông có tính chất cứng chắc và độ bền cao, nhưng sự phát triển của nó phụ thuộc vào thời gian và các yếu tố môi trường Hình 2.2 minh họa sự phát triển của bê tông theo thời gian trong các giai đoạn khác nhau Sau 28 ngày, bê tông đạt được độ bền tối đa trong điều kiện không khí, trong khi sau 7 ngày, độ bền vẫn còn ở mức thấp hơn Việc nghiên cứu các giai đoạn phát triển này giúp tối ưu hóa tính chất của bê tông, đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền lâu dài.
H̀nh 2.2 C ng đ ch u nén c a bê tông nh ng đi u ki n d ng h khác [19]
+ Compressive strength: c ng đ ch u nén
+ Age at test, days: ngày tu i thí nghi m, ngày
+ Moist-cured entire time: d ng h m hoàn toàn
+ In air after 28 days moist curing: d ng h trong không khí sau 28 ngày d ng h m
+ In air after 7 days moist curing: d ng h trong không khí sau 7 ngày d ng h m
ăD ng h bê tông
Mức nhiệt độ tối ưu để tháo khuôn bê tông là khoảng 27 ± 2 độ C Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng thoát hơi nước và sự đông kết của bê tông, do đó việc duy trì nhiệt độ trong bê tông là rất quan trọng Nếu nhiệt độ thấp hơn 11 độ C, bê tông có thể gặp phải vấn đề về đông cứng, dẫn đến giảm chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.
Phương pháp ngâm toàn bộ phần bê tông vào trong nước, như được minh họa trong Hình 2.3, là một kỹ thuật hiệu quả trong phòng thí nghiệm để duy trì độ ẩm cho bê tông Phương pháp này giúp bê tông hấp thụ nước từ bên trong, làm cho quá trình hydrat hóa diễn ra thuận lợi và giảm nhiệt độ trong quá trình hydrat hóa.
H̀nh 2.3 D ng h các m u bê tông trong ph̀ng th́ nghi m
H N NăXIăM NGă - BÙN
Liu và c ng s [23] đưăs d ngăbùnănhƠămáyăn căđ th c hi n nghiên c u v ph n ng pozzolan c a bùn trong h n năxiăm ng Hình 2.4 th hi n c u trúc c a bùn thông qua nh ch p
H̀nh 2.4 nh ch p SEM c a m u bùn trong nghiên c u c a Liu và c ng [23]
Tổng hợp oxit trong bùn, bao gồm SiO2, Fe2O3 và Al2O3, đạt 83.73%, đáp ứng yêu cầu của pozzolan loại N tự nhiên theo tiêu chuẩn ASTM C618 Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng Ca(OH)2 giảm khi thay thế bùn vào xi măng, với sự giảm thiểu này rõ rệt ở 28 và 91 ngày tuổi Mẫu không thay thế bùn có hàm lượng Ca(OH)2 cao nhất, trong khi mẫu thay thế 10% bùn cho thấy hiệu quả tốt nhất Các khoáng chất trong bùn như SiO2 và Al2O3 tương tác với Ca(OH)2 trong quá trình hydrat hóa, tạo ra các khoáng có lợi như C-S-H và C-A-H, được hình thành qua các phản ứng hóa học.
Ca(OH)2 + SiO2* = CaO.2SiO2.H2O (2.7)
CaO.2SiO2.H2O + SiO2 * + nH2O = CaO.SiO2.(n+2)H2O (2.8)
Ca(OH)2 + Al2O3* = 2CaO.Al2O3.H2O (2.9)
2CaO.Al2O3.H2O + Ca(OH)2 + 3H2O = CaO.SiO2.(n+2)H2O (2.10)
H̀nh 2.5 ảàm l ng CH gi m do ph n ng pozzolanic trong nghiên c u c a Liu và c ng s
Các khoáng chất như CậSậH và CậAậHăđ có khả năng tạo thành sỏi, từ đó làm mất ngạnh đặc trưng của đá xi măng, đồng thời giảm thiểu khả năng xâm nhập của đá xi măng Nghiên cứu của Liu và cộng sự còn cho thấy phần ngưng pozzolanic bắt đầu phát triển sau 7 ngày đóng rắn, nhờ đó tạo ra pozzolanic giảm thiểu ảnh hưởng của bùn thay thế cho xi măng.
Nghiên cứu của Haustein và cộng sự cho thấy rằng SiO2 trong bùn có vai trò quan trọng trong quá trình hydrat hóa của xi măng Portland, dẫn đến sự hình thành hydrosilicat canxi (gel C-S-H) với tỷ lệ Ca/Si cao Gel C-S-H được hình thành từ quá trình hydrat hóa này có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu.
Dưới đây là các nghiên cứu về việc sử dụng bùn trong sản xuất bê tông, nhằm cải thiện chất lượng và tính năng của bê tông Bùn có khả năng pozzolanic cao, giúp tăng cường độ bền và tính chất cơ học của bê tông Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của bùn đến các đặc tính của bê tông, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu cho việc sử dụng bùn thay thế xi măng trong sản xuất bê tông.
H NGUYÊN V T LI U
Bùn th i
Bùn thải được sử dụng cho nghiên cứu tại nhà máy cấp phân thực phẩm (xem Hình 3.1) Bùn tại nhà máy được chứa trong bể ngăn và sau đó được xử lý qua polymer trước khi đưa vào bãi chôn lấp Theo kết quả nghiên cứu của Võ và cộng sự [6], Nguyễn [14], bùn thải sau khi lấy từ phòng thí nghiệm phải được sấy khô ở nhiệt độ 110°C cho đến khi khối lượng không thay đổi Bùn sau khi sấy được nghiền mịn bằng máy nghiền bi và được rây qua sàng có kích thước 0.14 mm, loại bỏ bùn còn sót lại trên sàng tiếp theo và rây sàng lại Các chỉ tiêu kỹ thuật và thành phần hóa học của bùn được thể hiện trong Bảng 3.1 và 3.2.
H̀nh 3.1 Bùn th i t i bãi ch a nhà máy c p n c Th c
B ng 3.1 Ch tiêu k thu t c a bùn [14]
Ch ătiêuăc ălỦ K tăqu Ph ngăphápăth ăho tătínhă(%)
B ng 3.2 Thành ph n hóa h c c a bùn [14]
Xiăm ngăđ c s d ng cho nghiên c uălƠăxiăm ngăNghiăS năPC40ălo i I (xem Hình 3.2) Các ch tiêu k thu t c aăxiăm ngđ c th hi n trong B ng 3.3 phù h p v i TCVN 2682:2020
[18] Thành ph n hóa h c c aăxiăm ngăđ c th hi n trong B ng 3.4
H̀nh 3.2 Xi m ng Nghi S n PC40 lo i I
B ng 3.3 Ch tiêu k thu t c a xi m ng Nghi S n PC40 lo i I [14]
S năPC40 lo i I K tăqu Ph ngăphápăth
L ngăn cătiêuăchu n Khôngăquyăđ nh 30 TCVN 6017:2015 [28]
Kh iăl ngăriêngă(g/cm 3 ) Khôngăquyăđ nh 3.1 TCVN 4030:2003 [27]
B ng 3.4 Thành ph n hóa h c c a xi m ng Nghi S n PC40 lo i I [14]
N căđ c s d ng cho thí nghi m tại phòng thí nghiệm Vật liệu, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM N căđ c s d ng này không l n t p ch t, không váng d u m, không màu, không mùi và đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 4506:2012.
3.1.4 C t li u l n áăđ c r a,ăph iăkhôăvƠădùngălƠmăc t li u l n cho thí nghi m (xem Hình 3.4) áăsauăkhiă r a s chăvƠăph iăkhôăti n hành thí nghi m các ch tiêu v t lý c aăđá.ăCác ch tiêu v t lý c aăđáă đ c thí nghi m theo TCVN 7572:2006 [30] và th a v i TCVN 7570:2006 [21] Các ch tiêu v t lý c aăđáăđ c th hi n trong B ng 3.5 K t qu thí nghi m thành ph n h tăđ c th hi n trong B ng 3.6 và Hình 3.5
B ng 3.5 Các ch tiêu v t lý c a đá [14]
Ch ătiêu K tăqu Ph ngăphápăth
Kh iăl ngăth ătíchă(g/cm 3 ) 1.44 TCVN 7572:2006 [30]
Kh iăl ngăriêngă(g/cm 3 ) 2.69 TCVN 7572:2006 [30]
B ng 3.6 K t qu thí nghi m thành ph n h t c a đá [14]
Kíchăth căsƠngă(mm) Kh iăl ngăsótăl iă(g) L ngăsótătíchăl yă(%)
Cátăđ c r a,ăph iăkhôăvƠăs d ng làm c t li u nh cho thí nghi m (xem Hình 3.6) Cát đ c s yăkhôăđ n kh iăl ngăkhôngăđ i và thí nghi m các ch tiêu v t lý theo TCVN 7572:2006
[30] và th a v i TCVN 7570:2006 [21] Các ch tiêu v t lý c aăcátăđ c th hi n trong B ng 3.7 K t qu thí nghi m thành ph n h tăđ c th hi n trong B ng 3.8 và Hình 3.7
Kíchăth căsƠngă(mm) áăs ăd ng Min
H̀nh 3.6 Cát đ c s d ng trong nghiên c u
B ng 3.7 Ch tiêu v t lý c a cát sông [14]
Ch ătiêu K tăqu Ph ngăphápăth
Kh iăl ngăth ătíchă(g/cm 3 ) 1.44 TCVN 7572:2006 [30]
Kh iăl ngăriêngă(g/cm 3 ) 2.69 TCVN 7572:2006 [30]
Moduleăđ ăl nă(Mdl) 2.11 TCVN 7572:2006 [30]
B ng 3.8 K t qu thí nghi m thành ph n h t c a cát [14]
Kíchăth căsƠngă(mm) Kh iăl ngăsótăl iă(g) L ngăsótătíchăl yă(%)
H̀nh 3.7 Thành ph n h t c a cát đ c s d ng trong nghiên c u [14]
Phụ gia Master Glenium SKY 8719, như hình 3.8, là một loại phụ gia siêu dẻo được phát triển với các polymer ether biến tính và công nghệ sureTEC Nhờ vào cấu trúc polymer ether biến tính, phụ gia này giúp cải thiện đáng kể khả năng chống tách nước và tăng cường độ bền cho bê tông, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ đặc chắc cao.
C t li u l n
Trong thí nghiệm, các tiêu chuẩn vật lý của đá được kiểm tra theo TCVN 7572:2006 và TCVN 7570:2006 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý được trình bày trong Bảng 3.5, và thành phần hạt được thể hiện trong Bảng 3.6 và Hình 3.5.
B ng 3.5 Các ch tiêu v t lý c a đá [14]
Ch ătiêu K tăqu Ph ngăphápăth
Kh iăl ngăth ătíchă(g/cm 3 ) 1.44 TCVN 7572:2006 [30]
Kh iăl ngăriêngă(g/cm 3 ) 2.69 TCVN 7572:2006 [30]
B ng 3.6 K t qu thí nghi m thành ph n h t c a đá [14]
Kíchăth căsƠngă(mm) Kh iăl ngăsótăl iă(g) L ngăsótătíchăl yă(%)
C t li u nh
Cátăđ c r a,ăph iăkhôăvƠăs d ng làm c t li u nh cho thí nghi m (xem Hình 3.6) Cát đ c s yăkhôăđ n kh iăl ngăkhôngăđ i và thí nghi m các ch tiêu v t lý theo TCVN 7572:2006
[30] và th a v i TCVN 7570:2006 [21] Các ch tiêu v t lý c aăcátăđ c th hi n trong B ng 3.7 K t qu thí nghi m thành ph n h tăđ c th hi n trong B ng 3.8 và Hình 3.7
Kíchăth căsƠngă(mm) áăs ăd ng Min
H̀nh 3.6 Cát đ c s d ng trong nghiên c u
B ng 3.7 Ch tiêu v t lý c a cát sông [14]
Ch ătiêu K tăqu Ph ngăphápăth
Kh iăl ngăth ătíchă(g/cm 3 ) 1.44 TCVN 7572:2006 [30]
Kh iăl ngăriêngă(g/cm 3 ) 2.69 TCVN 7572:2006 [30]
Moduleăđ ăl nă(Mdl) 2.11 TCVN 7572:2006 [30]
B ng 3.8 K t qu thí nghi m thành ph n h t c a cát [14]
Kíchăth căsƠngă(mm) Kh iăl ngăsótăl iă(g) L ngăsótătíchăl yă(%)
H̀nh 3.7 Thành ph n h t c a cát đ c s d ng trong nghiên c u [14]
Ph gia
Phụ gia Master Glenium SKY 8719, như được trình bày trong Hình 3.8, là một sản phẩm siêu dẻo có thành phần bao gồm các polymer ether biến tính kết hợp hoàn hảo với công nghệ sureTEC Nhờ cấu trúc polymer ether biến tính, phụ gia này giúp kháng ngăn ngừa hiện tượng tách nước, cải thiện đáng kể tính chất của bê tông, từ đó nâng cao độ bền và hiệu suất công trình.
H̀nh 3.8 Ph gia đ c s d ng trong nghiên c u
Ph gia siêu d o Master Glenium SKY 8719 không ch a clo và phù h p v i ASTM C494
THI T K C P PH I
Cấp phối bê tông được thiết kế theo TCVN 10306:2014 với cường độ nén 28 ngày đạt 70 MPa cho mẫu có kích thước 150x150x150 mm Dựa trên kết quả nghiên cứu của Nguyễn [14], cấp phối bê tông cho 1 m³ được tính toán theo thực nghiệm và được trình bày trong Bảng 3.9.
B ng 3.9 C p ph i đ i ch ng cho 1 m 3 bê tông tính theo th c nghi m tham kh o t nghiên c u c a Nguy n [14]
Kíăhi uă m u năv :ăkg/m 3 Ph ăgiaă(%ă xiăm ng) CLN/CL
Ti p theo, thi t k c p ph i bê tông có s d ng bùn th i thay th m t ph năxiăm ng l năl t
5, 10, 15, 20, 25 vƠă30%ăđ c th hi n trong B ng 3.10
B ng 3.10 ảàm l ng bùn thay th xi m ng cho t ng c p ph i
Ví d minh h a vi c tính toán l i kh iăl ng c aăxiăm ngăvƠăbùnăth i trong c p ph i bê tông thay th 5%ăxiăm ngăb ng bùn, c th nh ăsau:
Kh iăl ng bùn trong c p ph i
Tính l i kh iăl ng c a cát trong c p ph i
Tínhătoánăt ngăt cho các c p ph i thay th 10,ă15,ă20,ă25ăvƠă30%ăxiăm ngăb ng bùn th i
K t qu tínhătoánăđ c th hi n trong B ng 3.11
Kíăhi uă m u năv :ăkg/m 3 Ph ăgiaă(%ă xiăm ng) CLN/CL
ăPH NGăPHỄPăTHệăNGHI M
X lý bùn
Bùn thải được thu gom và xử lý qua polymer, sau đó quay ly tâm để tách ra bãi chứa bằng xe chuyên dụng Bùn thải được lấy tại bãi chứa và mang đến phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TPHCM để xử lý qua 4 giai đoạn, dựa trên kết quả nghiên cứu của Võ và cộng sự Giai đoạn 1: Bùn sau khi được lấy sẽ được phơi khô liên tục trong nhiều ngày cho đến khi khô hoàn toàn.
Giaiăđo n 2: Bùnăsauăkhiăph iăđ c s y trong lò (xem Hình 3.10 a, b, c và d) nhi tăđ
110 o Căđ n khi kh iăl ngăkhôngăthayăđ i
H̀nh 3.10 Quy trình s y bùn: (a) cân kh i l ng bùn ban đ u, (b) bùn đ c s y trong lò, (c) bùn sau khi s y khô và (d) cân l i kh i l ng bùn sau khi s y
Giaiăđo n 3: Sau khi s yăbùnăđ n kh iăl ngăkhôngăđ i, cho bùn vào máy nghi n bi s tăđ ti n hành nghi n m n (xem Hình 3.11), nghi n liên t c trong nhi u gi đ năkhiăbùnăđưămn thành b t
H̀nh 3.11 Bùn đ c nghi n b ng máy nghi n bi s t
Giaiăđo n 4: Bùn sau khi nghi năđ c sàng qua rây 0.14 mm đ l y h t nh h nă0.14 mm Bùn sau khi rây sƠngăđ c b o qu nătrongătúiănilongăđ tránh b m (xem Hình 3.12 a và b)
Ph n bùn còn sót l i trên sàng ti p t c cho vào máy nghi năbiăđ nghi n l i
H̀nh 3.12 (a) bùn đ c rây qua sàng 0.14 mm và (b) bùn đ c b o qu n trong túi nilong
Bùn được phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) để so sánh với xi măng Kết quả được thể hiện trong bảng 3.12.
B ng 3.12 Thành ph n hóa h c c a bùn so sánh v i xi m ng [14]
ThƠnhăph năhóa Bùn (% theoăkh iăl ng) Xiăm ngă(% theoăkh iăl ng)
Phân tích thành phần hóa học của bùn cho thấy nó chứa các thành phần như SiO2, Fe2O3, Al2O3 và CaO, với khả năng ứng dụng trong nghiên cứu Các khoáng chất trong bùn có thể tác động đến khoáng Ca(OH)2 được tạo ra trong quá trình hydrat hóa của xi măng, từ đó hình thành các khoáng có lợi như CSH và CAH, giúp phát triển cường độ cho bê tông Điều này mang lại hiệu quả cao trong việc thay thế xi măng bằng bùn Thành phần của bùn còn giúp thúc đẩy tính pozzolanic, làm tăng độ chắc chắn và góp phần chống lại các tác nhân xâm thực.
3.3.1.2 m n c a bùn m n c aăbùnăđ c ti n thành thí nghi m theo TCVN 4030:2003 [27], ti n hành thí nghi m rây 2 l n qua sàng 0.09 mm và m i l n 100 g bùn; sauăđó, cơnăl ngăsótătrênăsƠngăđ xácăđnh ph nătr măsótăl i trên sàng K t qu thí nghi măđ c th hi n trong B ng 3.13
Có th th yăđ m n c a bùn (12.95%)ăcaoăh năr t nhi u so v iăxiăm ngăs d ng cho nghiên c u (0.3%) Doăđó,ăbùnăcóăkíchăth c h tătoăh năxiăm ngăs d ng trong nghiên c u
Khi tiến hành thí nghiệm xác định khối lượng riêng của bùn, kết quả thu được khối lượng riêng của bùn là 2.52 g/cm³, trong khi đó khối lượng riêng của axit là 3.1 g/cm³, theo tiêu chuẩn TCVN 4030:2003 Hình 3.13 minh họa quá trình thí nghiệm khối lượng riêng của bùn.
H̀nh 3.13 D ng c thí nghi m kh i l ng riêng c a bùn
L ngăn c tiêu chu n c aăbùnăđ c th c hi n theo TCVN 6017:2015 [32] K t qu thí nghi măđ c th hi n trong B ng 3.14
B ng 3.14 L ng n c tiêu chu n c a bùn và xi m ng [14]
3.3.1.5 ho t tính c a bùn ho t tính c aăbùnăđ c th c hi n theo TCVN 6882:2016 [26] T s c ngăđ ch u nén c a m u v a ch a 20% bùn thay th xiăm ngă 7 ngày tu i (Rb)ăvƠăc ngăđ ch u nén c a m u s d ngăxiăm ngăPortlandăkhôngăthayăth bùn 7 ngày tu i (Rs) (xem B ng 3.15), tính b ng ph nătr măđ c g iălƠăđ ho t tính (IR) c a bùn và tính theo công th c (3.1) Hình 3.14 a và b cho th y m u thí nghi m đ ho t tính tr c và sau khi thí nghi m b 100%
+ Rb lƠăđ ăb nănénăc aăm uăxiăm ngăPortlandăs ăd ngă20%ăbùnăthayăth ă7ăngƠyătu i. + Rs lƠăđ ăb nănénăc aăm uăxiăm ngăPortlandăkhôngăs ăd ngăbùnăthayăth ă ă7ăngƠyătu i
K t qu đ ho tătínhăđ c th hi n trong B ng 3.15
Rs (MPa) 29.7 ăho tătính IR (%) 82.9
H̀nh 3.14 M u thí nghi m đ ho t tính: (a) m u đo đ ho t tính c a bùn và (b) m u đo đ ho t tính sau khi nén
Dựa vào kết quả trong Bảng 3.21, có thể thấy hoạt tính của bùn thải phế ngành công nghiệp là rất cao, với kết quả cho thấy hoạt tính của bùn vẫn nằm trong khoảng cho phép (> 75%) Điều này cho thấy bùn có khả năng hoạt tính theo tiêu chuẩn TCVN 6882:2016.
Sau khi thi công cấp phối bê tông, tiến hành nhào trộn vật liệu, trong đó tỷ lệ bùn thay thế xi măng được áp dụng từ 0% đến 30% Sau khi đúc, cần thực hiện kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật của mẻ bê tông có sử dụng bùn thay thế.
Quy trình nhào tr n h n h păbêătôngăđ c ti năhƠnhănh ăsau:
+ Cân t t c các nguyên li u c n thi t cho c p ph i S d ng máy tr năc ng b căđ th c hi n nhào tr n
+ Làm m t t c các d ng c c n s d ng cho quá trình tr n
+ă ongăn c làm 2 ph n b ng nhau, ph năđ uălƠăn c không ch a ph gia, ph n th hai cho toàn b ph giaăvƠoăn c và khu yăđ u
+ Cho cát và ch t k t dính g măxiăm ngăvƠăbùnă(n u có) vào tr n kho ng 30 giây (xem Hình 3.15a)
+ n c không ch a ph gia vào và ti p t c tr n trong 30 giây (xem Hình 3.15b)
Sau khi thực hiện các bước chuẩn bị, quá trình thi công bê tông hoàn chỉnh sẽ diễn ra trong 30 giây (xem Hình 3.15c) Tiếp theo, việc bổ sung phụ gia vào hỗn hợp sẽ được thực hiện trong vòng 60 giây để đảm bảo chất lượng bê tông đạt yêu cầu (xem Hình 3.15d).
H̀nh 3.15 Quy trình nhào tr n c a bê tông: (a) cát và ch t k t d́nh đ c cho vào máy tr n,
(b) n c không ch a ph gia đ c thêm vào máy tr n, (c) cho đá d m vào máy tr n và (d) cho ph n n c cu i cùng vào máy tr n
Xác định nhạt sệt của hỗn hợp bê tông theo TCVN 3106:1993 được thực hiện bằng cách sử dụng côn N1 có đường kính nhỏ d = 100 mm, đường kính lớn D = 200 mm và chiều cao h = 300 mm để đo sệt của hỗn hợp bê tông Dùng cột thép tròn có đường kính 16 mm, và sử dụng thước lá kim loại có độ chính xác đến 0.5 cm Quy trình xác định nhạt sệt này đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc đánh giá chất lượng bê tông.
- V sinh s ch ph năbêătôngăc ăbámă m t trong c a côn, dùng gi lau m m t trong c a côn và các d ng c ti p xúc tr c ti p v i h n h păbêătôngănh ăthanhăđ m, bay, ph u
- t côn lên n n m, c ng và không th măn c.ă ng lên g iăđ tăchơnăđ chân gi côn c đnh trong quá trình đ vƠăđ m h n h p bê tông trong côn
Hình hộc bê tông được phân chia thành 3 lớp, mỗi lớp chiếm không quá một phần ba chiều cao của côn Sau khi đổ từng lớp, cần sử dụng thanh thép tròn để căng đều trên toàn bộ mặt hình hộc bê tông, giúp kết nối với nhau Mỗi lớp cần có 25 cái lắp đặt sâu, các lớp sau sẽ xuyên qua lắp đặt khoảng 2-3 cm Lớp thứ ba, vữa cũng cần được trộn thêm để đảm bảo hình hộc bê tông luôn đạt độ bền cần thiết.
Chạy bộ là một hoạt động thể thao đơn giản nhưng hiệu quả, giúp tăng cường sức khỏe và cải thiện tâm trạng Để chạy bộ đúng cách, bạn cần chú ý đến kỹ thuật chạy, đặc biệt là việc đặt chân và giữ thăng bằng Khi bắt đầu, hãy lắng nghe cơ thể và điều chỉnh nhịp thở, đồng thời duy trì tư thế thẳng lưng Thời gian chạy nên được điều chỉnh từ 5 đến 10 phút cho những người mới bắt đầu, nhằm tránh chấn thương và xây dựng sức bền từ từ.
- t côn sang bên c nh kh i h n h p bê tông v a t oăhìnhăvƠăđoăchênhăl ch chi u cao gi a mi ng côn v i kh i h n h p, chính xác t i 0.5 cm (xem Hình 3.16)
Thời gian bắt đầu tính từ lúc bê tông được đổ vào khuôn cho đến khi bê tông đạt được độ cứng cần thiết phải được thực hiện liên tục, không ngắt quãng và không quá 150 giây.
N u kh i h n h p bê tông sau khi nh c côn b đ ho c t oăthƠnhăhìnhăkhóăđoăthìăph i ti n hƠnhăđúcăm u khác theo TCVN 3105:1993 [22] đ th l i
H̀nh 3.16 s t c a c p ph i bê tông trong nghiên c u
3.3.2 3 úc m u và d ng h bê tông
Quy trình đúc mẫu bê tông theo TCVN 3105-1993 yêu cầu sử dụng khuôn thép có kích thước 100×100×100 mm Khuôn cần được lau sạch để tránh dính bẩn bên trong Bê tông được đổ vào khuôn thành hai lớp, sử dụng thanh thép tròn để đầm lớp đầu tiên ở đáy khuôn, sau đó đầm lớp thứ hai xung quanh thành khuôn nhằm tránh rỗ mặt khi tháo khuôn Cuối cùng, dùng bay để làm phẳng bề mặt bê tông Sau khi hoàn thành, mẫu bê tông cần được bảo quản trong không gian kín, tránh ánh nắng trực tiếp và được che phủ bằng nilon trong 24 giờ.
H̀nh 3.17 Các m u c a các c p ph i bê tông Sau 24 gi , m uăđ c tháo kh i khuôn, ghi kí hi u m u và cho vào b d ng h đi u ki n nhi tăđ 27 ± 2 o C, xem Hình 3.18
3.3.3 Xácăđ nhăc ngăđ ch u nén c a m u bê tông
C ngăđ ch u nén c aăbêătôngăđ c th c hi n t i phòng thí nghi m V t li u Xây d ng, Khoa K thu t Xây d ng,ătr ngă i h căBáchăKhoa,ă i h c Qu c Gia Thành ph H Chí Minh
Phương pháp xác định cường độ nén của bê tông được thực hiện theo TCVN 3118:1993 Chuẩn bị mẫu theo nhóm, mỗi nhóm mẫu gồm 3 viên với kích thước chuẩn là 100x100x100 mm được chế tạo và đổ vào khuôn Mẫu được nén trong máy nén với cường độ nén được xác định ở các thời điểm 3, 7, 28 và 56 ngày.
ă S T C A CÁC C P PH I BÊ TÔNG
s t c a các c p ph i bê tông thay th 0,ă5,ă10,ă15,ă20,ă25ăvƠă30%ăxiăm ngăb ng bùn đ c th hi n trong Hình 4.1
Hình 4.1 thể hiện các cấp phối bê tông với yêu cầu thiết kế có độ sụt 14 ± 2 cm Bằng cách sử dụng nguyên liệu chất lượng cao và các phụ gia siêu dẻo, cần điều chỉnh tỷ lệ bùn thay thế từ 0%, 5%, 10%, 15% đến 20% để đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Công thức bê tông thường chứa từ 25% đến 30% xi măng nhằm tạo ra độ bền và tính chất dẻo dai cho sản phẩm Nguyên nhân khiến bê tông có khả năng dính tốt là do tác động của bùn, giúp cải thiện cấu trúc bê tông Mặc dù vậy, bê tông vẫn có tính linh hoạt cao và dễ dàng tạo hình, đáp ứng nhu cầu thiết kế đa dạng.
Có th th y khi hƠmăl ng bùn thay th t ngălênăthìđ s t c a h n h p bê tông gi m,ăđi u nƠy cóxuăh ngăt ngăt v i nghiên c u c a Zhao vƠ c ng s [6] vƠ nghiên c u c a Võ vƠ c ng s [6].
ăC NGă CH U NÉN C A CÁC C P PH I BÊ TÔNG
C ngăđ ch u nén c a bê tôngăđ căđoă cácăđ tu i 3, 7, 28 và 56 ngƠyăđ c th hi n Hình 4.2 C ngăđ ch u nén c a bê tông 28 ngày tu iăđ i v i m uăđ i ch ng B-00 là 74.65
Các mẫu bê tông thay thế 5%, 10% và 15% xi măng bằng bùn có cường độ chịu nén 28 ngày lần lượt là 67.4 MPa, 64.85 MPa và 60.33 MPa, cho thấy khả năng chịu lực cao Trong khi đó, các mẫu thay thế 20%, 25% và 30% xi măng cũng đạt cường độ chịu nén từ 50 MPa trở lên, với các giá trị lần lượt là 55.91 MPa, 52.87 MPa và 51.78 MPa Những kết quả này chứng tỏ rằng các mẫu bê tông này vẫn có thể được sử dụng rộng rãi trong các công trình yêu cầu cường độ tối thiểu 50 MPa.
Trong 3 ngày tuổi, mẫu có cường độ chịu nén cao nhất đạt 57.12 MPa, trong khi các mẫu thay thế 5, 10, 15 và 20% xi măng bùn lần lượt có cường độ chịu nén là 48.17, 45.53, 46.96 và 39.16 MPa Các mẫu thay thế 25% và 30% xi măng bùn có cường độ chịu nén là 37.80 và 34.22 MPa Đặc biệt, mẫu thay thế 30% xi măng bùn có cường độ chịu nén thấp nhất là 34.22 MPa Chênh lệch cường độ chịu nén giữa mẫu cao nhất và thấp nhất là 22.90 MPa, tương đương với 40.10%.
Sau 7 ngày tuổi, mẫu bê tông B-00 đạt cường độ nén cao nhất là 65.94 MPa Các mẫu thay thế 5%, 10%, 15% và 20% xi măng bằng bùn lấp lần lượt có cường độ nén là 55.97, 56.51, 52.81 và 49.87 MPa Mẫu thay thế 25% và 30% xi măng bằng bùn lấp có cường độ nén là 48.59 và 42.50 MPa Đặc biệt, mẫu thay thế 30% cho kết quả cường độ nén thấp nhất là 42.50 MPa Chênh lệch cường độ nén giữa các mẫu bê tông sau 7 ngày tuổi dao động từ 5.85 đến 10.98 MPa, tương ứng với tỷ lệ giảm từ 12.47% đến 28.57%.
Sau 28 ngày tuổi, mẫu bê tông có cường độ nén cao nhất đạt 74.65 MPa Các mẫu thay thế với 5%, 10%, 15% và 20% xi măng bằng bùn lẫn có cường độ nén lần lượt là 67.40 MPa, 64.85 MPa, 60.33 MPa và 55.91 MPa.
Mẫu bê tông chứa 30% xi măng ngậm bùn có cường độ chịu nén đạt 52.87 MPa và 51.78 MPa Sự khác biệt cường độ chịu nén giữa mẫu cao nhất và mẫu thấp nhất là 22.87 MPa, tương ứng với 30.64% So với mẫu bê tông 7 ngày tuổi, cường độ chịu nén của mẫu 28 ngày tuổi tăng đáng kể, đạt từ 4.28 MPa đến 11.44 MPa, tương ứng với 8.80 MPa và 21.84%.
Sau 56 ngày tuổi, mẫu bê tông B-00 đạt được cường độ nén cao nhất là 76.93 MPa Các mẫu thay thế với tỷ lệ xi măng 5, 10, 15, 20, 25 và 30% có cường độ nén lần lượt là 70.62, 67.01, 63.79, 59.54, 56.06 và 54.84 MPa Mẫu có tỷ lệ thay thế 30% xi măng đạt cường độ nén thấp nhất là 54.84 MPa, tạo ra chênh lệch cường độ nén giữa mẫu cao nhất và thấp nhất là 22.08 MPa, tương ứng với 28.71% So với 28 ngày tuổi, cường độ nén của mẫu bê tông 56 ngày tuổi tăng từ 2.15 đến 3.63 MPa, tương ứng với mức tăng từ 3.05 đến 6.49%.
Hình 4.2 cho thấy cường độ nén của các mẫu bê tông thay thế xi măng bằng bùn ở các thời điểm 3, 7, 28 và 56 ngày tuổi Nhìn chung, cường độ nén tăng lên theo thời gian và các tuổi khác nhau Khi hàm lượng bùn thay thế xi măng tăng, cường độ nén của bê tông giảm Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Zhao và cộng sự [6], Võ và cộng sự.
Hình 4.3 cho thấy sự phát triển nén của các mẫu bê tông ở 7, 28 và 56 ngày tuổi so với 3 ngày tuổi Tại 7 ngày tuổi, mẫu không sử dụng bùn có cường độ nén đạt 1.12, trong khi mẫu sử dụng bùn thay thế xi măng đạt 1.29, với tỷ lệ thay thế 25% Ở 28 ngày tuổi, mẫu không sử dụng bùn có cường độ nén là 1.28, trong khi mẫu sử dụng bùn đạt 1.51 với tỷ lệ thay thế 30% Đến 56 ngày tuổi, mẫu không sử dụng bùn đạt 1.35, còn mẫu sử dụng bùn có cường độ nén cao nhất là 1.60 với tỷ lệ thay thế 30%.
H̀nh 4.3 T s c ng đ nén c a các m u bê tông 7, 28 và 56 ngày tu i so v i 3 ngày tu i
Rd : c ng đ ch u nén 7, 28 và 56 ngày tu i (MPa)
R3 : c ng đ ch u nén 3 ngày tu i (MPa)
ăC NGă CH U KÉO KHI U N C A CÁC C P PH I BÊ TÔNG
Th tích l r ng h
Trong 28 ngày tuổi, thí nghiệm với mẫu B-00 cho thấy tỷ lệ tích lũy răng hạt đạt 2.27% Các mẫu thay thế với tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% xi măng bùn lần lượt có tỷ lệ tích lũy răng hạt là 2.80%, 3.05%, 3.44%, 3.99%, 4.48% và 4.64% Mẫu thay thế 30% xi măng bùn có tỷ lệ tích lũy răng hạt cao nhất là 4.64%, vượt trội hơn mẫu B-00 với tỷ lệ 2.37%.
T i 56 ngày tu i (xem Hình 4.7), th tích l r ng h c a m uăđ i ch ng B-00 v n có giá
Trong 28 ngày, tỷ lệ tăng trưởng là 4.37%, trong khi ở 56 ngày, tỷ lệ này đạt 4.56% Mức thay đổi 30% của chỉ số tăng trưởng cho thấy có sự gia tăng đáng kể, với tỷ lệ cao nhất ghi nhận là 4.56%, trong khi tỷ lệ thấp nhất là 2.67% So với 28 ngày, tỷ lệ tăng trưởng trong 56 ngày có xu hướng giảm nhẹ, với sự chênh lệch 0.06% và 0.51%.
H̀nh 4.7 Th tích l r ng h c a các m u bê tông thay th xi m ng b ng bùn 28 và 56 ngày tu i
Tình trạng ô nhiễm không khí đang gia tăng, đặc biệt là vào những ngày mưa bão, khi nồng độ bụi mịn tăng cao Nghiên cứu của Võ và cộng sự chỉ ra rằng ô nhiễm không khí có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng.
M I LIÊN H GI AăC NGă CH U NÉN C AăBểăTỌNGă I V Iă HÚT
M i liên h gi aăc ngăđ ch uănénăvƠăđ hútăn c c a bê tông
Cường độ chịu nén của các mẫu bê tông ở 28 và 56 ngày có sự khác biệt rõ rệt (xem Hình 4.8) Từ đó, có thể thấy rằng cường độ chịu nén tăng lên theo thời gian, không phụ thuộc vào việc sử dụng bùn thải hay xi măng.
H̀nh 4.8 M i liên h gi a c ng đ ch u ńn và đ hút n c c a bê tông
M i liên h gi aăc ngăđ ch u nén và th tích l r ng h c a bê tông
C ngăđ ch u nén và th tích l r ng h c a các m u bê tông ở 28 và 56 ngày có m i t ngăquanănghch v i nhau, cho thấy khi th tích l r ng h gi m xu ng thì c ngăđ ch uănénăt ngălênăvƠăng c l i Mối quan hệ này được mô tả bằng phương trình y = -0.0757x + 6.9438 với hệ số xác định R² = 0.9722.
M i liên h gi aăđ hútăn c và th tích l r ng h
T i 28 và 56 ngày, th tích tích l r ng h cƠngăt ngăthì đ hútăn căcƠngăt ng,ăt călƠăđ hútăn c và th tích l r ng h t l thu n v i nhau (xem Hình 4.10)
H̀nh 4.10 M i liên h gi a đ hút n c và th tích l r ng h c a bê tông
Nghiên cứu cho thấy rằng khi hàm lượng bùn trong bê tông tăng lên, tính chất cơ học của bê tông sẽ giảm và ảnh hưởng đến khả năng chịu nén Kết quả nghiên cứu của Võ và cộng sự cho thấy bùn có kích thước hạt lớn hơn so với xi măng, với hàm lượng bùn là 12.95% trong khi xi măng chỉ đạt 0.3% Bê tông sử dụng bùn có hàm lượng xi măng giảm từ 525 kg/m³ xuống 368 kg/m³ khi hàm lượng bùn tăng lên Phân tích cho thấy mối quan hệ giữa hàm lượng bùn và tính chất bê tông được mô tả bởi phương trình y = 1.4988x + 0.1064 với R² = 0.978.
THAY TH XIăM NG
K T LU N
Việc xử lý bùn thải từ nhà máy chế biến thực phẩm không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại hiệu quả cao trong việc tái sử dụng các nguồn tài nguyên Bằng cách thay thế một phần xi măng trong bê tông bằng bùn thải, chúng ta có thể tạo ra sản phẩm bê tông có chất lượng tốt hơn, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng phương pháp này không chỉ cải thiện tính bền vững của ngành xây dựng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
+ nh h ng c a bùn đ n đ s t c a h n h p bê tông
Khi sử dụng bùn thay thế cho cốt liệu trong bê tông, độ dính của bùn làm giảm chất lượng bê tông Mặc dù vậy, độ sụt của bê tông vẫn giữ nguyên trong khoảng thiết kế 14 ± 2 cm khi sử dụng bùn thay thế Tuy nhiên, khi tỷ lệ bùn vượt quá 25%, bê tông không còn giữ được độ sụt thiết kế ban đầu và sẽ bị giảm sút chất lượng.
+ nh h ng c a hàm l ng bùn đ n c ng đ ch u nén
Khi sử dụng bùn nạo vét thay thế một phần xi măng trong bê tông, có thể đạt được cường độ cao, với các mẫu thử nghiệm cho thấy cường độ lên đến 60 MPa sau 28 ngày Việc thay thế 20-30% xi măng bằng bùn nạo vét có khả năng tạo ra bê tông đạt cường độ từ 50 MPa trở lên, mặc dù không phải tất cả các mẫu đều đạt cường độ cao Điều này cho thấy bùn nạo vét có tiềm năng ứng dụng trong nhiều công trình hiện nay.
+ nh h ng c a hàm l ng bùn đ n c ng đ ch u kéo khi u n
T ngăt nh ăk t qu c ngăđ ch uănén,ăc ngăđ ch u kéo khi u n t ngălênătheoăth i gianăvƠăkhiăhƠmăl ng bùn thay th xiăm ngăt ngăthìăc ngăđ ch u kéo khi u n c a bê tông càng gi m
+ nh h ng c a hàm l ng bùn đ n đ hút n c và th tích l r ng h c a bê tông
Bê tông sử dụng trong xây dựng có khả năng hút ẩm và tích lũy nước, ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của công trình Việc kiểm soát độ ẩm và tích lũy nước là rất quan trọng trong quá trình thi công bê tông, không chỉ phụ thuộc vào việc sử dụng bùn mà còn vào các yếu tố khác như điều kiện thời tiết và phương pháp thi công.
+ ảàm l ng bùn t i u thay th xi m ng
T các k t qu nghiên c u trên, có th th y, hƠmăl ng bùn t iă uăthay th xiăm ngăđ ch t o bêătôngăc ngăđ cao t 5ăđ n 15% theo kh iăl ng ch t k t dính.
KI N NGH
+ Nghiên c u s d ng các ch t ho t hóa (NaOH, Na2SO4ầ)đ thúcăđ y phát tri năc ng đ cho bê tông s d ng bùn th i
+ Nghiên c u nhăh ng c a bùn th iăđ n tính th m,ă nămònăvƠăđ co ngót c a bê tông
+ Nghiên c u s d ngăhƠmăl ng l n bùn th i trong bê tông cho các công trình không yêu c uăc ngăđ caoănh ăn năđ ng, b kè ầ
+ Nghiên c u ch t o c t li u t bùn th i thay th c t li u t nhiênăđ đánhăgiáă nhăh ng c a c t li u nhân t oăđ n các tính ch tăc ălỦăc a bê tông
DANH M C CÔNG B KHOA H C C A TÁC GI
1 N D Vo, B T Mai, N P L Duong, P T Bui, X L Luu, D T Vu, ắEffectăofăPartialăReplacementă of Cement by Waste Sludge from Water Supply Plant on Compressive Strength and Water AbsorptionăofăHardenedăConcrete”,ăICSCEA 2021 - Proc Second Int Conf Sustain Civ Eng Archit, 2022 ( ưđ c ch p nh năđ ng)
2 N P L D ng, T Nguy n, P T Bùi, X L L u, D T V , ắ nhăh ng c a vi c t n d ng bùn th i thay th m t ph năxiăm ngăđ năc ngăđ nénăvƠăđ hútăn c c aăbêătôngăc ngăđ cao”,ăT p chí
V t li u và Xây d ng, 2022 ( ưăđ c ch p nh năđ ngăvƠăd ki n s 5ăn mă2022)
Effect of Partial Replacement of Cement by Waste Sludge from Water Supply Plant on Compressive Strength and Water Absorption of
Ngoc Duy Vo 1,2 , Ba Tien Mai 1,2 , Ngoc Phi Long Duong 1,2 , Phuong Trinh Bui 1,2* , Xuan Loc Luu 1,2 ,
1 Faculty of Civil Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), 268 Ly Thuong Kiet Street,
District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam
2 Vietnam National University Ho Chi Minh City, Linh Trung Ward, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam
3 Saigon Water Corporation, Ho Chi Minh City, Vietnam
This study investigates the effects of partially replacing cement with waste sludge from water supply plants on the compressive strength and water absorption of hardened concrete, aiming to assess the potential for utilizing such waste in concrete production The sludge, dried and ground to a particle size of less than 0.14 mm, was used to replace cement at 0%, 10%, 20%, and 30% by mass A reference concrete mixture with no sludge achieved a slump of 6±2 cm and a compressive strength of 45 MPa at 28 days, designed using the Bolomey-Skramtaev method, with a water-to-binder ratio of 0.53 Results indicated that increasing sludge content reduced the slump of fresh concrete while the compressive strength of hardened concrete decreased by 15.10% to 47.17% at 28 days with sludge replacements of 10% to 30% Additionally, water absorption increased by 3.68% and 48.32% for 10% and 20% sludge replacements, respectively Ultimately, a 10% cement replacement with sludge proved beneficial for maintaining desired slump, compressive strength, and water absorption, while also contributing to reduced carbon dioxide emissions and promoting sustainable development.
Keyword: Cement Replacement, Compressive Strength, Hardened Concrete, Waste Sludge, Water Absorption
Concrete significantly impacts the development of buildings and infrastructure globally; however, its traditional production is environmentally harmful, contributing to the release of 2.2 billion tons of carbon dioxide in 2016 alone Additionally, the increasing demand for fresh water necessitates the continuous operation of water supply and treatment plants, which generate substantial waste sludge that compromises water quality and productivity The growing concern over waste sludge, often discharged into the environment, highlights the urgent need to find sustainable uses for this byproduct to mitigate its negative effects on society and the environment.
Countries like China, the United States, and France are increasingly using waste sludge in construction, demonstrating improved electrical conductivity coefficients compared to traditional lightweight aggregates This waste sludge is not only utilized in lightweight aggregate production but also in the creation of Portland cement clinker, which enhances the strength of cement-based mortar and reduces production costs Additionally, Zhao et al explored the replacement of cement with uncontaminated marine sediments in mortar and concrete, finding that while the slump and compressive strength of concrete samples decreased with higher sludge replacement, the overall benefits of using waste materials in construction remain significant.
Utilizing waste sludge as a partial substitute for cement in the concrete industry offers significant benefits, including a reduction in CO2 emissions from cement production, lower construction costs, and decreased landfill requirements for waste sludge disposal However, research on the use of waste sludge from water supply plants as a cement replacement has been limited This study aims to explore the impact of partially replacing cement with waste sludge from water supply plants on the compressive strength and water absorption of hardened concrete, assessing the feasibility of this waste material for concrete production.
This study utilized cement and waste sludge as the primary cementitious materials The Portland cement, classified as type I, was sourced from Nghi Son Company and adhered to TCVN 2682:2009 standards Waste sludge was obtained from Saigon Water Corporation (SAWACO) in Ho Chi Minh City, Vietnam, and underwent drying at 110°C, followed by grinding and sieving to achieve a particle size of less than 0.14 mm The physical properties and chemical compositions of these materials are detailed in Tables 1 and 2 Testing for density, residual percentage on a 0.09-mm sieve, and compressive strength of the cement was conducted in accordance with TCVN 4030:2003 and TCVN 6016:2011 standards Additionally, the strength activity index of the sludge in relation to Portland cement was evaluated per TCVN 6882:2016, while the setting time and standard consistency were measured following TCVN 6017:2015 guidelines.
(a) Waste sludge at water supply plant and (b) ground waste sludge Table 1 Physical properties of cement and sludge
Setting time (min) Standard consistency
Sludge 41.90 30.20 17.50 5.26 1.18 0.00 1.30 0.33 0.42 LOI: Loss on ignition
Natural river sand (RS) with a fineness modulus of 2.1 served as the fine aggregate, while crushed stone (CS) with a maximum particle size of 20 mm was utilized as the coarse aggregate The physical properties and particle size distribution of both fine and coarse aggregates are detailed in Table 3 and illustrated in Fig 2 Additionally, tap water was employed for mixing the concrete, adhering to the standards set by TCVN 4506:2012.
Table 3 Physical properties of fine and coarse aggregates
Materials Density (g/cm 3 ) Bulk density (kg/m 3 )
Fig 2 Grading curve of aggregates compared with TCVN 7570:2006
The reference concrete mixture was designed using the Bolomey-Skramtaev method, achieving a slump of 6±2 cm and a compressive strength of 45 MPa at 28 days, with 0% sludge replacing cement The concrete was prepared with a water-to-binder ratio of 0.53 and included 1382 kg of crushed stone, as detailed in the accompanying table.
4 Three levels of replacement of Portland cement by waste sludge were 10, 20, and 30% by mass The replacement by mass changed the total volume of cementitious materials, leading to the change of sand volume As a result, the replacement of waste sludge led to the change of sand amount in each mixture proportion as seen in Table 4
Table 4 Mixture proportion of all concretes
Unit: kg Water- to-binder
Cement Sludge Sand Crushed stone Water
The slump of fresh concrete was promptly tested following the mixing of its components, in accordance with TCVN 3106:1993, to assess the impact of partially replacing cement with waste sludge on the consistency of the concrete.
Following the slump test, concrete mixtures were poured into 100 mm cubic molds, which were demoulded after 24 hours and cured in a water bath until the designated testing age The compressive strength of the hardened concrete was evaluated at 3, 7, and 28 days in accordance with TCVN 3118:1993 standards.
In addition to compressive strength, water absorption and void volume of hardened concrete with 0, 10, and 20% waste sludge replacements were measured at the age of 28 days as per ASTM C642-13 [1]
3.1 Effect of Partial Replacement of Cement by Waste Sludge from Water Supply Plant on Slump of Fresh Concrete
The effect of partially replacing cement with waste sludge from a water supply plant on the slump of fresh concrete is significant, as shown in Figure 3(a) Increased waste sludge replacement correlates with a reduction in slump, attributed to the higher water absorption capacity of waste sludge compared to cement This finding aligns with Zhao et al.'s study, which also noted a decrease in slump with uncontaminated marine sediments Notably, a 10% to 20% replacement of cement with waste sludge still maintains the designed slump of fresh concrete within the acceptable range of 6±2 cm.
Fig 3 Effect of waste sludge replacement on (a) slump of fresh concrete and (b) compressive strength of hardened concrete at the ages of 3, 7, and 28 days
3.2 Effect of Partial Replacement of Cement by Waste Sludge from Water Supply Plant on Compressive Strength of Hardened Concrete
The compressive strength of hardened concrete with various waste sludge replacements was assessed at 3, 7, and 28 days, revealing a general increase in strength over time, indicative of ongoing cement hydration However, the strength decreased as the percentage of waste sludge replacement increased, with a reduction of 15.10% to 47.17% in compressive strength at 28 days for partial replacements of 10-30% compared to the reference concrete with no sludge Liu et al also noted a gradual decrease in compressive strength with higher levels of drinking waste sludge ash as a cement substitute, attributed to the lower reactivity of waste sludge leading to a slower pozzolanic reaction Notably, concrete with a 10% waste sludge replacement achieved a compressive strength of 45 MPa at 28 days, meeting the desired strength criteria.
3.3 Effect of Partial Replacement of Cement by Waste Sludge from Water Supply Plant on Water Absorption and Void Volume of Hardened Concrete
At 28 days, the water absorption and void volume of hardened concrete with varying waste sludge replacements were analyzed The results indicated that replacing cement with 10% and 20% waste sludge increased water absorption by 3.68% and 48.32%, respectively Additionally, void volume rose by 1.12% and 38.97% for the same sludge replacement levels Overall, higher levels of sludge replacement correlate with increased water absorption and void volume in hardened concrete.
Fig 4 Water absorption and void volume of hardened concretes at the age of 28 days
The relationship between compressive strength and water absorption, as well as void volume in hardened concrete at 28 days, indicates a negative correlation Specifically, higher compressive strength is associated with lower water absorption and reduced void volume in concrete.
Fig 5 (a) Relationship between compressive strength and water absorption and (b) that between compressive strength and void volume of hardened concrete at the age of 28 days
Based on experimental results, following conclusions can be drawn:
