MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT LIỆU CAO SU VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VỚI BÊ TÔNG DẠNG TẤM LỚN

MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT LIỆU CAO SU VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VỚI BÊ TÔNG DẠNG TẤM LỚN (The properties of rubberized concrete and its application for concrete large area) Th.S NCS HỒ Anh Cương 1*, TS TURATSINZE Anaclet 1, PGS TS VŨ Đức Chính Đại học Toulouse,UPS, INSA, LMDC (Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions), F-31077 Toulouse cedex 4, France Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam TÓM TẮT: Đề tài nghiên cứu thực thí nghiệm phòng Trường Đại học Toulouse, UPS, INSA, LMDC nhằm xác định đặc tính bê tông xi măng sử dụng cốt liệu cao su - BTCS (là vật liệu sản xuất cách nghiền nhỏ từ lốp xe qua sử dụng): cường độ chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, mô đun đàn hồi tuổi 28 ngày; độ co ngót tự co ngót hãm loại BTCS (tỷ lệ cao su thay cho thể tích cát 20%, 30%, 40%) so sánh với bê tông đối chứng Kết nghiên cứu cho thấy, độ bền học có giảm đặc tính biến dạng BTCS tăng lên, qua làm giảm độ nhạy cảm với vết nứt Chỉ số đặc tính đàn hồi (EQI) áp dụng với BTCS nhằm dự báo khả sử dụng vật liệu composit ứng dụng với bê tông dạng lớn Kết nghiên cứu bước đầu khẳng định ưu điểm BTCS tính chất lý, đặc tính biến dạng phù hợp để hạn chế nứt bê tông co ngót khả sử dụng cao su phế thải việc bảo vệ môi trường ABSTRACT: Rubber aggregate is material produced by shredding and grinding end-of-life tyres The long-term goal of this research is to design a cement-based composite incorporating rubber aggregates (rubberized concrete) that exhibit improved performance such as a high strain capacity to restrict the cracking due to length changes (shrinkage or thermal length change); on the other hand, there is worldwide of clean environment concern With the specimen produced by replacing natural sand by rubber aggregates (0-4 mm) up to 40% by volume, effects of rubber aggregate were investigated In particular their effects on the fresh concrete (workability) were identified and other tests with regard to hardened properties were carried out at 28 days: compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength Finally free shrinkage and ring tests were performed with the aim to evaluate resistance to cracking due to restrained shrinkage It was observed that, although its low tensile and compressive strengths, the strain capacity of rubberized concrete is significantly improved and consequently, its potential for cracking is reduced From such results, it appeared that the Elastic Quality Index (EQI) is improved by rubber aggregate incorporation, a token for durable applications in particular for concrete large area Keywords: Rubberized concrete, Concrete, Rubber aggregate, Modulus of elasticity, Compressive strength, Strain Capacity, Cracking resistance, Durability, Recycling, Elastic Quality Index (EQI), Performance * HỒ Anh Cương, Bộ môn Công trình Giao thông Công Môi trường, Đại học Giao thông Vận tải., Cầu giấy, Hà Nội, Việt Nam E-mail: hoanhcuong@uct.edu.vn 1 Mở đầu Hiện nay, trung bình quốc gia thải hàng triệu lốp xe qua sử dụng Loại rác thải khó phân hủy không xử lý thảm họa cho môi trường sống người Tại nước phát triển, người ta tiến hành nghiên cứu xử lý, tái sử dụng chúng : tái sinh làm nguyên liệu, làm nhiên liệu cho công nghiệp xi măng, đắp lại lốp, làm vật liệu xây dựng, chôn lấp… Tại Việt Nam, theo ước tính Viện Khoa học Công nghệ Môi trường [1], hàng năm lượng polyme phế thải toàn quốc lên tới hàng trăm ngàn (bao gồm sản phẩm từ cao su, nhựa) Tuy nhiên, nước ta, vấn đề nghiên cứu, xử lý tận dụng polyme phế thải nói chung cao su phế thải nói riêng chưa ý Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu giới tận dụng cốt liệu cao su nghiền từ lốp xe cao su phế thải để làm cốt liệu bê tông vữa xi măng Các kết nghiên cứu cường độ chịu nén, kéo, uốn, mô đun đàn hồi bê tông cốt liệu cao su (BTCS) giảm so với bê tông đối chứng theo tỷ lệ tăng thể tích cao su sử dụng Tuy nhiên, BTCS lại có đặc tính dẻo dai có khả hấp thụ nhiều lượng dẻo tác dụng nén uốn Vì thế, composit có khả chịu biến dạng lớn trước bị phá hoại [3] Không có thế, Li [3] chứng tỏ có mặt cốt liệu cao su làm thay đổi phản ứng động làm giảm rung cho kết cấu BTCS Trong nghiên cứu khác, Piti Sukontasukkul [4] chứng tỏ sức kháng trượt BTCS lại tăng kiểm tra với thí nghiệm lắc Anh (ASTM E303-93) Theo Turatsinze [5], vữa xi măng cốt liệu cao su có mô đun đàn hồi thấp khả biến dạng cao chịu kéo trước xuất vết nứt Không có vậy, vết nứt co ngót xuất chậm hơn, độ mở rộng vết nứt nhỏ nguy hiểm cho kết cấu Trong kết cấu mặt đường, vật liệu gia cố chất liên kết thủy hóa thường đặc trưng cặp hai giá trị cường độ chịu kéo (fct) mô đun đàn hồi chịu kéo (Et) Tuy nhiên cặp giá trị không trực tiếp đánh giá khả làm việc vật liệu mà cần phải có giá trị khác thay Vì vậy, [10] đề xuất số đặc tính đàn hồi EQI (Elastic Quality Index) số trực tiếp đánh giá khả làm việc vật liệu nhằm thay cho cặp giá trị (fct) (Et) Để đánh giá khả làm việc vật liệu, [10] đề xuất sử dụng số đặc tính đàn hồi (EQI) Chỉ số EQI vật liệu chiều dày cần thiết « h » lớp kết cấu nhằm đáp ứng điều kiện tải trọng thời gian khai thác cho trước Báo cáo trình bày số tính chất BTCS trạng thái tươi ; cường độ chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, mô đun đàn hồi tuổi 28 ngày loại BTCS (tỷ lệ cao su thay cho thể tích cát 20%, 30%, 40%) so sánh với bê tông đối chứng Ngoài ra, báo cáo đề cập đến đặc tính biến dạng độ bền chịu nứt co ngót, đặc biệt co ngót hãm BTCS thông qua thí nghiệm xác định độ co ngót tự co ngót hãm Chỉ số đặc tính đàn hồi (EQI) áp dụng với BTCS nhằm đánh giá khả làm việc vật liệu kết cấu dạng lớn Chương trình thí nghiệm 2.1 Vật liệu Cốt liệu cao su (CLCS) vật liệu sản xuất cách nghiền nhỏ lốp xe cao su qua sử dụng, có kích cỡ từ 0-4mm, tỷ trọng 1.2, có tính chất kỵ nước Xi măng Portland CEM I 52.5R, tương đương xi măng Portland theo tiêu chuẩn ASTM Type III Cốt liệu lớn – sỏi sông tự nhiên có khối lượng thể tích 2.67, hệ số hấp thụ nước 1.1% Cát sông tự nhiên có khối lượng thể tích 2.67, có kích cỡ 0-4mm, hệ số hấp thụ nước 1.9% Hai đường cong cấp phối cát CLCS đường biểu diễn hình Có hai loại phụ gia sử dụng hỗn hợp vật liệu : phụ gia siêu dẻo (Sika ViskoCrete 3030, gốc acrylic copolymer) phụ gia ổn định có đặc tính nhớt (Sika Stabilizer 300 SCC) Trên thực tế, trộn hỗn hợp BTCS có tượng tách rời phân tầng CLCS khỏi vữa xi măng Cả hỗn hợp BTCS trở nên rời rạc mà giải pháp thông thường cải thiện Để giải tượng này, Sika Stabilizer 300 SCC đánh giá giải pháp hiệu giải pháp thử nghiệm chống phân tầng Kết phân tán đồng CLCS BTCS thể hình (cưa dọc mẫu BT30CS hình trụ đường kính 118mm cao 236mm) 2.2 Chế tạo hỗn hợp vật liệu Nghiên cứu chế tạo ba công thức BTCS với tên gọi BT20CS, BT30CS, BT40CS tương ứng với tỷ lệ thay CLCS 0-4mm thể tích 20%, 30%, 40% cho cát sông tự nhiên 0-4mm công thức bê tông đối chứng BT0CS (không sử dụng CLCS) Trong tất hỗn hợp, tỷ lệ N/X lượng phụ gia ổn định Stabilizer 300SCC giữ nguyên Chỉ lượng phụ gia siêu dẻo ViskoCrete 3030 tăng lên theo tỷ lệ tăng thể tích CLCS với mục đích khống chế độ sụt hỗn hợp dao động khoảng SN = 10+ 2cm Kết công thức thành phần hỗn hợp thể bảng sau trình chế tạo Lọt sàng tích lũy (%) 100 80 60 Cát 40 Cao su 20 0.01 0.1 Cỡ sàng (mm) 10 Hình 1: Đường cong cấp phối cát (0-4mm) CLCS (0-4mm) Hình 2: Sự phân tán đồng CLCS sử dụng phụ gia ổn định (mẫu BT30CS) Bảng : Thành phần hỗn hợp (kg/m3) BT0CS BT20CS BT30CS BT40CS Xi măng Cát (0 -4 mm) 872 CLCS (0 -4 mm) Sỏi (4 -10 mm) Nước Phụ gia siêu dẻo 3.03 Phụ gia ổn định 698 79 3.29 323 611 118 967 153 3.61 0.91 524 157 3.99 2.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm Các hỗn hợp bê tông trộn máy trộn trục đứng thể tích 80 lít theo trình tự sau : Toàn thành phần rắn (cát, sỏi, xi măng, CLCS) trộn khô lúc 180 giây Tiếp theo, tám mươi phần trăm dung dịch nước toàn phụ gia (cả loại phụ gia) cho từ từ vào máy trộn Sau 120 giây trộn, phần nước lại (không có phụ gia) tiếp tục cho hết vào máy trộn hoàn thiện thêm 120 giây để có hỗn hợp hoàn toàn đồng trước cho bê tông khỏi máy trộn Thí nghiệm độ sụt hình côn thực để xác định lượng phụ gia siêu dẻo phù hợp với độ sụt 2.3.1 Thí nghiệm nén, mô đun đàn hồi, kéo, uốn Với mẫu cho thí nghiệm nén, kéo, mô đun đàn hồi; khuôn hình trụ (PVC) sử dụng để tạo mẫu có đường kính 118mm chiều cao 236mm ; với mẫu uốn, sử dụng khuôn dầm để tạo mẫu có kích thước 100x100x500mm Bê tông tươi đổ vào khuôn thành lớp, đầm đầm bàn rung 8-10giây/lớp Ngay sau đổ, mẫu bảo dưỡng phòng dưỡng hộ có điều kiện nhiệt độ 20oC độ ẩm 100% Sau 24 giờ, mẫu tháo khuôn để tiếp tục phòng dưỡng hộ ngày thứ 28 mang để tiến hành thí nghiệm.Với loại thí nghiệm, sử dụng tổ hợp ba mẫu so sánh với bê tông đối chứng Các thí nghiệm nén, kéo, mô đun đàn hồi thực máy có lực nén tối đa 3000 kN Sử dụng hỗn hợp bột sunfua cát tiêu chuẩn 0-0.5mm đun nóng chảy hình để tạo phẳng cho bề mặt mẫu trụ thí nghiệm nén mô đun đàn hồi Hình 3: Tạo phẳng bề mặt mẫu bột sunfua cát Hình 4: Xác định mô đun đàn hồi Ec lồng ứng biến J2P Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén fc tiến hành theo tiêu chuẩn European NF EN 12390-3, tốc độ gia tải 5kN/s Còn thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Ec (hình 4) dựa theo hướng dẫn RILEM CPC8, sử dụng hệ thống lồng ứng biến – J2P [6] hình với đầu đo chuyển vị LVDT xác định biến dạng dọc trục Quá trình thí nghiệm xác định mô đun có điều chỉnh so với theo RILEM CPC8 không phá hoại mẫu sau chu kỳ gia tải lần thứ Các số liệu từ LVDT thu lại phần mềm Strain Mart suốt trình thí nghiệm Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo ép chẻ thực theo tiêu chuẩn European NF EN 12390-6 với tốc độ gia tải 1kN/s theo hình Thí nghiệm chịu uốn bốn điểm thực theo tiêu chuẩn European NF EN 12390-5 hình (tuy nhiên có vài khác biệt nhỏ so với tiêu chuẩn) Máy kéo nén có lực nén tối đa 50kN, kết nối với hệ thống điều khiển kỹ thuật số tự động vòng mạch kín Độ võng vị trí mẫu xác định đầu đo LVDT gắn đỡ Ảnh hưởng biến dạng gối đỡ đỡ triệt tiêu cách lắp đặt đỡ Thí nghiệm theo dõi dựa độ võng với tỷ số 50 µm/phút Tải trọng F độ võng (δ) máy tính tự động ghi với tần số liệu/giây Đường quan hệ lực – độ võng thể đặc tính composit tác dụng tải trọng uốn (Fmax độ võng δmax) Hình 5: Xác định cường độ chịu kéo ép chẻ, fct Hình 6: Xác định cường độ chịu uốn, ff, thí nghiệm chịu uốn điểm 2.3.2 Thí nghiệm co ngót tự co ngót hãm Thí nghiệm co ngót tự thực với mục đích xác định thay đổi chiều dài mẫu theo thời gian Các mẫu có kích thước 70x70x280mm, để liên tục phòng dưỡng hộ có nhiệt độ 20 + 1oC độ ẩm 50 + 5% Sự thay đổi chiều dài dọc trục mẫu đo thiên phân kế hai ốc định vị đặt vào hai đầu mẫu bê tông từ đổ mẫu, hình Hai loại co ngót đo trực tiếp: Độ co ngót tổng cộng - mẫu bê tông có trao đổi độ ẩm với môi trường độ co ngót liên kết – mẫu bọc kín giấy dán aluminum để đảm bảo mẫu bê tông không bị tác động môi trường xung quanh Độ co ngót khô xác định hiệu số độ co ngót tổng cộng trừ độ co ngót liên kết Công tác đo độ co ngót tiến hành từ thứ 24 sau đổ bê tông, lần đo cách khoảng tiếng/lần (từ thứ 24 – 48), sau khoảng cách lần đo tăng dần theo thời gian a: Co ngót tổng cộng b: Co ngót liên kết Hình 7: Thí nghiệm đo độ co ngót Các mẫu kiểm tra khối lượng cân điện tử (chính xác đến gram) tất lần đo co ngót để theo dõi thay đổi khối lượng theo thời gian Hai loại composit đo để so sánh : BT20CS BT0CS Mỗi loại co ngót dựa kết trung bình tổ hợp ba mẫu Thí nghiệm co ngót hãm thực theo tiêu chuẩn ASTM C 1581-04 Thí nghiệm nhằm xác định thời điểm xuất vết nứt xác định sức căng bê tông tác dụng co bị hãm Nghiên cứu thực với toàn loại BTCS bê tông đối chứng Thí nghiệm thực cách bê tông đổ theo hình vành khuyên xung quanh vòng thép cứng để hãm lại co ngót vật liệu, vòng thép có dán hai gage đo biến dạng, hình Mẫu bê tông sau đổ đưa vào phòng dưỡng hộ có nhiệt độ 20 + 1oC, độ ẩm 50 + 5% phủ kín plastic để tránh cho phần bê tông hở tiếp xúc với không khí Các ốc vít lệch tâm mở để gage đo biến dạng vòng thép co ngót liên kết (autogenous strinkage) co ngót nhiệt độ trình hydrat xi măng vành khuyên bê tông Các liệu tự động ghi lại với tần số 10 phút/lần ghi thiết bị ghi biến dạng P3 (Strain Indicator and Recorder) Sau 24 giờ, hai ván khuôn thép dỡ bỏ Bề mặt phía mẫu phủ lớp silicon nhằm đảm bảo bê tông bị khô theo bề mặt chu vi vành khuyên bê tông Hình thể mẫu bê tông sau tháo ván khuôn bên chuẩn bị phủ silicon lên mặt Tiêu chuẩn ASTM đề trình tự tính toán để xác định hai số phân loại mức độ nhạy cảm vật liệu với nứt: tỷ số sức căng trung bình S (Mpa/ngày) thời điểm xuất vết nứt tcr (ngày), (net time-to-Cracking), bảng Bảng Mức độ nhạy cảm với nứt theo ASTM C1581-04 Thời điểm nứt tcr Tỷ số sức căng trung bình, S Mức độ nhạy cảm với nứt Ngày MPa/ngày < tcr ≤7 < tcr ≤14 14< tcr ≤ 28 0.34 ≤ S 0.17 ≤ S < 0.34 0.10 ≤ S < 0.17 Cao Cao vừa phải Thấp vừa phải 28 < tcr S < 0.10 Thấp Hình 8: Sơ đồ thí nghiệm co ngót hãm theo tiêu chuẩn ASTM C 1581-04 Với A = 13mm, B = 330 mm, C = 406 mm H = 130 mm Hình 9: Mẫu co ngót tháo khuôn Kết thảo luận 3.1 Tính chất bê tông trạng thái tươi Trong trình xác định thành phần tối ưu cho composit, nhóm nghiên cứu nhận thấy tính công tác hỗn hợp BTCS giảm thể qua độ sụt (SN) giảm tăng tỷ lệ thể tích CLCS Nhận xét phù hợp với kết quan sát [12] Có thể khuynh hướng đẩy nước hạt cao su khiến phần hồ xi măng hỗn hợp bê tông tính dính, tính dẻo cần thiết bao bọc CLCS nhằm đảm bảo cho hỗn hợp có tính công tác phù hợp Tuy nhiên, theo giới thiệu mục 2.2, phụ gia siêu dẻo sử dụng để đảm bảo cho composit có tính công tác, độ sụt mong muốn 2.45 7.0% 6.4% 6.0% 5.0% 4.6% 4.0% 3.0% 2.0% 2.6% 1.0% 0.0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% Cốt liệu cao su (%) Hình 10: Ảnh hưởng CLCS đến hàm lượng khí trạng thái tươi Khối lượng thể tích (T/m3) Hàm lượng khí (%) Hàm lượng khí BTCS tăng (hình 10), khối lượng thể tích giảm theo tỷ lệ tăng thể tích CLCS (hình 11) Hàm lượng khí tăng có biện pháp tăng độ chặt chế tạo mẫu bê tông Để giải thích cho việc tăng hàm lượng khí này, [13] có giải thích rằng, CLCS có tính không cực nên có xu hướng hạt khí bám vào bề mặt xù xì chúng dẫn đến tăng hàm lượng khí BTCS 2.43 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 2.20 2.16 2.15 2.15 2.10 0% 10% 20% 30% 40% Cốt liệu cao su (%) Hình 11: Ảnh hưởng CLCS đến khối lượng thể tích trạng thái tươi Khối lượng thể tích BTCS giảm tăng hàm lượng cao su Điều dễ hiểu tỉ trọng cao su nhỏ nhiều so với cát hàm lượng khí tăng dẫn đến giảm khối lượng thể tích BTCS Tuy nhiên, hàm lượng cao su loại BTCS không lớn (tỷ lệ thể tích CLCS/tổng thể tích cốt liệu [...]... nghĩa có thể sử dụng BTCS vào trong kết cấu dạng tấm lớn, mặt đường và vẫn đảm bảo được khả năng chịu lực cũng như tính kinh tế Để có sự so sánh tương đối, các kết quả của BTCS được so sánh với một vài dữ liệu của bê tông tự đầm (BAP) của [7]; BAP0%, BAP30%, BAP50% là ký hiệu lần lượt của ba loại bê tông tự đầm 0%, 30% và 50% CLCS Kết quả cho thấy, ở mức độ gần đúng thì các kết quả của BTCS trong nghiên... do biến dạng, BTCS sẽ là một lựa chọn phù hợp Và một đề tài khác cũng đang được thực hiện để nghiên cứu việc sử dụng BTCS như một vật liệu có chiều dày mỏng trong sửa chữa kết cấu bê tông Chỉ số đặc tính đàn hồi EQI đã được áp dụng trong báo cáo và cho thấy sử dụng BTCS như một vật liệu trong kết cấu áo đường, dạng tấm lớn là việc làm khả thi Khi tất cả các kết quả nghiên cứu chỉ ra những đặc tính ưu... đổi một số tính chất của bê tông ở trạng thái tươi Độ sụt giảm nhưng nhờ sử dụng phụ gia siêu dẻo và phụ gia ổn định có đặc tính nhớt nên khả năng công tác của bê tông đã được cải thiện nhiều Hàm lượng thể tích khí tăng, khối lượng thể tích giảm theo xu hướng tăng tỷ lệ thể tích CLCS Tuy nhiên, khối lượng thể tích giảm chưa đáng kể do tỷ lệ CLCS trong thể tích toàn bộ cốt liệu chưa cao (