NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU CHỐNG THẤM từ POLYSTYREN tái CHẾ

VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CHỐNG THẤM TỪ POLYSTYREN TÁI CHẾ TS NGÔ SĨ HUY, ThS LÊ SỸ CHÍNH, SV LÊ VĂN TRƯỜNG Trường Đại học Hồng Đức Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu chế tạo vật liệu chống thấm sử dụng polystyren từ rác thải công nghiệp sinh hoạt Các thành phần cấu tạo nên vật liệu chống thấm bao gồm: polystyren, xi măng, cát, tro trấu natri silicat, vật liệu thông dụng phổ biến Việt Nam Quy trình chế tạo thi công vật liệu đơn giản Kết thí nghiệm cho thấy, vật liệu chống thấm từ polystyren tái chế thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật cường độ bám dính độ xuyên nước theo tiêu chuẩn Việt Nam Châu Âu Từ khóa: Vật liệu chống thấm, polystyrene tái chế, cường độ bám dính, độ xuyên nước Đặt vấn đề Cùng với việc xây dựng công trình, việc bảo vệ chúng trước xâm thực môi trường (nước mưa, ẩm, ánh sáng, nhiệt độ, hóa chất ăn mòn, ) cần thiết Bởi xâm thực làm suy giảm chất lượng tuổi thọ công trình Đặc biệt điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam, lượng mưa hàng năm nhiều độ ẩm cao nguyên nhân công trình dễ bị nước xâm thực Vì việc chống thấm, bảo vệ công trình khỏi xâm thực nước, tính đến từ thiết kế thi công công trình Hiện nay, thị trường vật liệu chống thấm đa dạng với 100 loại sản phẩm khác nhau, nhiên chủ yếu nhập từ nước với giá thành cao làm cho chi phí chống thấm công trình tăng cao Ở nước, Nguyễn Quang Phú Phạm Văn Chiến (2013) nghiên cứu lựa chọn vật liệu công nghệ để sản xuất sơn chống thấm thẩm thấu kết tinh gốc xi măng [1] Sơn chế tạo có độ bám dính với bề mặt bê tông độ chống thấm cao, chất lượng so sánh với sơn loại nhập Sau 10 năm nghiên cứu, khoa Công nghệ Hóa học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội công bố chế tạo thành công vật liệu phủ chống thấm phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa Việt Nam Phạm Thế Trình cộng 44 công bố nghiên cứu thành công việc lựa chọn lớp phủ để xây dựng vật liệu chống thấm bền hóa Tuy nhiên kết nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phạm Thế Trình chưa công bố tạp chí khoa học thống nào, mà tồn dạng thông tin sản phẩm thương mại Các nghiên cứu nước vật liệu chống thấm hạn chế Trong nghiên cứu nước vật liệu chống thấm công bố công bố hạn chế, họ giữ bí mật quyền công nghệ để khai thác thương mại Bài báo nghiên cứu sử dụng polystyren tái chế, rác thải công nghiệp sinh hoạt, để chế tạo vật liệu chống thấm Vật liệu chống thấm nghiên cứu giảm thiểu phụ thuộc vào nguồn vật liệu nhập chuyển giao công nghệ sản xuất đắt đỏ nước Mặt khác sử dụng nguồn nguyên liệu polystyren tái chế, rác thác công nghiệp sinh hoạt để giảm giá thành, tăng hiệu kinh tế góp phần bảo vệ môi trường Vật liệu phương pháp thí nghiệm 2.1 Vật liệu 2.1.1 Polystyren Polystyren vật liệu nhẹ, có tính điện môi tốt, bền với hóa chất đặc biệt chịu nước tốt Hàng năm khối lượng lớn polystyren qua sử dụng loại bỏ rác thải công nghiệp sinh hoạt Chính khả chịu nước tốt nên polystyren sử dụng nhân tố vật liệu chống thấm nghiên cứu Polystyren thu gom từ rác thải, sau rửa sạch, sấy khô, sử dụng lượng xăng vừa đủ để hòa tan chúng thành dạng keo lỏng có độ dẻo lớn 2.1.2 Xi măng Xi măng sử dụng nghiên cứu xi măng Nghi Sơn PC40, có khối lượng riêng 3,12 tấn/m3, thành phần hóa học bảng Xi Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG măng có vai trò chất kết dính tăng cường độ bám dính vật liệu chống thấm 2.1.3 Tro trấu Trấu phế phẩm có khối lượng lớn sản xuất nông nghiệp Khi đốt trấu nhiệt độ thích hợp thu tro trấu có độ xốp lớn với hàm lượng SiO2 vô định hình cao nên tro trấu có độ hoạt tính puzơlan cao Theo nghiên cứu [2], tỷ lệ nước so với chất kết dính nhỏ 0,3, bê tông tro trấu không bị thấm sau 14 ngày áp suất nước 27,5 atm Do kích thước hạt trung bình nhỏ xi măng, tỷ lệ diện tích bề mặt lớn nên tro trấu làm giảm đáng kể độ rỗng mao quản bê tông bịt kín mao quản, làm giảm hệ số thấm tăng cường độ cho bê tông Trong nghiên cứu này, tro trấu sử dụng để tăng cường độ, chống thấm, đồng thời đóng vai trò thay cát chất o độn Trấu cho vào lò nung nhiệt độ 850 C khoảng (3÷6) đến khối lượng không đổi, sau sàng qua rây 0,15 mm để sử dụng Thành phần hóa học tro trấu bảng Bảng Thành phần hóa học xi măng tro trấu Thành phần Hàm lượng (%) Xi măng Tro trấu SiO2 22,38 89,74 Al2O3 5,31 0,96 2.1.4 Cát Cát sử dụng để làm cốt liệu thô, tăng độ cứng cho vật liệu, tham gia vào trình thủy hóa với xi măng, tạo khả liên kết lớp màng polystyren, tạo bề mặt nhám cho vật liệu dễ liên kết với vật liệu khác vị trí chống thấm, làm chất độn giá thành rẻ Cát rửa để loại bỏ bùn đất, chất cặn bẩn sau sấy khô đến khối lượng không đổi (khoảng nhiệt độ 105÷110oC) Sau sàng qua rây sàng để lấy hạt có kích cỡ mịn khoảng (0,15÷0,25) mm 2.1.5 Natri silicat Natri Silicat hay gọi thủy tinh lỏng có độ nhớt cao nên sử dụng để tăng độ linh Fe2O3 4,03 0,52 CaO 55,93 1,96 MgO 2,80 1,41 Lượng nung 1,98 0,33 hoạt, tăng khả đông kết nhanh tăng khả chịu nhiệt cho vật liệu Các thành phần dùng để chế tạo vật liệu chống thấm nghiên cứu phổ biến Việt Nam Đặc biệt polystyren tái chế tro trấu phế thải sản xuất công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt Nghiên cứu sử dụng loại vật liệu góp phần bảo vệ môi trường sử dụng hiệu nguồn tài nguyên 2.2 Mẫu thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm thử với nhiều tỷ lệ khối lượng thành phần khác để tìm tỷ lệ tối ưu Bài báo trình bày mẫu thí nghiệm có tỷ lệ bảng Bảng Tỷ lệ khối lượng thành phần mẫu thí nghiệm Tên mẫu Tỷ lệ khối lượng Natri Silicat Xi măng Polystyren Cát mịn Tro trấu M1 2 0 M2 M3 4 M4 10 M5 Mẫu M1 nghiên cứu kết hợp ba thành phần gồm xi măng, polystyren natri silicat gọi mẫu Mẫu M2 M3 có thêm thành phần cát mịn so với mẫu để xem xét kết hợp cát vật liệu nghiên cứu Mẫu M4 M5 thay cát mịn mẫu M2 M3 tro trấu Khi thêm vào cát mịn tro trấu, tỷ lệ khối lượng thành phần điều chỉnh để vật liệu Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 có độ linh động cao dễ thi công Chú ý tính dễ thi công khả chống thấm vật liệu polystyren, cường độ bám dính vật liệu xi măng tạo Nếu hàm lượng polystyren thấp, vật liệu khó thi công khả chống thấm Nếu hàm lượng polystyren cao, cường độ bám dính vật liệu thấp Vì tỷ lệ xi măng so với polystyren không nên nhỏ không lớn 45 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Quy trình chế tạo vật liệu chống thấm sau: Các vật liệu đầu vào xử lý ban đầu trên, sau cho vật liệu dạng thô khô vào trước, polystyren cho sau Trộn đũa thủy tinh từ đến ba phút nguyên liệu hòa vào Sử dụng dao sắt bay để thi công tương tự trát vữa hồ xi măng với lớp dày khoảng (1÷2) mm 2.3 Phương pháp thí nghiệm Các thông số kỹ thuật vật liệu chống thấm xác định theo tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 14891-2012 [3] phải thỏa mãn Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 16-2014/BXD sản phẩm, hàng hóa vật liệu xây dựng [4], bao gồm: Cường độ bám dính, cường độ bám dính sau ngâm nước, cường độ bám dính sau lão hóa nhiệt, cường độ bám dính sau kết hợp lão hóa nhiệt ngâm nước, độ xuyên nước Tất thí nghiệm báo thực Xưởng thực hành - Khoa Kỹ thuật công nghệ, trường Đại học Hồng Đức 2.3.1 Cường độ bám dính Nguyên tắc xác định cường độ bám dính xác định lực kéo đứt lớn vuông góc với bề mặt bám dính vật liệu thử Cường độ bám dính vật liệu tỷ số lực kéo đứt diện tích mẫu thử Các mẫu thí nghiệm xác định cường độ bám dính thể hình Các mẫu bê tông hình trụ đường kính 20 mm, cao (30÷50) mm dính kết với lớp vật liệu chống thấm nghiên cứu Hình mô tả thí nghiệm xác định lực kéo đứt lớn Mẫu bê tông thử buộc chặt dây thép, sau gia tải từ từ cách treo nặng sắt có khối lượng tăng dần từ 0,125 kg đến 5,1 kg hai phần mẫu thử bị đứt rời vị trí liên kết lớp vật liệu chống thấm Các mẫu thí nghiệm điều kiện thường, sau ngâm nước, sau lão hóa nhiệt 14 ngày, sau kết hợp lão hóa nhiệt ngày ngâm nước ngày Mỗi lần thí nghiệm với mẫu thử, lấy giá trị trung bình Hình ảnh mẫu ngâm nước mẫu lò sấy nhiệt độ 70oC ± 3oC thể hình (a) (b) Hình Mẫu thử cường độ bám dính (a) (b) Hình Thí nghiệm xác định cường độ bám dính (a) (b) Hình a) Mẫu ngâm nước ; b) Mẫu lò sấy 46 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 2.3.2 Độ xuyên nước Độ xuyên nước đánh giá khoảng thời gian từ lúc bắt đầu thử tới thời điểm xuất vết thấm nước mặt thử, xác định theo TCVN 6557-2000 [5], tương tự tiêu chuẩn BS EN 14891-2012 [3] Mỗi mẫu vật liệu chống thấm quét lên hai bìa cát tông có kích thước 100  100  (mm) hình 4(a) với chiều dày tương ứng mm mm Khi vật liệu chống thấm đạt trạng thái khô hoàn toàn, đặt thử theo phương nằm ngang, mặt có lớp chống thấm phía Dùng keo epoxy để gắn chặt ống nước có đường kính 25 mm, cao 150 mm theo phương thẳng đứng bề mặt vật liệu hình 4(b) Đổ nước đầy vào ống thử bảo đảm mực nước suốt trình thử (a) (b) Hình Thí nghiệm xuyên nước Kết thí nghiệm thảo luận 3.1 Cường độ bám dính Kết thí nghiệm cường độ bám dính 14 ngày tuổi thể bảng bảng Tất mẫu thí nghiệm cho cường độ bám dính lớn 0,5 MPa thỏa mãn theo tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 14891-2012 [3] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 16-2014/BXD [4] Các mẫu bị lão hóa nhiệt có cường độ bám dính tốt nhất, sau đến mẫu điều kiện thường, mẫu ngâm nước có cường độ thấp nhất, nhiên đảm bảo tiêu kỹ thuật nêu Tuổi mẫu thí nghiệm cao cường độ bám dính tốt, vật liệu nghiên cứu sử dụng vật liệu gốc xi măng nên cường độ mẫu phát triển tương tự cường độ vữa bê tông Điều lý giải cường độ mẫu chịu nhiệt cao mẫu điều kiện thường điều kiện ngâm nước (do thuộc tính thủy hóa xi măng tốt nhiệt độ cao) Các mẫu ngâm nước có cường độ thấp mẫu điều kiện thường, nước xâm thực làm yếu liên kết vật liệu Chú ý cường độ bám dính thực tế mẫu chịu lão hóa nhiệt 14 ngày lớn giá trị ghi bảng, mẫu thử bị đứt phần bê tông, phần liên kết vật liệu chống thấm không bị phá hoại Điều chứng tỏ cường độ bám dính mẫu vật liệu sau lão hóa nhiệt 14 ngày cao cường độ chịu kéo bê tông Khi mẫu chịu kết hợp lão hóa nhiệt ngâm nước, cường độ bám dính cao mẫu điều kiện bình thường Khi chịu nhiệt trước, tốc độ ninh kết xi măng tăng nhanh kết hợp với polystyren tạo nên lớp vật liệu có tính đặc bê tông (do xi măng tạo ra) màng chống thấm (do polystyren tạo ra) Do ngâm nước, lớp giúp ngăn ngừa nước xâm thực vào vật liệu, cường độ bám dính mẫu không bị ảnh hưởng ngâm nước Bảng Cường độ bám dính ngày tuổi Mẫu Cường độ bám dính (MPa) Điều kiện thường Lão hóa nhiệt Ngâm nước M1 0,64 1,66 0,74 M2 0,55 1,66 0,55 M3 0,74 1,47 0,55 M4 0,80 1,60 0,61 M5 0,80 1,60 0,55 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 47 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng Cường độ bám dính 14 ngày tuổi Cường độ bám dính (MPa) Mẫu Điều kiện thường Lão hóa nhiệt Ngâm nước 1,10 1,10 1,23 1,10 1,29 1,72 1,72 1,72 1,72 1,72 0,74 0,80 0,98 0,98 1,10 M1 M2 M3 M4 M5 3.2 Khả chống thấm 3.2.1 Khả chống thấm trực quan Khả chống thấm vật liệu đặc trưng dấu hiệu vật liệu biểu màng Đáng ý hiệu ứng giọt nước Kết hợp lão hóa nhiệtngâm nước 1,10 1,66 1,41 1,47 1,41 có hình cầu (giọt nước sen, lông vịt,…), tượng sức căng bề mặt xuất chất lỏng chất rắn có chênh lệch lực hút phân tử khiến phân tử bề mặt chất lỏng thể đặc tính màng chất dẻo chịu lực kéo căng (hình 5) Hình Hiện tượng sức căng mặt Bằng trực quan, hình miêu tả giọt nước nhỏ lên bê tông phủ vật liệu chống thấm giọt nước nhỏ lên bê tông thông thường Quan sát thấy giọt nước lớp vật liệu chống thấm có hình tròn gần giống giọt nước sen Trong giọt nước bê tông thông thường có tượng bị vỡ có vết thấm xung quanh Kết từ thí nghiệm cho thấy vật liệu nghiên cứu có khả chống thấm tốt dựa sức căng bề mặt Hình Khả chống thấm trực quan 3.2.2 Độ xuyên nước mm tượng nước thấm qua hình Hình 7(a) cho thấy, sau ngày áp lực 7(b) (các mẫu bên trái) Theo TCVN 6557-2000 cột nước cao 15 cm (tương đương áp lực thủy [5], độ xuyên nước không nhỏ 24h tĩnh 1,5 bar), tượng nước thấm qua Theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 16-2014/BXD lớp vật liệu chống thấm đến lớp bìa cát tông [4] tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 14891-2012 [3], Sau 10 ngày số mẫu có lớp chống thấm độ xuyên nước không ngày Như tất mỏng (1 mm) xuất vết thấm hình 7(b) mẫu thí nghiệm thỏa mãn tiêu (các mẫu bên phải), mẫu có lớp chống thấm chuẩn kỹ thuật nêu 48 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG (a) (b) Hình Độ xuyên nước: (a) sau ngày; (b) sau 10 ngày Trong thí nghiệm cường độ bám dính độ xuyên nước, ảnh hưởng cát (mẫu M2 M3) tro trấu (mẫu M4 M5) so với mẫu M1 không rõ ràng, chứng tỏ vai trò bám dính chống thấm chủ yếu xi măng polystyren đảm nhiệm, cát tro trấu chủ yếu đóng vai trò chất độn Tuy nhiên, khác thành phần dẫn đến giá thành sản phẩm khác Do vậy, áp dụng vật liệu chống thấm cho công trình, tùy thuộc vào điều kiện thực tế nguồn cung cấp vật liệu để lựa chọn thành phần phù hợp Kết luận mẫu thử với độ dày lớp chống thấm mm đảm bảo khả chống thấm; Vật liệu chống thấm nghiên cứu sản xuất thủ công, quy trình chế tạo thi công đơn giản, sử dụng loại vật liệu phổ thông cát, xi măng, natri silicat phế thải công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt polystyren tro trấu, nên giá thành rẻ, góp phần bảo vệ môi trường, phổ biến sử dụng rộng rãi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Phú, Phạm Văn Chiến (2013), “Nghiên Nghiên cứu sử dụng vật liệu phổ thông vật liệu rác thải trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt để chế tạo vật liệu chống thấm Một số kết luận rút từ kết thí nghiệm nghiên cứu sau: - Tất mẫu vật liệu chống thấm có cường độ bám dính lớn 0,5 MPa, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam Châu Âu Quá trình lão hóa nhiệt làm tăng cường độ bám dính, trình ngâm nước làm giảm cường độ bám dính vật liệu, nhiên thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật; - Sau ngày áp lực cột nước thủy tĩnh cao 15 cm, tượng thấm xảy với tất mẫu thí nghiệm, thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam Châu Âu khả chống thấm Sau 10 ngày, số mẫu thử với độ dày lớp chống thấm mm có tượng bị nước xuyên qua, Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 cứu chế tạo sơn chống thấm thẩm thấu kết tinh gốc xi măng phòng thí nghiệm ứng dụng công trình thủy lợi”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, số 1, tr.24-28 [2] Ngọ Văn Toản (2013), “Nghiên cứu ảnh hưởng tro trấu phụ gia siêu dẻo tới tính chất hồ, vữa bê tông”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, số 3+4, 50-59 [3] BS EN 14891-2012, Liquid-applied water impermeable products for use beneath ceramic tiling bonded with adhesives – Requirements, test methods, evaluation of conformity, classification and designation [4] QCVN 16-2014/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia sản phẩm, hàng hóa vật liệu xây dựng [5] TCVN 6557-2000 - Vật liệu chống thấm – Sơn bitum cao su Ngày nhận bài:10/5/2016 Ngày nhận sửa lần cuối: 9/9/2016 49 ... Nghiên Nghiên cứu sử dụng vật liệu phổ thông vật liệu rác thải trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt để chế tạo vật liệu chống thấm Một số kết luận rút từ kết thí nghiệm nghiên cứu. .. khả chống thấm vật liệu polystyren, cường độ bám dính vật liệu xi măng tạo Nếu hàm lượng polystyren thấp, vật liệu khó thi công khả chống thấm Nếu hàm lượng polystyren cao, cường độ bám dính vật. .. cho vật liệu Các thành phần dùng để chế tạo vật liệu chống thấm nghiên cứu phổ biến Việt Nam Đặc biệt polystyren tái chế tro trấu phế thải sản xuất công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt Nghiên cứu