6. Bố cục của luận văn
2.3 Nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế từ bêtông cũ trong chế tạo bêtông kết cấu
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu đặc điểm của cốt liệu, cũng nhƣ ảnh hƣởng của việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên đến các tính chất của bê tông đã đƣợc nhiều nghiên cứu đề cập (nguồn Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn Đình Cống, 2011).
Mặc dù có nhiều lợi ích về mặt môi trƣờng, nhƣng loại vật liệu này vẫn có những tính chất khác xa so với cốt liệu tự nhiên, là nguyên nhân hạn chế khả năng sử dụng rộng rãi trong xây dựng. Theo Kou S.C., độ hút nƣớc, cƣờng độ chịu nén và thành phần hạt là những yếu tố ban đầu cần xem xét khi đánh giá chất lƣợng của cốt liệu bê tông tái chế và các yếu tố này cũng có ảnh hƣởng quyết định đến các tính chất của bê tông. Vì vậy luận văn sẽ tập trung phân tích các nghiên cứu về đặc tính của hạt cốt liệu bê tông tái chế và bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế, từ đó đề xuất các hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
2.3.1 Tổng quan về cốt liệu bê tông tái chế
Tính chất của cốt liệu bê tông tái chế
Thể tích cốt liệu trong bê tông là lớn nhất (chiếm khoảng 65-80%) và đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Các tính chất chủ yếu của cốt liệu bê tông tái chế ảnh hƣởng nhiều đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông có thể kể đến nhƣ thành phần khoáng hóa, độ rỗng, thành phần hạt, độ hút nƣớc, đặc tính hình dạng và bề mặt hạt, cƣờng độ, mô đun đàn hồi…. Nguyên nhân ch nh làm giảm chất lƣợng và cốt liệu bê tông tái chế có đặc tính khác xa so với cốt liệu tự nhiên do có lớp vữa xi măng bám trên bề mặt hạt cốt liệu có hàm lƣợng lỗ rỗng lớn (Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn Đình Cống, 2011).
(Nguồn Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn ìn Cống (2011)
Hình 2.8 ìn dạn ạt v t n p n ủa CLBTTC
Thành phần vật liệu của cốt liệu tái chế tƣơng tự nhƣ thành phần của phế liệu bê tông gốc, với hai thành phần ch nh là đá tự nhiên và đá nhân tạo (đá vữa, đá xi măng) (Hình 2.8). Ngoài ra còn có thể có một số tạp chất nhƣ gạch đất sét nung, sét cục, thạch cao, vật liệu hữu cơ, tạp chất thép, kính.
Các thành phần này có thể làm giảm chất lƣợng bê tông, cần phải loại bỏ. Thành phần vữa và đá xi măng thƣờng có cấu trúc rỗng xốp, kém đồng nhất và
có nhiều khuyết tật hơn so với cốt liệu tƣ nhiên. Cho nên, hàm lƣợng vữa này sẽ ảnh hƣởng lớn đến lƣợng nƣớc trộn, tính công tác và tổn thất tính công tác, khối lƣợng thể tích của hỗn hợp bê tông, tính thấm và độ bền của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế.
Nhìn chung, khi sử dụng cùng công nghệ nghiền đập và sàng phân loại thì thành phần cấp phối hạt của cốt liệu bê tông tái chế tƣơng đƣơng với của cốt liệu tự nhiên, và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu cho vữa và bê tông theo TCVN 7570 2006 và tiêu chuẩn ASTM C33.
Chất lƣợng cốt liệu lớn tái chế có thể đạt yêu cầu mà không cần rửa mặc dù có một phần hạt mịn bám trên bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế thƣờng có hình dạng không xác định, bề mặt nhám ráp, góc cạnh và rỗng xốp hơn so với cốt liệu tự nhiên. Theo Zaharrieva R. 2010 bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế thƣờng có nhiều vết nứt làm tăng lƣợng nƣớc và không khí hấp thụ vào trong hạt, nhƣng lại tăng khả năng liên kết giữa đá xi măng và bề mặt hạt cốt liệu. Hansen T.C. cũng cho rằng cốt liệu nhỏ đƣợc tạo ra từ phế liệu bê tông thƣờng thô, ráp và góc cạnh hơn so với cát tự nhiên. Điều này dẫn đến làm tăng nội ma sát và giảm tính công tác của hỗn hợp cốt liệu bê tông tái chế. O’Mahony M.M cho rằng khi cốt liệu đƣợc nghiền từ hỗn hợp phế liệu tƣờng gạch, do cƣờng độ bản thân gạch thấp, nên hàm lƣợng hạt nhỏ và mịn sẽ nhiều hơn so với từ phế thải từ bê tông. Đây ch nh là lý do mà cốt liệu nhỏ tái chế thƣờng không đƣợc sử dụng để chế tạo hỗn hợp bê tông có yêu cầu tính dẻo cao và bê tông có cƣờng độ cao. Hệ thống lỗ rỗng trong bê tông cũng nhƣ hạt cốt liệu sẽ ảnh hƣởng lớn đến các tính chất của bê tông. (nguồn Nguyễn Duy Hiếu, 2010)
Độ rỗng của bê tông sử dụng cốt liệu đặc chắc và đƣợc đầm chặt tốt chủ yếu phụ thuộc vào lỗ rỗng trong đá xi măng và không kh cuốn vào trong quá trình chế tạo bê tông. (nguồn Lê Việt Hùng, 2007)
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Hình 2.9 ự p n ố k t ớ lỗ rỗn ủa ạt ốt l u tôn t ế từ
tôn t ờn , tôn t l n ao so vớ CLTN
Hạt cốt liệu bê tông tái chế có cấu tạo không đồng nhất, với các phần cấu trúc rỗng xốp khác nhau. Phần đá tự nhiên có cấu tạo tƣơng đối đặc chắc, còn phần vữa, đá xi măng và phần liên kết giữa cốt liệu tự nhiên với đá xi măng có nhiều lỗ rỗng do trong quá trình chế tạo bê tông hồ xi măng không điền đầy hoàn toàn sau khi đầm chặt bê tông và do bọt khí cuốn vào; các lỗ rỗng trong đá xi măng, độ rỗng của các loại cốt liệu bê tông tái chế lớn hơn nhiều so với cốt liệu tự nhiên chủ yếu do hàm lƣợng vữa xi măng d nh bám vào hạt cốt liệu bê tông tái chế hoặc do quá trình gia công cốt liệu. Cũng cho rằng lỗ rỗng trong hạt cốt liệu bê tông tái chế có nhiều k ch thƣớc khác nhau. (Hình 2.9 a,b).
B ng 2.2 Sự ản ởng của h thống lỗ rỗn đến tính ch t của bê tông
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Do hạt cốt liệu bê tông tái chế có cấu trúc rỗng xốp nên có khả năng hút
Loại ỗ rỗng K ch thƣớc Mô tả Ảnh hƣởng đến t nh ch t bê tông Lỗ rỗng mao quản 50nm-10 µm 10-50nm Lỗ rỗng vĩ mô Lỗ rỗng lớn trung bình T nh thấm, độ khuếch tán T nh thấm trong lỗ rỗng vĩ mô, co ngót ở độ ẩm 80% Lỗ rỗng gel 2,5-10nm 0,5-2,5 nm ≤ 0,5 nm Lỗ rỗng nhỏ Vi lỗ rỗng Lỗ rỗng giữa các gel Co ngót ở độ ẩm trong khoảng 50-80% Co ngót ở tất cả các độ ẩm
nƣớc mạnh trong quá trình trộn hỗn hợp bê tông, đây là nguyên nhân làm tăng tốc độ tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế.
Tuy nhiên, ch nh lƣợng nƣớc cốt liệu tái chế hút vào này sẽ nhả ra và thực hiện quá trình nội bảo dƣỡng đá xi măng bê tông trong quá trình rắn chắc, giúp cƣờng độ liên kết vùng tiếp xúc tăng và dẫn đến tăng cƣờng độ của bê tông.
Ngoài ra, đối với các lỗ rỗng k ch thƣớc lớn và hở, hỗn hợp hồ xi măng có thể dễ dàng xâm nhập vào sẽ làm tăng khả năng liên kết giữa bề mặt hạt cốt liệu tái chế và đá xi măng. Trên cơ sở các phân tích ở trên, cốt liệu tái luôn có độ hút nƣớc lớn hơn nhiều so với cốt liệu tƣ. Cụ thể, độ hút nƣớc của cốt liệu tái chế từ bê tông thƣờng là 3-12%, còn từ hỗn hợp phế liệu xây dựng là 20-25%, trong khi đó của cốt liệu tự nhiên chỉ là 0,5-1,2% .
Độ hút nƣớc của các loại cốt liệu tái chế khác xa nhau là do hàm lƣợng đá xi măng và lƣợng vữa dính trên bề mặt hạt cốt liệu, hàm lƣợng các thành phần có khả năng hút nƣớc cao nhƣ mảnh vỡ gạch xây và gạch ốp lát đất nung; nguồn gốc phế liệu bê tông và k ch thƣớc hạt cốt liệu bê tông tái chế (Hình 2.10).
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2012)
Hình 2.10 Quan ữa m l n vữa vớ độ út n ớc
Cƣờng độ của cốt liệu bê tông tái chế có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ của bê tông. Trƣớc tiên, cƣờng độ của cốt liệu thƣờng đƣợc đánh giá qua cƣờng độ đá gốc hay nói cách khác là cƣờng độ của bản thân từng hạt cốt liệu. Giá trị này phụ thuộc rất lớn vào cƣờng độ của đá tự nhiên đã dùng làm cốt liệu, tỷ lệ N/X và hàm lƣợng vữa xi măng của bê tông. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng các công trình hoặc gia công nghiền các mảnh vỡ phế liệu bê tông thành các cỡ hạt của cốt liệu cũng có thể làm xuất hiện các vết nứt trên bề mặt và trong hạt cốt liệu bê tông tái chế, ch nh điều này sẽ làm giảm cƣờng độ của hạt cốt liệu.
2.3.2 Các giải pháp nâng cao ch t ƣợng cốt liệu tái chế
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp nhằm hạn chế các nhƣợc điểm và cải thiện chất lƣợng của cốt liệu bê tông tái chế nhƣ phƣơng pháp gia công cơ học tách lớp vữa cũ phƣơng pháp hóa học ; phƣơng pháp nhiệt học phƣơng pháp hấp phụ các loại vật liệu khoáng puzơlan trên bề mặt hạt cốt liệu ,v.v… Các phƣơng pháp này cho phép nâng cao chất lƣợng cốt liệu bê tông tái chế cũng nhƣ chất lƣợng cốt liệu bê tông tái chế với các mức độ rất khác nhau.
Phƣơng pháp gia công cơ học Trong cốt liệu bê tông tái chế luôn có một phần vữa xi măng cũ tự do và vữa xi măng cũ bám d nh vào hạt cốt liệu tự nhiên (vữa bám dính). Thành phần này có độ rỗng lớn và có độ hút nƣớc cao, cƣờng độ thấp hơn so với phần đá tự nhiên. Do vậy đây là nguyên nhân ch nh làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông, chất lƣợng cũng nhƣ t nh bền vững của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2012)
Hình 2.11 ơ đồ t ốn sản xu t CLBTTC ó sử dụn p ơn p p xử lý ề
mặt n p ơn p p óa- lý
Phƣơng pháp xử lý bằng cơ nhiệt Phế thải bê tông đƣợc gia nhiệt tới khoảng 3000C, thành phần đá xi măng trở nên bị giòn, dễ vỡ do mất nƣớc của các sản phẩm thủy hóa. cốt liệu bê tông tái chế đã đốt nóng đƣợc chà sát trong
máy nghiền có các vật trợ nghiền, mức độ chà sát khác nhau tùy thuộc vào lƣợng vật liệu trợ nghiền và tốc độ quay của máy nghiền (Hình 2.12).
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Hình 2.12 ơ đồ qu trìn t ế ốt l u t l n ao n p ơn p p xử
lý n t kết p m y n ền ma s t
Phƣơng pháp xử lý bằng chất hóa học Tác giả Masato Tsujino, đã nghiên cứu công nghệ cải thiện chất lƣợng lớp bề mặt cho cốt liệu bê tông tái chế mà không làm suy giảm tính chất cơ học của hạt cốt liệu nhờ vào việc sử dụng 2 loại dung dịch chất hoạt động bề mặt là dầu khoáng và Silane. Sơ đồ quá trình xử lý bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế đƣợc nêu ở Hình 2.13 và Hình 2.14 Kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt cốt liệu sau khi đƣợc xử lý bề mặt giảm độ hút nƣớc, tăng cƣờng độ hạt.
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2012)
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Hình 2.14 ơ đồ qu trìn ả t n ề mặt CLBTTC n dun dị s lane
K. Sakata và T. Ayano, Valerie Spaeth và Assia Djerbi Tegguer, cũng đã đề xuất phƣơng pháp cải thiện các tính chất của cốt liệu bê tông tái chế bằng cách ngâm tẩm trong các loại dung dịch dầu khoáng hoặc silane có nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy các lớp phủ kỵ nƣớc đƣợc hình thành trên bề mặt hạt cốt liệu đã làm giảm độ hút nƣớc và nâng cao khả năng chống mài mòn Los Angeles của cốt liệu bê tông tái chế; từ đó cải thiện cƣờng độ và khả năng chống thấm CO2 của cốt liệu bê tông tái chế .
Gần đây, Sallehan Ismail và Mahyuddin Ramli đã khảo sát khả năng kết hợp hai phƣơng pháp khác nhau để xử lý bề mặt nhằm cải thiện chất lƣợng của cốt liệu bê tông tái chế. Quá trình xử lý đƣợc tiến hành bằng cách ngâm cốt liệu bê tông tái chế trong axit có nồng độ thấp để loại bỏ bụi bẩn trên bề mặt cốt liệu và sau đó tiếp tục ngâm tẩm với silicat canxi (CS). Kết quả cho thấy phƣơng pháp xử lý kết hợp này cải thiện đáng kể cƣờng độ nén của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế nhờ việc loại bỏ lớp đá xi măng cũ trên bề mặt hạt cốt liệu và các hạt CS có vai trò nhƣ vật liệu điền đầy các lỗ rỗng và các vết nứt trên bề mặt hạt, hoặc hòa tan trong khi trộn hỗn hợp bê tông và thực hiện phản ứng puzơlanic trong quá trình rắn chắc của bê tông, góp phần cải thiện vi cấu trúc bê tông.
Nhìn chung, các phƣơng pháp xử lý bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế bằng các loại hóa chất có thể loại bỏ lƣợng vữa cũ dính bám trên bề mặt hạt, giảm độ hút nƣớc của cốt liệu; nâng cao cƣờng độ cũng nhƣ mô đun đàn hồi của cốt liệu bê tông tái chế. Tuy nhiên việc sử dụng các loại ax t vô cơ (H2SO4; HCl) không phù hợp với các loại phế liệu xây dựng có chứa hạt cốt liệu từ đá
cacbonat, hàm lƣợng muối SO42-, Cl- trong cốt liệu bê tông tái chế tăng nên có thể làm giảm tính bền của bê tông và BTCT. Một số loại hợp chất polymer cũng có thể làm giảm cƣờng độ bám dính giữa đá xi măng mới với cốt liệu bê tông tái chế hoặc làm tăng mạnh giá thành bê tông.
2.3.3 Thành phần, tính ch t của hỗn hợp bê tông sử dụng bê tông tái chế làm cốt liệu
Thiết kế thành ph n hỗn h p bê tông sử dụng cốt li u tái bê tông tái chế
Về nguyên tắc, việc thiết kế thành phần bê tông sử dụng cốt liệu tái chế là tƣơng tự nhƣ bê tông sử dụng cốt liệu tƣ nhiên. cốt liệu tự nhiên có thể đƣợc thay thế từ 0 - 100% bằng cốt liệu tái chế theo hàm lƣợng khối lƣợng hoặc theo hàm lƣợng thể tích. Một số nghiên cứu cho rằng không nên sử dụng cốt liệu bê tông tái chế để chế tạo bê tông do khó xác định đƣợc ch nh xác độ hút nƣớc, lƣợng nƣớc tự do cũng nhƣ khối lƣợng thể tích bão hòa bề mặt của chúng. Trong khi nghiên cứu khác lại cho thấy có thể sử dụng 10-30% cốt liệu tái chế trong tổng khối lƣợng cốt liệu nhỏ mà bê tông vẫn có cƣờng độ tƣơng đƣơng với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên.
Lƣợng xi măng t nh toán trong bê tông cốt liệu tái chế sẽ cao hơn 5-15% lƣợng dùng xi măng của bê tông cốt liệu tự nhiên để đảm bảo cƣờng độ bê tông thiết kế do lƣợng nƣớc tự do yêu cầu đảm bảo tính công tác cao hơn. Trong nhiều trƣờng hợp cƣờng độ nén của bê tông có thể tăng khi sử dụng lƣợng xi măng cao hơn hoặc thay thế một phần cốt liệu tái bằng cốt liệu tự nhiên. Vì thế trong quá trình nghiên cứu của luận văn đã giữ tỷ lệ cốt liệu nhỏ/ cốt liệu bằng tỷ lệ tối ƣu của cốt liệu tự nhiên, nhằm tạo ra sự sắp xếp các hạt trong khung cốt liệu t thay đổi.
L n n ớc nhào trộn và tính công tác của hỗn h p bê tông Do độ hút nƣớc của CLTC cao hơn so với cốt liệu tự nhiên nên lƣợng nƣớc nhào trộn cần
nhiều hơn để đảm bảo độ sụt ban đầu của hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế và cát tự nhiên cần thêm khoảng 5% nƣớc so với bê tông thƣờng để đạt t nh công tác tƣơng đƣơng. Còn khi sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế thì lƣợng nƣớc cần tăng thêm tới 15%. Thực nghiệm cho thấy, cốt liệu bê tông tái chế khi đƣợc trộn ở trạng thái khô sẽ tiếp tục hút nƣớc sau khi trộn. Đây là nguyên nhân gây tăng tốc độ tổn thất độ sụt và tính công tác của hỗn hợp bê tông. Hơn nữa, Tavakoli M. đã chứng minh đƣợc rằng, bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế ở trạng thái khô sẽ có tỷ lệ N/X thực tế thấp hơn trong bê tông thƣờng.
Để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các biện pháp khác nhau Hansen T.C. và Etxerberia M. cho rằng nên làm ẩm cốt liệu trƣớc khi trộn, khi cốt liệu bê tông tái chế đƣợc hút nƣớc đạt đến khoảng 80-90% độ hút nƣớc bão hòa thì cƣờng độ vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và