1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tà
2.1 Quy hoạch thực nghiệm lựa chọn kết cấu vật liệu
2.1.1 Chọn tỷ lệ vật liệu thành phần
Vật liệu bê tông polymer có tính chất thay đổi trong một khoảng rộng do ảnh hưởng của hàm lượng các vật liệu thành phần. Khi ta thay đổi thành phần các hạt sẽ dẫn đến sự thay đổi cơ tính của sản phẩm tạo ra.
Thông thường cơ tính của hạt sỏi cao hơn của cát vàng và nhựa, do đó tỷ lệ thể tích của hạt sỏi càng cao, cơ tính của bê tông polymer càng cao. Tuy nhiên, nó cũng có một giới hạn nhất định. Nếu thành phần hạt sỏi chiếm quá 60% thể tích thì sự liên kết bề giữa các bề mặt hạt sỏi và cát vàng với chất kết dính là nhựa thì giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu bê tông polymer. Theo kinh nghiệm đã làm của các công ty ở Đức nói riêng và Châu Âu nói chung thì tỷ lệ % trọng lượng hạt sỏi là 40-50% , cát vàng 30-40% . Thực tế cho thấy nếu tỷ lệ % hạt sỏi > 60% thì khoảng hở giữa các hạt sỏi rất lớn, lúc này chỉ có nhựa liên kết lắp đầy vào chỗ trống đó dẫn đến làm giảm sức bền của vật liệu.
Theo lý thuyết của phần tổng quan về bê tông polymer, thì tỉ lệ tiến hành pha chế vật liệu vật liệu bê tông polymer với thành phần cốt và nền cụ thể như sau:
40% cát vàng + 50% hạt sỏi + 10% (epoxy và chất xúc tác).
Từ cơ sở trên, trong nội dung đề tài này chúng ta sẽ tiến hành thực nghiệm để nghiên cứu sự thay đổi tính chất của bê tông polymer ở 3 mức tỷ lệ vật liệu thành phần (thay đổi thành phần hạt sỏi bằng hạt Nix):
1) 40% cát vàng + ¾ 50% hạt sỏi +
¼ 50% hạt Nix +10% (epoxy và chất xúc tác). 2) 40% cát vàng + ½ 50% hạt sỏi +
3) 40% cát vàng + ¼ 50% hạt sỏi +
¾ 50% hạt Nix + 10% (epoxy và chất xúc tác). Ta sẽ kiểm tra độ bền nén của các mẫu thay đổi tỉ lệ thành phần giữa hạt sỏi và hạt Nix thông qua mẫu bê tông polymer nguyên thủy (không có hạt Nix) hoặc mẫu trung gian là các loại mác bê tông thông thường, ngoài ra ta khảo sát độ phóng xạ các mẫu có thành phần hạt Nix ảnh hưởng như thế nào đến môi trường.
2.1.2 Chọn vật liệu nền
Trong nội dung đề tài này ta chọn vật liệu nền là nhựa epoxy 128S của Đài Loan, vì đây là loại đang được dùng phổ biến trong công nghệ tạo vật liệu compozit sau UPE, đồng thời nó đảm bảo đầy đủ các tính chất ưu việt như: Độ kết dính cao, độ bền cơ lý cao, chống mài mòn lớn, độ co thể tích thấp, … và đặc biệt là khả năng kháng nước của nó.
Bảng 2.1. Đặc tính cơ lý của vật liệu nền được chọn
Loại resin Khối lượng riêng (g/cm3) Mô đun đàn hồi (GPa) Ứng suất kéo (MPa) Ứng suất nén (MPa) Thể tích co (%) Độ dãn dài tương đối (%) Độ nhớt ở 250C (cps) Epoxy 128S 1,15 3,5 70 130 0,5 ÷ 1 5 19000 ÷ 24000 Ngoài ra ta cần dùng chất đóng rắn cho nhựa epoxy, chọn chất đóng rắn là TETA (trietylentetramin), đây là loại alkylene amin không biến tính, thuộc hệ đóng rắn nguội được dùng phổ biến trên thị trường hiện nay.
Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của TETA
Tính chất Đơn vị Giá trị
Amin mg KOH/g 1443
Nhiệt độ sôi °C 260
Điểm đóng băng °C - 35
Mật độ ở 20°C g/ml 0,981 Hệ số giãn nở ở 20°C l/°C 0,00075 Hằng số điện môi ở 25°C và 1 kHz 11,4 Hàm lượng Nitơ % 37,0 Sức căng bề mặt ở 20°C dynes/cm 22,2 Trọng lượng phân tử 151 Tỷ trọng ở 25°C g/cm3 0,983 Nhiệt nóng ở 20°C cal/g°C 0,482 Độ dẫn nhiệt ở 20°C cal/cm-sec-°C 0,00045 Áp suất hơi ở 20°C mm Hg <0,1 Độ nhớt ở 20°C cps 13,9
Nước hòa tan % > 10
2.1.3 Mục đích thực nghiệm tạo vật liệu bê tông polymer
Yêu cầu đặt ra của đề tài là: Tạo vật liệu bê tông polymer có thay thế hạt sỏi bằng hạt Nix đã qua sử dụng đảm bảo khả năng có các tính năng của vật liệu bê tông polymer nguyên thủy cũng như vật liệu khác như gang, thép….. Vì vậy, mục đích của thực nghiệm tạo vật liệu bê tông polymer cần đạt được ở đây là:
- Tính đúc của các vật liệu thành phần, tức là khả năng điền đầy của vật liệu trong khuôn đúc.
- Thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa phải phù hợp với tiến độ quy trình công nghệ, đồng thời vẫn đảm bảo năng suất chế tạo.
- Vật liệu bê tông polymer tạo ra có cơ tính đảm bảo đủ hoặc dư bền để có thể thay thế các vật liệu khác như gang, thép.
Với những vật liệu thành phần đã được nghiên cứu tính chọn ở trên, ta thấy: Thành phần cốt là là cát vàng và hạt sỏi được trộn đều trong nhựa epoxy có độ nhớt cao (19000 ÷ 24000 cps), đồng thời lại được ép với áp lực nên có khả năng đảm bảo được tính đúc. Vấn đề ở đây là ta chọn được tỷ lệ % hạt với nhựa và lực ép hợp lý để đảm bảo đúc được sản phẩm tốt nhất.
Thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa phụ thuộc vào hàm lượng của chất xúc tác. Với nhựa là epoxy 128S (Đài Loan) và xúc tác là TETA (Nhật) thì tỷ lệ % trọng lượng giữa xúc tác và nhựa đã được các nhà sản xuất quy định là 10%. Ở đây ta chỉ kiểm tra chính xác xem thời gian đông đặc và đóng rắn của vật liệu là bao nhiêu để xác định thời gian tháo rỡ khuôn đúc.
Để đảm bảo cơ tính của vật liệu bê tông polymer tạo ra, ta sẽ tiến hành thực nghiệm với các tỷ lệ % khác nhau giữa hạt sỏi và hạt nix; đồng thời ứng với mỗi mức tỷ lệ vật liệu thành phần, ta cũng tiến hành khảo nghiệm với các lực ép khác nhau để có được cơ tính tốt nhất của sản phẩm.
Với cấu trúc hóa học và đặc tính cơ lý của nhựa epoxy ta thấy rằng vật liệu nền được chọn ở đây có khả năng kháng nước, đảm bảo cho sản phẩm không bị trương nở và phân hủy khi làm việc lâu trong môi trường nước biển.
Khảo sát độ phóng xạ không ảnh hưởng đến môi trường
Bê tông polymer nguyên thủy thì thành phần của hạt sỏi chiếm số lượng lớn hơn nhiều so với cát vàng nên khi tiến hành thí nghiệm ta chỉ thay thế hạt sỏi bằng hạt Nix (để khối lượng hạt Nix thay thế được nhiều)
Hạt sỏi được dùng trong bê tông polymer có kích thước hạt từ 2-14 mm Các quá trình công nghệ liên quan chặt chẽ đến việc xử lý các hệ dạng hạt. Tính chất của các hệ phân tán như vật không chỉ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu mà còn phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và cách thức sắp xếp giữa cáchạt với nhau.
Thành phần cỡ hạt của hệ có thể được xác định bằng cách xác định phân bố kích thước hạt hay bề mặt riêng. Thành phần cỡ hạt là một trong những thông số quyết định đến công nghệ sản xuất. Phân bố kích thước các hạt trong hệ, ví dụ như trong phối liệu silicat (gốm sứ, vật liệu chịu lửa v.v…) ảnh hưởng lớn đến tính chất của sản phẩm sau cùng. Thành phần cỡ hạt quyết định chất lượng sản phẩm, ví dụ như xi măng, vôi hay thạch cao. Kiểm tra thành phần hạt là một trong những công đoạn quan trọng trong công nghệ sản xuất.
Các phương pháp xác định thành phần cỡ hạt bao gồm: - Phân tích bằng sàng.
- Phân tích bằng phương pháp lắng. - Phương pháp đếm hạt.
- Phương pháp phân loại hạt.
Ở đây ta sử dụng phương pháp phân tích bằng sàng:
Đây là phương pháp thường dùng để xác định thành phần cỡ hạt, thường dùng để xác định thành phần cỡ hạt từ 40µm đến 6 – 8µm, đặc biệt có thể đến 125 mm. Ngày nay người ta thường dùngđể phân tích cỡ hạt 5 đến 40µm (vi sàng). Sàng được sản xuất thành bộ có kích thước lổ nhất định và được đánh theo số, theo tiêu chuẩn của từng nước. Xếp sàng theo mức độ hạt thô hay tinh, sàng cỡ lổ lớn đặt trên cùng, dưới là sàng có kích thước lổ nhỏ nhất.
Phân tích bằng sàng thường có sai số tạo nên bởi sự tập hợp các hạt, các hạt không đồng nhất hình dạng hay thời gian sàng không đủ. Các lỗi này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các chuyểnđộng bắt buộc của các hạt trên bề mặtsàng (rung, lắc), sàng với dòng không khí thổi hay sàng ướt. Sàng khô có thể là bằng tay hay bằng máy trên thiết bị rung. Tất cả bộ sàng đều được đặt trên máy rung, sàng cho cỡ hạt thô nhất đặt lên trên cùng.
Số lượng nguyên liệu đem sàngđược chọn sao cho sàng không bị quá tải. Đối với sàng đường kính khoảng 200 mm thường cho một lượng nguyên liệu là 100cm3, tức là có khối lượng từ 100 – 200 g. Đối với nguyên liệu khó sàng, sau 5 phút phải làm sạch mặt dưới của sàng bằng chổi mịn. Phần lọt qua sàng bỏ đi. Sàng bằng tay phải dàng trong ít nhất 30 phút, đối với nguyên liệu mịn phải sàng đến 1– 2 giờ. Nếu sàng máy chỉ cần khoảng 10 phút.
Phân tích sàng bằng tay dùng để phân tích chính xác hay để xác nhận có tư cách pháp lý. Phân tích sàng bằng máy dùng để phân tích hàng loạt. Sau khi sàng xong đem cân. Những hạt nằm kẹt trong lổ được cho vào những hạt nằm trên sàng. Nếu một lượng lớn nguyên liệu đem sàng có kích thước hạt gần với kích thước lổ
sàng, cần phải cho thêm vào 30g thanh đồng có độ dài 10 mm hay các khối vuông bằng cao su.
Khi tiến hành thí nghiệm này: thay đổi thành phần hạt sỏi bằng hạt Nix tạo ra một vật liệu bê tông polymer mới, sau đó so sánh với vật liệu nguyên thủy (không chứa hạt Nix) về độ bền nén và cũng có thể so sánh độ bền nén với một vật liệu trung gian, ta có thể lấy các loại bê tông thông thường đang dùng trên thị trường. Vì sao ta chọn so sánh với bê tông? Vì những đặc tính của nó tương đối giống với vật liệu ta thử nghiệm. Đặc tính cụ thể của bê tông như sau:
Bê tông (gốc từ béton trong tiếng Pháp) là một loại đá nhân tạo, được hình
thành bởi việc nhào trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính theo một tỷ lệ nhất định tạo nên một hổn hợp nhựa. Hổn hợp nhựa này biến đổi qua một quá trình lý hoá khá phức tạp và đông kết tạo thành đá xi măng. Toàn bộ quá trình này diễn ra trong 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn sẽ đạt cường độ tiêu chuẩn được qui uớc trong tính toán và thiết kế công trình. Bê tông là vật liệu dòn, tính đồng nhất kém và dị hướng
Cốt liệu : là những hạt cát có hình dáng,kích thước , đặc trưng bề mặt,cường độ rất khác nhau
Đá xi măng : được tạo thành từ xi măng tương tác với nước và được để một thời gian để rắn chắc lại
Hệ thống mao quản,lỗ rỗng : có thể chứa nước,không khí và hơi nước Bê tông trước khi trộn phải trộn theo đúng cấp phối tương ứng với mác bê tông theo thiết kế.
Trong bê tông, chất kết dính (xi măng + nước, nhựa đường,...) làm vai trò liên kết các cốt liệu thô (đá, sỏi,...đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ) và cốt liệu mịn (thường là cát, đá mạt, đá xay,...) và khi đóng rắn, làm cho tất cả thành một khối cứng như đá. Ba đặc tính quan trọng của bê tông là:
Tính lưu động, Độ bền thích hợp Chi phí tối thiều.
Điều chỉnh nó bằng việc thay đổi tỷ lệ xi măng/nước, tỷ lệ xi măng/cốt liệu, cỡ cốt liệu, tỷ lệ cốt liệu mịn/cốt liệu thô, loại xi măng.
Nhưng trước khi ta tạo ra các mẫu để so sánh với bê tông thông thường trong xây dựng ta đi vào tìm hiểu về các loại mác bê tông.
2.1.4 Các loại mác bê tông.
Khi nói đến mác bê tông là nói đến khả năng chịu nén của mẫu bê tông. Theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam (TCVN 3105:1993, TCVN 4453:1995), mẫu dùng để đo cường độ là một mẫu bê tông hình lập phương có kích thước 150 mm × 150 mm × 150 mm, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn quy định trong TCVN 3105:1993, trong thời gian 28 ngày sau khi bê tông ninh kết. Sau đó được đưa vào máy nén để đo ứng suất nén phá hủy mẫu (qua đó xác định được cường độ chịu nén của bê tông), đơn vị tính bằng MPa (N/mm²) hoặc daN/cm² (kg/cm²).
Trong kết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều tác động khác nhau: chịu nén, uốn, kéo, trượt, trong đó chịu nén là ưu thế lớn nhất của bê tông. Do đó, người ta thường lấy cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng để đánh giá chất lượng bê tông, gọi là mác bê tông.
Mác bê tông được phân loại từ 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 và 600. Khi nói rằng mác bê tông 200 chính là nói tới ứng suất nén phá hủy của mẫu bê tông kích thước tiêu chuẩn, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, được nén ở tuổi 28 ngày, đạt 200 kG/cm². Còn cường độ chịu nén tính toán của bê tông mác 200 chỉ là 90 kG/cm² (được lấy để tính toán thiết kế kết cấu bê tông theo trạng thái giới hạn thứ nhất).
Ngày nay người ta có thể chế tạo bê tông có cường độ rất cao lên đến 1000 kg/cm².
Ở các quốc gia khác nhau quy định kích thước mẫu có thể khác nhau. Theo tiêu chuẩn Mỹ, mẫu bê tông hình trụ tròn đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm
(thí nghiệm nén dọc trục). Để các tiêu chuẩn được tương đương cần có hệ số quy đổi.
Quy định về lấy mẫu bê tông
Theo tiêu chuẩn Việt Nam về thi công và nghiệm thu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối hiện hành, TCVN 4453:1995 thì việc lấy mẫu được quy định như sau:
Đối với bê tông thương phẩm thì ứng với mỗi mẻ vận chuyển trên xe (khoảng 6÷10 m³) phải lấy một tổ mẫu, tại hiện trường công trình trước khi đổ bê tông vào khuôn;
Trường hợp đổ bê tông kết cấu đơn chiếc, khối lượng ít (<20 m³) thì lấy một tổ mẫu;
Đối với kết cấu khung và các loại kết cấu mỏng (cột, dầm, bản, vòm...) thì cứ 20 m³ bê tông phải lấy một tổ mẫu;
Đối với bê tông móng máy khối lượng khoang đổ (phân khu bê tông) > 50 m³ thì cứ 50 m³ bê tông lấy một tổ (nếu khối lượng bê tông móng máy ít hơn 50 m³ vẫn phải lấy một tổ);
Các móng lớn, thì cứ 100 m³ lấy một tổ mẫu, nhưng không ít hơn 1 tổ mẫu cho mỗi khối móng;
Đối với bê tông nền, mặt đường (đường ô tô, sân bay,..) thì cứ 200 m³ bê tông phải lấy một tổ mẫu (nhưng nếu khối lượng < 200 m³ thì vẫn phải lấy một tổ).
Đối với bê tông khối lớn:
Khi khối lượng bê tông đổ trong mỗi khoang đổ (phân khu bê tông) ≤ 1000 m³ thì cứ 250 m³ bê tông phải lấy một tổ mẫu
Khi khối lượng bê tông đổ trong mỗi khoang đổ (phân khu bê tông) > 1000 m³ thì cứ 500 m³ bê tông phải lấy một tổ mẫu.
2.1.5. Chọn áp lực thực nghiệm
Trong công nghệ đúc thì áp lực là nhân tố quan trọng để lèn chặt các thành phần nền và cốt của bê tông polymer, đồng thời tạo dáng cho vật liệu trong khuôn.
Khi tạo dáng sản phẩm, lúc vật liệu đang dẻo, chưa đông cứng (với nền nhiệt rắn) thì
phải luôn duy trì áp lực . Áp lực cần thiết được chọn phụ thuộc vào độ chảy của vật
liệu, tính chất nền và cốt, cách độn, cấu trúc hình học, độ ẩm vật liệu…
Với điều kiện sẵn có tại cơ sở của tác giả là cần ép 150N nên ta sẽ tiến hành 1 áp lực duy nhất là 150N.
2.2 Công nghệ chế tạo khuôn mẫu
Ta chọn các mẫu để thí nghiệm có kích thước là 5cmx5cmx5cm theo tiêu chuẩn TCVN 2737 : 1990
Tiêu chuẩn này rất thích hợp để so sánh các tính chất cơ học với bê tông thông thường trong xây dựng.
Các mẫu ta tạo ra sẽ có kích thước là 5x5x 5cm, vì thế để tạo ra các mẫu này