Kết cấu, công nghệ xây dựng - Nghiên cứu chế tạo vật liệu chống thấm từ polystyren tái chế

Nội dung text: Kết cấu, công nghệ xây dựng - Nghiên cứu chế tạo vật liệu chống thấm từ polystyren tái chế

1. 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 công bố đã nghiên cứu thành công việc lựa chọn chống thấm sử dụng polystyren từ rác thải trong các lớp phủ để xây dựng bộ vật liệu chống thấm công nghiệp và sinh hoạt. Các thành phần cấu tạo bền hóa. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu của nên vật liệu chống thấm bao gồm: polystyren, xi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Phạm Thế măng, cát, tro trấu và natri silicat, là các vật liệu Trình chưa được công bố trên một tạp chí khoa học thông dụng và phổ biến ở Việt Nam. Quy trình chế chính thống nào, mà tồn tại dưới dạng thông tin sản tạo và thi công vật liệu đơn giản. Kết quả thí nghiệm phẩm thương mại. cho thấy, vật liệu chống thấm từ polystyren tái chế Các nghiên cứu trong nước về vật liệu chống thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật về cường độ bám thấm còn ít và hạn chế. Trong khi các nghiên cứu dính và độ xuyên nước theo tiêu chuẩn Việt Nam và ngoài nước về vật liệu chống thấm ít được công bố Châu Âu. hoặc công bố hạn chế, do họ giữ bí mật bản quyền Từ khóa: Vật liệu chống thấm, polystyrene tái công nghệ để khai thác thương mại. Bài báo này chế, cường độ bám dính, độ xuyên nước. nghiên cứu sử dụng polystyren tái chế, là rác thải trong công nghiệp và sinh hoạt, để chế tạo vật liệu 1. Đặt vấn đề chống thấm. Vật liệu chống thấm trong nghiên cứu Cùng với việc xây dựng các công trình, việc bảo này có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn vật vệ chúng trước sự xâm thực của môi trường (nước liệu nhập khẩu hoặc chuyển giao công nghệ sản mưa, hơi ẩm, ánh sáng, nhiệt độ, hóa chất ăn xuất đắt đỏ của nước ngoài. Mặt khác có thể sử mòn, ) là rất cần thiết. Bởi sự xâm thực làm suy dụng nguồn nguyên liệu polystyren tái chế, là rác giảm chất lượng và tuổi thọ các công trình. Đặc biệt thác trong công nghiệp và sinh hoạt để giảm giá trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, lượng thành, tăng hiệu quả kinh tế và góp phần bảo vệ mưa hàng năm nhiều và độ ẩm cao là nguyên nhân môi trường. các công trình dễ bị nước xâm thực. Vì vậy việc 2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm chống thấm, bảo vệ công trình khỏi sự xâm thực của nước, luôn được tính đến ngay từ khi thiết kế 2.1. Vật liệu và thi công các công trình. Hiện nay, thị trường vật 2.1.1. Polystyren liệu chống thấm khá đa dạng với hơn 100 loại sản Polystyren là vật liệu nhẹ, có tính điện môi tốt, phẩm khác nhau, tuy nhiên chủ yếu nhập khẩu từ bền với hóa chất và đặc biệt chịu nước tốt. Hàng nước ngoài với giá thành cao làm cho chi phí chống năm khối lượng lớn polystyren đã qua sử dụng thấm các công trình tăng cao. được loại bỏ như những rác thải trong công nghiệp Ở trong nước, Nguyễn Quang Phú và Phạm và sinh hoạt. Chính vì khả năng chịu nước tốt nên Văn Chiến (2013) đã nghiên cứu lựa chọn vật liệu polystyren được sử dụng là nhân tố chính của vật và công nghệ để sản xuất sơn chống thấm thẩm liệu chống thấm trong nghiên cứu này. Polystyren thấu kết tinh gốc xi măng [1]. Sơn được chế tạo có được thu gom từ rác thải, sau đó rửa sạch, sấy khô, độ bám dính với bề mặt bê tông và độ chống thấm và sử dụng một lượng xăng vừa đủ để hòa tan cao, chất lượng có thể so sánh với sơn cùng loại chúng thành một dạng keo lỏng có độ dẻo lớn. nhập khẩu. Sau 10 năm nghiên cứu, khoa Công 2.1.2. Xi măng nghệ Hóa học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã công bố chế tạo thành công vật liệu phủ chống Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này là xi thấm phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió măng Nghi Sơn PC40, có khối lượng riêng 3,12 mùa Việt Nam. Phạm Thế Trình cùng các cộng sự tấn/m3, thành phần hóa học như trong bảng 1. Xi 44 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG măng có vai trò là chất kết dính và tăng cường độ 27,5 atm. Do kích thước hạt trung bình nhỏ hơn xi bám dính của vật liệu chống thấm. măng, tỷ lệ diện tích bề mặt lớn nên tro trấu làm giảm đáng kể độ rỗng mao quản trong bê tông hoặc 2.1.3. Tro trấu bịt kín các mao quản, làm giảm hệ số thấm và tăng Trấu là phế phẩm có khối lượng rất lớn trong cường độ cho bê tông. Trong nghiên cứu này, tro sản xuất nông nghiệp. Khi đốt trấu ở nhiệt độ thích trấu được sử dụng để tăng cường độ, chống thấm, hợp sẽ thu được tro trấu có độ xốp lớn với hàm đồng thời cũng đóng vai trò thay thế cát như chất o lượng SiO2 vô định hình cao nên tro trấu có độ hoạt độn. Trấu được cho vào lò nung ở nhiệt độ 850 C tính puzơlan rất cao. Theo nghiên cứu [2], khi tỷ lệ trong khoảng (3÷6) giờ đến khối lượng không đổi, nước so với chất kết dính nhỏ hơn 0,3, bê tông tro sau đó sàng qua rây 0,15 mm để sử dụng. Thành trấu không bị thấm sau 14 ngày dưới áp suất nước phần hóa học của tro trấu như trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học của xi măng và tro trấu Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Lượng mất khi nung Xi măng 22,38 5,31 4,03 55,93 2,80 1,98 Hàm lượng (%) Tro trấu 89,74 0,96 0,52 1,96 1,41 0,33 2.1.4. Cát hoạt, tăng khả năng đông kết nhanh và tăng khả năng chịu nhiệt cho vật liệu. Cát được sử dụng để làm cốt liệu thô, tăng độ cứng cho vật liệu, tham gia vào quá trình thủy hóa Các thành phần dùng để chế tạo vật liệu chống với xi măng, tạo khả năng liên kết giữa các lớp màng thấm trong nghiên cứu này đều rất phổ biến ở Việt polystyren, tạo bề mặt nhám cho vật liệu dễ liên kết Nam. Đặc biệt polystyren tái chế và tro trấu là các với các vật liệu khác tại vị trí chống thấm, và làm chất phế thải trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp độn do giá thành rẻ. Cát được rửa sạch để loại bỏ và sinh hoạt. Nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu bùn đất, chất cặn bẩn sau đó sấy khô đến khối lượng này còn góp phần bảo vệ môi trường và sử dụng không đổi (khoảng 6 giờ ở nhiệt độ 105÷110oC). Sau hiệu quả các nguồn tài nguyên. đó sàng qua bộ rây sàng để lấy các hạt có kích cỡ 2.2. Mẫu thí nghiệm mịn trong khoảng (0,15÷0,25) mm. Các mẫu thí nghiệm được thử với nhiều tỷ lệ 2.1.5. Natri silicat khối lượng các thành phần khác nhau để tìm ra tỷ lệ Natri Silicat hay còn được gọi là thủy tinh lỏng tối ưu nhất. Bài báo này trình bày 5 mẫu thí nghiệm có độ nhớt cao nên được sử dụng để tăng độ linh chính có tỷ lệ như bảng 2. Bảng 2. Tỷ lệ khối lượng các thành phần trong các mẫu thí nghiệm Tỷ lệ khối lượng Tên mẫu Natri Silicat Xi măng Polystyren Cát mịn Tro trấu M1 1 2 2 0 0 M2 1 2 6 4 0 M3 1 2 4 4 0 M4 1 2 10 0 4 M5 1 2 8 0 2 Mẫu M1 nghiên cứu sự kết hợp giữa ba thành có độ linh động cao và dễ thi công. Chú ý rằng tính dễ phần chính gồm xi măng, polystyren và natri silicat thi công và khả năng chống thấm của vật liệu là do được gọi là mẫu cơ bản. Mẫu M2 và M3 có thêm polystyren, trong khi cường độ bám dính của vật liệu thành phần cát mịn so với mẫu cơ bản để xem xét sự do xi măng tạo ra. Nếu hàm lượng polystyren thấp, vật kết hợp của cát trong vật liệu đang nghiên cứu. Mẫu liệu khó thi công và khả năng chống thấm kém. Nếu M4 và M5 thay thế cát mịn trong các mẫu M2 và M3 hàm lượng polystyren cao, cường độ bám dính của bằng tro trấu. Khi thêm vào cát mịn hoặc tro trấu, tỷ lệ vật liệu thấp. Vì vậy tỷ lệ xi măng so với polystyren khối lượng các thành phần được điều chỉnh để vật liệu không nên nhỏ hơn 1 và không lớn hơn 5. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 45
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Quy trình chế tạo vật liệu chống thấm như sau: Nguyên tắc xác định cường độ bám dính chính Các vật liệu đầu vào được xử lý ban đầu như trên, là xác định lực kéo đứt lớn nhất vuông góc với bề sau đó cho các vật liệu dạng thô và khô vào trước, mặt bám dính của vật liệu trên nền thử. Cường độ polystyren cho sau cùng. Trộn đều bằng đũa thủy bám dính của vật liệu là tỷ số giữa lực kéo đứt và tinh từ một đến ba phút cho đến khi các nguyên liệu diện tích mẫu thử. Các mẫu thí nghiệm xác định hòa đều vào nhau. Sử dụng dao sắt hoặc bay để thi cường độ bám dính được thể hiện như hình 1. Các công tương tự như trát vữa hồ xi măng với lớp dày mẫu bê tông hình trụ đường kính 20 mm, cao khoảng (1÷2) mm. (30÷50) mm được dính kết với nhau bởi lớp vật liệu 2.3. Phương pháp thí nghiệm chống thấm đang nghiên cứu. Hình 2 mô tả thí Các thông số kỹ thuật của vật liệu chống thấm nghiệm xác định lực kéo đứt lớn nhất. Mẫu bê tông được xác định theo tiêu chuẩn Châu Âu BS EN thử được buộc chặt bởi các dây thép, sau đó gia tải 14891-2012 [3] và phải thỏa mãn Quy chuẩn kỹ từ từ bằng cách treo các quả nặng bằng sắt có khối thuật quốc gia QCVN 16-2014/BXD về sản phẩm, lượng tăng dần từ 0,125 kg đến 5,1 kg cho tới khi hàng hóa vật liệu xây dựng [4], bao gồm: Cường độ hai phần của mẫu thử bị đứt rời tại vị trí liên kết bởi bám dính, cường độ bám dính sau khi ngâm nước, lớp vật liệu chống thấm. Các mẫu được thí nghiệm cường độ bám dính sau lão hóa nhiệt, cường độ bám dính sau khi kết hợp lão hóa nhiệt và ngâm ở điều kiện thường, sau khi ngâm nước, sau khi lão nước, và độ xuyên nước. Tất cả các thí nghiệm hóa nhiệt ở 7 và 14 ngày, và sau khi kết hợp lão trong bài báo này được thực hiện tại Xưởng thực hóa nhiệt 7 ngày và ngâm nước 7 ngày. Mỗi lần thí hành - Khoa Kỹ thuật công nghệ, trường Đại học nghiệm với 3 mẫu thử, lấy giá trị trung bình. Hình Hồng Đức. ảnh mẫu ngâm nước và mẫu trong lò sấy ở nhiệt độ o o 2.3.1. Cường độ bám dính 70 C ± 3 C được thể hiện như hình 3. (a) (b) Hình 1. Mẫu thử cường độ bám dính (a) (b) Hình 2. Thí nghiệm xác định cường độ bám dính (a) (b) Hình 3. a) Mẫu ngâm nước ; b) Mẫu trong lò sấy 46 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 2.3.2. Độ xuyên nước dày tương ứng là 1 mm và 2 mm. Khi vật liệu chống Độ xuyên nước được đánh giá bằng khoảng thấm đạt trạng thái khô hoàn toàn, đặt tấm thử theo thời gian từ lúc bắt đầu thử tới thời điểm xuất hiện phương nằm ngang, mặt có lớp chống thấm ở phía vết thấm nước ở mặt dưới của tấm thử, được xác trên. Dùng keo epoxy để gắn chặt ống nước có định theo TCVN 6557-2000 [5], tương tự tiêu chuẩn đường kính trong 25 mm, cao 150 mm theo phương BS EN 14891-2012 [3]. Mỗi mẫu vật liệu chống thẳng đứng trên bề mặt vật liệu như hình 4(b). Đổ thấm được quét lên hai tấm bìa cát tông có kích nước đầy vào ống thử và bảo đảm mực nước này thước 100 100 5 (mm) như hình 4(a) với chiều trong suốt quá trình thử. (a) (b) Hình 4. Thí nghiệm xuyên nước 3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận thấp hơn các mẫu ở điều kiện thường, vì nước xâm thực sẽ làm yếu các liên kết của vật liệu. Chú ý rằng 3.1. Cường độ bám dính cường độ bám dính thực tế của các mẫu chịu lão Kết quả thí nghiệm cường độ bám dính ở 7 và hóa nhiệt ở 14 ngày lớn hơn giá trị ghi trong bảng, 14 ngày tuổi được thể hiện lần lượt trong bảng 3 và do mẫu thử bị đứt ở phần bê tông, phần liên kết bởi bảng 4. Tất cả các mẫu thí nghiệm đều cho cường vật liệu chống thấm không bị phá hoại. Điều này độ bám dính lớn hơn 0,5 MPa thỏa mãn theo tiêu chứng tỏ cường độ bám dính của các mẫu vật liệu chuẩn Châu Âu BS EN 14891-2012 [3] và Quy sau khi lão hóa nhiệt ở 14 ngày cao hơn cường độ chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 16-2014/BXD [4]. chịu kéo của bê tông. Các mẫu bị lão hóa nhiệt có cường độ bám dính tốt nhất, sau đó đến các mẫu ở điều kiện thường, các Khi mẫu chịu kết hợp lão hóa nhiệt và ngâm mẫu ngâm nước có cường độ thấp nhất, tuy nhiên nước, cường độ bám dính cao hơn các mẫu ở điều vẫn đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật như nêu trên. Tuổi kiện bình thường. Khi chịu nhiệt trước, tốc độ ninh của mẫu thí nghiệm càng cao thì cường độ bám kết của xi măng tăng nhanh kết hợp với polystyren dính càng tốt, bởi vì vật liệu nghiên cứu sử dụng vật tạo nên một lớp vật liệu có tính đặc chắc của bê liệu gốc xi măng nên cường độ của mẫu phát triển tông (do xi măng tạo ra) và cũng như một màng tương tự như cường độ của vữa bê tông. Điều đó chống thấm (do polystyren tạo ra). Do vậy khi ngâm cũng lý giải tại sao cường độ mẫu chịu nhiệt cao hơn các mẫu ở điều kiện thường và điều kiện ngâm nước, lớp này giúp ngăn ngừa nước xâm thực vào nước (do thuộc tính thủy hóa của xi măng tốt khi vật liệu, vì vậy cường độ bám dính của các mẫu này nhiệt độ cao). Các mẫu ngâm nước có cường độ không bị ảnh hưởng khi ngâm nước. Bảng 3. Cường độ bám dính ở 7 ngày tuổi Cường độ bám dính (MPa) Mẫu 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
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng 4. Cường độ bám dính ở 14 ngày tuổi Cường độ bám dính (MPa) Mẫu Kết hợp lão hóa nhiệt- Điều kiện thường Lão hóa nhiệt Ngâm nước ngâm nước M1 1,10 1,72 0,74 1,10 M2 1,10 1,72 0,80 1,66 M3 1,23 1,72 0,98 1,41 M4 1,10 1,72 0,98 1,47 M5 1,29 1,72 1,10 1,41 3.2. Khả năng chống thấm có hình cầu (giọt nước trên lá sen, lông vịt, ), đó là hiện tượng sức căng bề mặt xuất hiện ở giữa chất 3.2.1. Khả năng chống thấm bằng trực quan lỏng và chất rắn có chênh lệch lực hút phân tử Khả năng chống thấm của vật liệu được đặc khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện trưng bởi dấu hiệu cơ bản của vật liệu biểu hiện đặc tính của một màng chất dẻo đang chịu lực kéo trên màng. Đáng chú ý ở đây là hiệu ứng giọt nước căng (hình 5). Hình 5. Hiện tượng sức căng mặt ngoài Bằng trực quan, hình 6 miêu tả giọt nước khi sen. Trong khi giọt nước trên tấm bê tông thông nhỏ lên các tấm bê tông phủ vật liệu chống thấm và thường có hiện tượng bị vỡ và có vết thấm xung giọt nước khi nhỏ lên tấm bê tông thông thường. quanh. Kết quả từ thí nghiệm này cho thấy vật liệu Quan sát thấy giọt nước trên các lớp vật liệu chống nghiên cứu có khả năng chống thấm tốt dựa trên thấm có hình tròn gần giống như giọt nước trên lá sức căng bề mặt. Hình 6. Khả năng chống thấm bằng trực quan 3.2.2. Độ xuyên nước mm không có hiện tượng nước thấm qua hình Hình 7(a) cho thấy, sau 7 ngày dưới 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 được nhỏ hơn 24h. tĩnh 1,5 bar), không có hiện tượng nước thấm qua Theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 16-2014/BXD các lớp vật liệu chống thấm đến lớp bìa cát tông. [4] và tiêu chuẩn Châu Âu BS EN 14891-2012 [3], Sau 10 ngày một số mẫu có lớp chống thấm độ xuyên nước không dưới 7 ngày. Như vậy tất mỏng (1 mm) xuất hiện vết thấm như hình 7(b) cả các mẫu thí nghiệm đều thỏa mãn các tiêu (các mẫu bên phải), các mẫu có lớp chống thấm 2 chuẩn kỹ thuật nêu trên. 48 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG (a) (b) Hình 7. Độ xuyên nước: (a) sau 7 ngày; và (b) sau 10 ngày Trong các thí nghiệm về cường độ bám dính và khi các mẫu thử với độ dày lớp chống thấm 2 mm độ xuyên nước, sự ảnh hưởng của cát (mẫu M2 và vẫn đảm bảo khả năng chống thấm; M3) và tro trấu (mẫu M4 và M5) so với mẫu cơ bản - Vật liệu chống thấm trong nghiên cứu này có M1 không rõ ràng, chứng tỏ vai trò bám dính và thể được sản xuất thủ công, quy trình chế tạo và thi chống thấm chủ yếu do xi măng và polystyren đảm công đơn giản, sử dụng các loại vật liệu phổ thông nhiệm, cát và tro trấu chủ yếu đóng vai trò như chất như cát, xi măng, natri silicat và các phế thải trong độn. Tuy nhiên, sự khác nhau về thành phần dẫn công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt như đến giá thành sản phẩm khác nhau. Do vậy, khi áp polystyren và tro trấu, nên giá thành rẻ, góp phần dụng vật liệu chống thấm này cho các công trình, bảo vệ môi trường, có thể được phổ biến sử dụng tùy thuộc vào điều kiện thực tế và nguồn cung cấp rộng rãi. vật liệu để lựa chọn thành phần phù hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO 4. Kết luận [1] Nguyễn Quang Phú, Phạm Văn Chiến (2013), “Nghiên Nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu phổ thông cứu chế tạo sơn chống thấm thẩm thấu kết tinh gốc xi và các vật liệu là rác thải trong quá trình sản xuất măng trong phòng thí nghiệm và ứng dụng trong công công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt để chế tạo trình thủy lợi”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây vật liệu chống thấm. Một số kết luận được rút ra từ dựng, số 1, tr.24-28. kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu này như sau: [2] Ngọ Văn Toản (2013), “Nghiên cứu ảnh hưởng của tro - Tất cả các mẫu vật liệu chống thấm có cường trấu và phụ gia siêu dẻo tới tính chất của hồ, vữa và độ bám dính lớn hơn 0,5 MPa, thỏa mãn yêu cầu kỹ bê tông”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, số thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam và Châu Âu. Quá 3+4, 50-59. trình lão hóa nhiệt làm tăng cường độ bám dính, [3] BS EN 14891-2012, Liquid-applied water impermeable trong khi quá trình ngâm nước làm giảm cường độ products for use beneath ceramic tiling bonded with bám dính của vật liệu, tuy nhiên vẫn thỏa mãn các adhesives – Requirements, test methods, evaluation yêu cầu kỹ thuật; of conformity, classification and designation. [4] QCVN 16-2014/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về - Sau 7 ngày dưới áp lực cột nước thủy tĩnh cao sản phẩm, hàng hóa vật liệu xây dựng. 15 cm, không có hiện tượng thấm xảy ra với tất cả [5] TCVN 6557-2000 - Vật liệu chống thấm – Sơn bitum các mẫu thí nghiệm, thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật cao su. của Việt Nam và Châu Âu về khả năng chống thấm. Sau 10 ngày, một số mẫu thử với độ dày lớp chống Ngày nhận bài:10/5/2016. thấm 1 mm có hiện tượng bị nước xuyên qua, trong Ngày nhận bài sửa lần cuối: 9/9/2016. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 49