1. Đặt vấn đề

Xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) đang là thách thức lớn đối với nhiều quốc gia mà đặc biệt là CTRSH ở các đô thị. Theo kết quả báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia chuyên đề "Quản lý chất thải rắn sinh hoạt" của Bộ Tài nguyên và Môi trường [1], năm 2010 khối lượng CTRSH ở nước ta là 44.400 tấn/ngày và con số này ở năm 2019 là 64.658 tấn/ngày, tăng 44%. Trong thành phần CTRSH thì kính thải chiếm từ 0.5% - 2.0% về khối lượng. Hầu hết CTRSH này không được tái chế mà chỉ xử lý theo phương pháp chôn lấp, đốt hoặc theo các dòng chảy tự nhiên ra biển gây ảnh hưởng đến môi trường. Mặt khác, nguồn cát tự nhiên phục vụ cho xây dựng ngày càng khan hiếm, quá trình khai thác cát sông không những làm cạn kiệt tài nguyên mà còn chứa đựng nhiều nguy cơ và hệ lụy đến môi trường sống. Vì vậy, sử dụng kính thải - một thành phần đáng kể trong CTRSH làm cốt liệu tái chế thay thế cho cát tự nhiên trong sản xuất bê tông có ý nghĩa trong bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, góp phần tích cực bảo vệ môi trường và phù hợp với tiêu chuẩn định hướng phát triển bền vững của ngành Xây dựng trong giai đoạn hiện nay [2].

Bê tông sử dụng kính thải phối hợp với cát tự nhiên làm cốt liệu nhỏ có những tính chất khác biệt so với bê tông thông thường. Về tính công tác, ảnh hưởng của kính thải đối với độ sụt bê tông có sự khác nhau ở các nghiên cứu trước đây. Theo Bashar Taha và Ghassan Nounu [3] tính công tác của bê tông giảm 20.83% và 33.33% khi thay thế cát bằng kính thải có kích cỡ hạt nhỏ hơn 5mm tương ứng với tỉ lệ 50% và 100%. Kết quả cũng tương tự được tìm thấy trong nghiên cứu của Chen và cộng sự [4], độ sụt của bê tông giảm theo tỉ lệ thay thế cát bằng kính thải 10%, 20%, 30%, 40%, 50% khi kích cỡ hạt của kính thải nằm trong khoảng (0.3 - 0.038mm) và có 40% hàm lượng <0.15mm. Tuy nhiên, ở một số nghiên cứu khác, độ sụt của bê tông có sử dụng kính thải có thể được tăng lên. Esraa Emam Ali và Sherif H. Al-Tersawy [5] đã thay thế cát bằng kính thải có kích cỡ (5 - 0.075mm) với các tỉ lệ 10%, 20%, 30%, 40%, 50% để có hỗn hợp bê tông có độ sụt tăng lên lần lượt 1.52%, 4.54%, 7.58%, 10.61%, 12.12%. Cũng với tỉ lệ thay thế này, khi kích cỡ hạt của kính thải từ (2.36 - 0.3mm), Sharifi và cộng sự [6] cũng đã thu được kết quả tương tự. Về đặc tính cường độ của bê tông đông cứng, nhiều nghiên cứu cho rằng khi tỉ lệ thay thế cát tự nhiên bằng kính thải không quá 30%, cường độ nén của bê tông tăng lên còn khi tỉ lệ này lớn hơn thì cường độ bị giảm xuống. Malik và cộng sự [7] đã thay thế một phần cát tự nhiên bằng kính thải có kích cỡ hạt (1.18 - 0mm) ở các mức 10%, 20%, 30%, 40% theo khối lượng. Kết quả là cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi của bê tông tăng lên 20%, 25%, 9.8% khi tỉ lệ thay thế lần lượt là 10%, 20%, 30% và ở mức 40% giảm 8.5%. Cũng với kích cỡ hạt kính vỡ (1.18 - 0mm), khi tỉ lệ thay thế cho cát tự nhiên 10%, 20%, 30% thì cường độ chịu nén của bê tông tăng lần lượt là 47.66%, 68.94% và 31.49% theo kết quả của Turgut và Yahlizade [8] . Mặt khác, bê tông sử dụng kính thải thay thế cho cát tự nhiên phát triển cường độ muộn hơn so với bê tông thông thường. Chen và cộng sự [4] đã thấy được sự gia tăng đáng kể cường độ chịu nén của bê tông khi thay thế cát bằng kính thải với các tỉ lệ 10%, 20%, 30%, 40% ở tuổi muộn. Ở mức thay thế 40%, cường độ tăng thêm 17%, 27%, 43% so với mẫu đối chứng ở 28, 91 và 365 ngày.

Đối với vật liệu bê tông, ngoài đặc tính cường độ thì độ bền trong các môi trường làm việc cũng rất quan trọng, đặc biệt trong môi trường sulfate. Đối với bê tông sử dụng kính thải, độ bền của bê tông được Her-Yung Wang và Wen-Liang Huang [9] thể hiện đối với bê tông tự đầm, tác giả thay thế cát bằng thủy tinh thải với hàm lượng 10%, 20% và 30% và đánh giá độ bền trong Na₂SO₄. Kết quả ở mức thay thế 30%, độ hao hụt khối lượng mẫu 2.25%, trong khi mẫu đối chứng hơn 3.5%. Ở một nghiên cứu khác của Vinod Tanwar và cộng sự [10] cũng thu được kết quả tương tự với dung dịch MgSO₄ khi thay thế cát bằng kính thải ở các mức 5%, 10%, 15%, 20%.

Trong nghiên cứu này, kính thải được thu thập từ các công trình xây dựng khi tháo dỡ, sau đó được vệ sinh, xử lý để đạt kích cỡ hạt phù hợp cho bê tông và thay thế cho cốt liệu mịn tự nhiên để chế tạo các mẫu thử nghiệm ở các tỉ lệ 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 30%. Lượng nước sử dụng ở 3 mức khác nhau với tỉ lệ W/B (nước và xi măng) lần lượt bằng 0.5, 0.6 và 0.7. Các hỗn hợp bê tông ướt được đánh giá tính công tác thông qua độ sụt của bê tông tươi, đánh giá cường độ chịu nén khi đông cứng với mẫu lăng trụ 100x200mm (đường kính x chiều cao) ở 3, 7, 14 và 28 ngày tuổi và modun đàn hồi khi nén tĩnh của các hỗn hợp ở 28 ngày. Độ bền của bê tông được xác định khi ngâm các tổ hợp mẫu trong dung dịch Na₂SO₄ nồng độ 1M với 8 chu kỳ, mỗi chu kỳ 14 ngày để xác định khối lượng hao hụt của các mẫu trong môi trường Sulfate.

Quá trình chuẩn bị, chế tạo các hỗn hợp bê tông và các thí nghiệm được thực hiện ở phòng thí nghiệm công trình của Trường Đại học Tôn Đức Thắng. Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ ảnh hưởng của kính thải đến tính công tác, cường độ và tính bền của bê tông tái chế khi sử dụng loại cốt liệu này.

2. Vật liệu và chương trình thí nghiệm

2.1. Vật liệu

a. Xi măng (OPC): là loại xi măng PC40 loại I có cường độ 46N/mm² , khối lượng riêng γ_OPC = 3.10 g/cm³

b. Kính thải (WG): được thu thập từ các bộ phận của công trình xây dựng, rửa sạch, sấy khô. Sau đó được nghiền nát, sàng phân loại để đạt kích cỡ hạt tương đương với cốt liệu mịn. Kính thải có khối lượng riêng γ_WG = 2.58 g/cm³ , mođun độ lớn M_WG = 2.67
 

 

 

 

 

 

c. Cốt liệu mịn (SA): là cát sông, mô đun độ lớn M_SA = 2.71, khối lượng riêng γ_SA = 2.65 g/cm³
 

 

d. Cốt liệu lớn (NA): đá tự nhiên 1x2cm, kích thước hạt lớn nhất D_max = 19mm.
 

 

Kính cỡ hạt và phân bố thành phần hạt của WG, SA, NA đạt yêu cầu của ASTMC33/C33M-18 [11]

e. Nước (W): nước sinh hoạt.

2.2. Thành phần hỗn hợp bê tông: hỗn hợp bê tông được thiết kế thành phần theo phương pháp ACI 211.1 [12] dựa trên cường độ chịu nén mong muốn ở 28 ngày tuổi bằng 25MPa, độ sụt 10cm tương ứng với tỉ lệ khối lượng nước và xi măng (W/B) bằng 0.5 để tính toán khối lượng vật liệu thành phần trong 1m³ của mẫu bê tông đối chứng (A0). Sau đó, thay thế cốt liệu mịn bằng kính thải theo các tỉ lệ 10%, 20%, 30% về khối lượng để tạo ra các mẫu A1, A2, A3. Điều chỉnh tỉ số W/B = 0.6, W/B = 0.7 và thay thế cốt liệu mịn bằng kính thải theo các tỉ lệ trên để được các mẫu B0, B1, B2, B3 và C0, C1, C2, C3 tương ứng.
 

 

 

2.3. Thí nghiệm tính linh động: hỗn hợp bê tông tươi được thiết kế với độ sụt dự kiến thông qua thí nghiệm côn hình nón có chiều cao 30cm, đường kính đáy 20cm, đường kính đỉnh 10cm, độ sụt phản ánh tính công tác của bê tông tươi và được xác định theo ASTM C143/C143M-12[13]

2.4. Thí nghiệm cường độ chịu nén

Tương ứng với mỗi hỗn hợp bê tông chế tạo các mẫu thử lăng trụ đường kính 100mm chiều cao 200mm, thí nghiệm nén trực tiếp ở các ngày tuổi 3, 7, 14 và 28. Mỗi ngày tuổi nén 6 mẫu và lấy giá trị trung bình cộng. Quá trình thí nghiệm theo TCVN 3118:93[14] và cường độ chịu nén được xác định theo công thức:

Trong đó :

R: cường độ chịu nén (MPa)
P: Lực nén lúc mẫu bị phá hoại (N)
F: Diện tích chịu nén (mm²)
α: Hệ số tính đổi kích thước mẫu lăng trụ 100x200mm về mẫu lập phương 150x150x150mm. Ở đây lấy bằng α =1.16

2.5. Thí nghiệm Modun đàn hồi khi nén tĩnh

Thí nghiệm xác định mođun đàn hồi khi nén tĩnh (E0) được thực hiện trên máy nén đa năng UTest đối với 12 hỗn hợp bê tông ở 28 ngày tuổi, mỗi tổ gồm 3 mẫu lăng trụ 100x200mm và tính giá trị trung bình. Modun đàn hồi tĩnh được xác định theo phương pháp của TCVN 5726-1993 [15] như sau :

Trong đó:

б₁: Ứng suất thử, lấy ở khoảng 1/3 cường độ mẫu theo thí nghiệm cường độ chịu nén.
Б₀: Ứng suất ban đầu.
Ɛ₁- Ɛ₀ : Chênh lệch biến dạng tương đối của bê tông ở mức ứng suất thử và ứng suất ban đầu.
 

 

2.6. Thí nghiệm độ bền trong môi trường Sulfate

Sử dụng dung dịch Na₂SO₄ nồng độ 1M để ngâm 12 hỗn hợp bê tông với 8 chu kỳ, mỗi chu kỳ 14 ngày. Sau khi ngâm, các mẫu được vớt, để khô tự nhiên với nhiệt độ phòng, sấy ở 105^oC đến khối lượng không đổi, cân để xác định khối lượng sau mỗi chu kỳ. Hao hụt khối lượng mẫu thông qua chêch lệch khối lượng sau mối chu kỳ để đánh giá tính bền của các hỗn hợp bê tông trong môi trường Sulfate.
(Còn nữa)
 

VLXD.org (TH/ Tạp chí KHCNXD)