Nghiên cứu sử dụng cát biển làm vật liệu sản xuất gạch nhẹ không nung và tấm xốp cách nhiệt cách âm

Để nghiên cứu khả năng sử dụng cát biển làm vật liệu xây dựng, nhóm tác giả đã tiến hành xác định thành phần tỷ lệ các loại vật liệu như cát biển, nước biển, xi măng, phụ gia thích hợp đ

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

MỤC LỤC

TÓM TẮT 2

MỞ ĐẦU 3

ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1 Lý do chọn đề tài 3

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng (nếu có) 4

PHẦN 1: Tổng quan tài liệu 4

PHẦN 2: Vật liệu - Phương pháp 5

2 Phương pháp nghiên cứu 5

2.1 Vật liệu sử dụng 6

2.1.1 Cát biển 6

2.1.2 Nước 6

2.1.3 Xi măng 6

2.1.4 Phụ gia khử mặn 7

2.1.5 Phụ gia Eabasoc để tạo bọt 8

2.2 Thiết bị sử dụng 9

2.3 Chế tạo mẫu và bảo dưỡng mẫu 10

PHẦN 3: Kết quả - Thảo luận 12

3.Phân tích đánh giá kết quả 12

3.1 Xác định cường độ mẫu 13

3.2 Sản phẩm chế tạo 21

PHẦN 4: Kết luận - Đề nghị 23

4.1 Kết luận 23

4.2 Kiến nghị 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

TÓM TẮT

Hiện nay, nguồn cát nước ngọt và đất sét đang bị khai thác quá mức để làm vật liệu xây dựng gây ảnh hưởng nặng nề đến môi trường Trong khi đó, nguồn cát biển tại Việt Nam có trữ lượng rất lớn Tuy nhiên, cát biển bị nhiễm mặn, thành phần cấp phối xấu (hạt mịn là chủ yếu) nên việc sử dụng chúng làm vật liệu xây dựng còn nhiều hạn chế

Để nghiên cứu khả năng sử dụng cát biển làm vật liệu xây dựng, nhóm tác giả đã tiến hành xác định thành phần tỷ lệ các loại vật liệu như cát biển, nước biển, xi măng, phụ gia thích hợp để sản xuất gạch nhẹ không nung và làm tấm xốp cách nhiệt, cách

âm

Từ khóa: cát biển, gạch nhẹ không nung, phụ gia ACM – CSSB, tấm xốp cách nhiệt

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Theo Thông tư số 13/2017/TT-BXD mà Bộ Xây dựng ban hành, 100% công trình xây dựng sử dụng vốn ngân sách Nhà nước tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh sẽ phải sử dụng vật liệu xây không nung kể từ 1/2/2018 Theo đó, Thông tư 13/2017/TT-BXD quy định việc sử dụng vật liệu xây không nung trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp để làm tường, vách ngăn và khối xây [1]

Để sản xuất gạch nhẹ không nung, nguồn vật liệu cát xây dựng được khai thác

từ các sông suối không đủ cung cấp cho xây dựng và gây tác động xấu đến môi trường Chính vì vậy việc nghiên cứu cát biển để thay thế nguồn cát sông trong sản xuất gạch nhẹ không nung cũng như các tấm xốp cách âm, cách nhiệt có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Chế tạo gạch nhẹ không nung, các tấm cách âm cách nhiệt từ nguồn vật liệu phi tiêu chuẩn như cát biển, nước biển Khẳng định khả năng thay thế nguồn cát nước ngọt bằng cát biển trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng nhằm giảm thiếu tác hại đến môi trường

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Xác định được cấp phối phù hợp để tạo ra gạch nhẹ không nung, các tấm cách

âm cách nhiệt từ nguồn vật liệu phi tiêu chuẩn như cát biển, nước biển

- Hoạt động nghiên cứu: tập trung nghiên cứu khả nặng chịu lực, cách âm, cách nhiệt của gạch… Đồng thời kết hợp so sánh với gạch không nung truyền thống để rút ra nhận xét khách quan nhất

- Thời gian nghiên cứu: 26/3/2018 – 24/5/2018

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN, QUY MÔ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG:

Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Thay thế dần nguồn cát nước ngọt bằng cát biển trong lĩnh vực xây dựng Sản xuất gạch nhẹ không nung để thay thế gạch nung truyền thống nhằm giảm thiểu tác hại đến môi trường

- Có khả năng ứng dụng trong thực tế xây dựng tại các địa phương vùng ven biển khi nguồn cát nước ngọt khan hiếm, áp dụng cho các loại vật liệu phi tiêu chuẩn như cát nhiễm mặn, cát hạt mịn lẫn nhiều bụi bùn sét

- Gạch bọt bê tông nhẹ có giá thành rẻ hơn và trọng lượng thấp hơn so với vật liệu truyền thống nên có thể áp dụng trong công tác xây dựng cho các vùng dân cư tại ven biển Nam Bộ có cấu trúc nền đất yếu

- Có thể áp dụng xây dựng các công trình tại các vùng hải đảo khi nguồn nước ngọt khan hiếm

Phần 1: Tổng quan tài liệu

Trong môi trường nước, muối NaCl phân ly thành Na+ và Cl- Các khoáng vật trong xi măng như Fe2O3, MgO, Al2O3 cũng bị phân ly trong quá trình thuỷ hoá xi măng nên các thành phần Fe3+, Al3+ và Mg2+ hút các ion Cl- tạo nên các phức tan sắt Clorua, phức tan Nhôm Clorua và Magie Clorua tác dụng với nước thành các Hydroxid Fe(OH)3, Al(OH)3, Mg(OH)2 không bền, xốp và trương nở nhiều lần nên khi vữa khô sẽ bị nứt, còn Na+ kết hợp với nước tạo thành NaOH cản trở sự đông kết

Cát ven biển thường bị nhiễm muối, thành phần cấp phối xấu (chủ yếu là hạt mịn) Nước biển có chứa muối NaCl với hàm lượng từ 2,5-3,5% Để khắc phục những nguyên nhân gây phá hoại vữa xi măng – cát khi dùng cát biển và nước biển trong chế tạo vật liệu, việc sử dụng phụ gia CSSB là rất cần thiết Cơ chế tác dung của chất phụ gia CSSB trong quá trình thuỷ hoá ximăng được giải thích như sau:

Nước muối NaCl trong cát và nước biển bị phân ly thành Na+ , Cl- Na+ trong môi trường kiềm (OH) của vữa ximăng kết hợp với acid hữu cơ thành muối gốc hữu

cơ Ion Cl- được phóng thích, trong điều kiện xúc tác thích hợp sẽ taọ thành Chloride acid hữu cơ Muối hữu cơ (carboxylate) lại kết hợp với Chloride acid hữu cơ (Chloride cabrboxylic) thành phần hữu cơ lớn hơn và đẩy NaCl ra dưới dạng muối rắn không phân ly Cụ thể là trong thành phần phụ gia có các muối gốc acid hữu cơ

và acid béo, các muối này tác dụng với các chất xúc tác có trong phụ gia là H2SO4,

H3PO4 để taọ các muối trung tính [2]

Như vậy nguyên lý cuả quá trình là sự hấp thụ muối điện ly của nước biển để taọ thành một chất muối hữu cơ trung gian và một acid chloride hữu cơ trung gian, hai chất trung gian này kết hợp thành một phân tử mới và đẩy muối NaCl ra ngoài dưới dạng kết tinh Giai đoạn cuối cùng này chỉ xảy ra khi sự ninh kết phát triển nhanh do quá trình đông cứng của vữa bêtông

Các kết quả nghiên cứu cho thấy dưới tác động của phụ gia khử các cation chính trong cát và đất như Na+, Ca2+, Mg2+, Fe3+ và sự điện hoá mạnh mẽ cố định các Anion Cl-, SO42- thành các hợp chất trơ Đồng thời tác động trao đổi ion và làm kết tủa các chất còn trong cát và nước biển

Phần 2: Vật liệu - Phương pháp

2 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu

2.1 Vật liệu sử dụng

2.1.1 Cát biển

Lấy tại các đồi cát Vũng Tàu Mẫu cát có hàm lượng muối 0.25% theo trọng lượng Khối lượng thể tích xốp là 1.35 T/m3

Bảng 1 Cấp phối cát biển Vũng Tàu

Kích thước sàng 5.0 2.5 1.25 0.63 0.315 0.16 Mô đun M Lượng sót trên sàng (%) 0 0 0 1.5 14.5 81.0 1.14

Bảng 2 Chỉ tiêu kỹ thuật của XM Sài Gòn

Các chỉ tiêu Xi măng Porland hỗn hợp PCB40

Thời gian bắt đầu đông kết (phút) 210

Thời gian kết thúc đông kết (phút) 315

2.1.4 Phụ gia khử mặn

Sử dụng phụ gia ACM-CSSB để khử mặn (hình 2) Đây là loại phụ gia dạng nước màu trắng sữa, nhớt và có mùi hắc [2] Thành phần là Polymer- LABS axit và các muối vô cơ Phụ gia này có khả năng chuyển đổi các vật liệu phi tiêu chuẩn tại địa phương như nước biển, nước phèn, nước lợ, nước phù sa hay cát biển, cát lẫn phù sa

đều sử dụng được trong sản xuất vữa xây và bê tông gốc xi măng

Hình 2: Phụ gia ACM-CSSB

Công dụng: Phụ gia ACM-CSSB được dùng khi trộn vữa xi măng và bê tông khi dùng các nguyên liệu: Cát nhiễm mặn, cát biển, nước phèn, nước nhiễm mặn, nước biển

Tùy thuộc mục đích sử dụng, nguyên liệu sử dụng được nhà sản xuất khuyến cáo như sau:

- Cát biển và nước biển có hàm lượng muối 28-32%: 0.4-0.5 lít/m3

- Cát biển lẫn bùn hạt mịn – thô và nước biển: 0.35-0.45 lít/m3

- Cát biển hạt mịn – thô và nước ngọt lẫn bùn phù sa có pH 4-6: 0.3-0.4 lít/m3

- Cát san lấp lẫn phù sa và nước ngọt có pH 5-6: 0.3 – 0.35 lít/m3

2.1.5 Phụ gia Eabasoc để tạo bọt

- Hỗn hợp hóa chất tổng hợp, màu vàng nhạt, không mùi

- Tỷ trọng: 1.02 Tan trong nước

- Có khả năng tự phân hủy, không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường

- Tỷ lệ sử dụng: Pha loãng trong nước ở tỷ lệ 2-3% theo khối lượng

2.2 Thiết bị sử dụng

Sử dụng máy tạo bọt do nhà máy cơ khí Thủ Đức chế tạo để sản xuất bọt dùng cho

bê tông (hình 3) Máy nén khí: Sử dụng máy nén khí tại phòng Thí nghiệm Vật liệu xây dựng của Khoa XD, trường đại học Hutech

Hình 3: Máy tạo bọt tại phòng thí nghiệm

Hình 4: Máy trộn bê tông

2.3 Chế tạo mẫu và bảo dưỡng mẫu

Các mẫu thử được chế tạo thành các tổ hợp mẫu (1tổ hợp gồm 3 mẫu kích thước 15x15x15cm và 4x4x16cm) Mỗi tổ hợp có tỷ lệ xi măng/ cát (X/C) khác nhau

để tìm ra được cấp phối hợp lý khi sử dụng sản xuất gạch bê tông bọt nhẹ.[3]

Bảng 3 Cấp phối chế tạo mẫu

TT Vật liệu để chế tạo 1 m3 bê tông

Tỷ lệ X/C

C

(kg)

X (kg)

Nước (lít)

Bọt (lít) Phụ gia khử mặn (lít)

Sau khi bảo dưỡng mẫu trong khuôn ở nhiệt độ 270 C và độ ẩm 90%, mẫu được tháo

ra khỏi khuôn và ngâm vào bể nước để bảo dưỡng theo đúng tiêu chuẩn (hình 5)

Hình 5: Bảo dưỡng mẫu

Các mẫu sau khi bảo dưỡng đủ 28 ngày sẽ được đem đi nén để kiểm tra cường độ kháng uốn, kháng nén nhằm xác định cấp phối phù hợp sử dụng làm gạch bọt nhẹ và tấm cách âm cách nhiệt theo tiêu chuẩn Việt Nam

Hình 6: Mẫu sau khi bảo dưỡng

Trên cơ sở kết quả xác định cường độ kháng nén, kháng uốn của các mẫu, nhóm nghiên cứu sẽ đưa ra cấp phối và quy trình chế tạo gạch nhẹ không nung và tấm xốp cách âm, cách nhiệt

Đồng thời so sánh giá thành của loại gạch này với gạch nung truyền thống để đánh giá hiệu quả kinh tế- kỹ thuật của sản phẩm

Phần 3: Kết quả - Thảo luận

3.1 Xác định cường độ mẫu

Sau khi bảo dưỡng mẫu đủ 28 ngày tuổi, các mẫu được tiến hành nén uốn bằng hệ thống máy nén uốn bê tông và xi măng tự động có độ chính xác cao của hãng Matest (Italia) tại phòng thí nghiệm VLXD của khoa XD, trường ĐH Công nghệ TP HCM

Bảng 4 Kết quả xác định cường độ mẫu

TT Khối lượng thể tích khô (T/m3) Rn (Mpa) Ru (Mpa) Tỷ lệ X/C

Rn: CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN Ru: CƯỜNG ĐỘ CHỊU UỐN

0 2,5 5 7,5 10 12,5

Khối lượng thể tích khô (T/m3)

Kết quả xác định cường độ mẫu M6

- M9

Rn Ru

0 2,5 5 7,5 10 12,5

DEFORMATION (mm): ĐỘ BIẾN DẠNG STRENGHT: SỨC CHỊU TẢI (KN/mm2)

MAXIMUM LOAD (KN): ỨNG SUẤT LỚN NHẤT SECTION: DIỆN

TÍCH CHỊU TẢI (mm2)

TIMES (s): THỜI GIAN LOAD: TẢI TRỌNG ỨNG SUẤT (KN)

16

DEFORMATION (mm): ĐỘ BIẾN DẠNG STRENGHT: SỨC CHỊU TẢI (KN/mm2)

MAXIMUM LOAD (KN): ỨNG SUẤT LỚN NHẤT SECTION: DIỆN

TÍCH CHỊU TẢI (mm2)

TIMES (s): THỜI GIAN LOAD: TẢI TRỌNG ỨNG SUẤT (KN)

DEFORMATION (mm): ĐỘ BIẾN DẠNG STRENGHT: SỨC CHỊU TẢI (KN/mm2)

MAXIMUM LOAD (KN): ỨNG SUẤT LỚN NHẤT SECTION: DIỆN

TÍCH CHỊU TẢI (mm2)

TIMES (s): THỜI GIAN LOAD: TẢI TRỌNG ỨNG SUẤT (KN)

DEFORMATION (mm): ĐỘ BIẾN DẠNG STRENGHT: SỨC CHỊU TẢI (KN/mm2)

MAXIMUM LOAD (KN): ỨNG SUẤT LỚN NHẤT SECTION: DIỆN

TÍCH CHỊU TẢI (mm2)

TIMES (s): THỜI GIAN LOAD: TẢI TRỌNG ỨNG SUẤT (KN)

Hình 7: Kết quả thí nghiệm xác định kết quả cường độ mẫu

Nhận xét: Căn cứ vào kết quả thí nghiệm nêu trên có thể thấy rằng:

Khi tỷ lệ X/C tăng lên thì khối lượng thể tích và cường độ kháng nén của mẫu tăng lên Khi trong mẫu chỉ sử dụng xi măng và phụ gia tạo bọt (không sử dụng cát) thì cường độ của mẫu giảm đi so với mẫu có tỷ lệ X/C=1/1

Với cấp phối của mẫu M8 có thể sử dụng để làm vật liệu cách âm, cách nhiệt như gạch không nung, tấm vách cách âm, cách nhiệt Giá thành của 1 viên gạch bê tông bọt rẻ hơn 1 viên gạch nung 1,3 lần

Khối lượng gạch bê tông bọt nhẹ hơn 1,5 – 1.7 lần so với gạch nung truyền thống (khối lượng thể tích 1.6-1.9 T/m3) Tiến độ thi công gạch bê tông bọt nhanh hơn so với gạch xây truyền thống do có kích thước lớn hơn và nhẹ hơn

Bảng 5: Giá tiền 1 m3 bê tông

Giá tiền 1 m3 bê tông từ cát biển

Bảng 6: So sánh giá tiền

Thể tích 1

viên gạch

Số gạch 1m3 làm được

Giá 1 viên gạch bê tông cát biển

Giá 1 viên gạch truyền thống

Giá 1 viên gạch không nung

Tuynel

8x8x18=

1152(cm3)

868 (viên)

900vnd 1200VND

(Gạch Thái Châu)

1100VND (Gạch không nung

Tuynel)

lớn hơn 1,3 lần

lớn hơn 1.2 lần

3.2 Sản phẩm chế tạo

Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thử nghiệm gạch bọt nhẹ không nung và một số tấm cách âm cách nhiệt

Hình 9: Sản phẩm thành mẫu

Hình 10: Sản phẩm thành mẫu dạng tấm

Phần 4: Kết luận - Đề nghị

Qua kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả rút ra các kết luận sau:

4.1 Kết luận

Có thể sử dụng cát biển, nước biển để chế tạo vật liệu xây dựng tại các khu

vực hải đảo, vùng ven biển nếu pha trộn hàm lượng phụ gia ACM-CSSB thích hợp

Có thể khai thác cát biển và sử dụng nước biển để sản xuất gạch nhẹ không nung; các kết cấu cách âm, cách nhiệt trong các công trình xây dựng Nguồn cát biển

có trữ lượng phong phú, là loại vật liệu có triển vọng để thay thế cát sông trong tương

lai

4.2 Kiến nghị

Với nguồn kinh phí và thời gian có hạn nên đề tài chưa nghiên cứu và xác định được độ bền của bê tông bọt theo thời gian Chưa xác định được ảnh hưởng của

hàm lượng bọt đến cường độ của bê tông bọt

Trong thời gian tới nên tiến hành thay thế một phần xi măng bằng tro bay (fly

ash) để giảm giá thành và tăng cường độ cho vật liệu bọt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1450:2009 về gạch rỗng đất sét nung

[2] Nguyễn Hồng Bỉnh - Sử dụng phụ gia CSSB để cải tạo sét/muối trong đất, đá, cát mặn, nước mặn dùng làm cốt liệu cho vữa và bê tông xi măng

[3] Nguyễn Văn Phiêu, TS Nguyễn Viết Chánh – Công nghệ bê tông nhẹ NXB Xây dựng – 2005

[4] Nguyễn Bá Đô – Sổ tay dùng vữa NXB Khoa học và Kỹ thuật - 2009