Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ ( Polystyrene concrete) có sử dụng chất thải nguy hại :Báo cáo đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Trường

IUH1819

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ

CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ

(Polystyrene concrete) có sử dụng

chất thải công nghiệp không nguy

hại

Mã số đề tài: 171.4041

Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Doãn Dung

Đơn vị thực hiện: Viện Khoa học Công nghệ

và Quản lý Môi trường

Tp. Hồ Chí Minh, 2019

i

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn:

Trường Đại học Công nghiệp đã chấp thuận cho phép tiến hành nghiên cứu với sự hỗ trợ về tài

chính theo mã số 171.4041

Các phòng ban liên quan đã hỗ trợ nhóm nghiên cứu về mặt thủ tục hành chính

Phòng Sau đại học và Tạp chí ĐHCN đã hỗ trợ thúc đẩy để các kết quả nghiên cứu này được

công bố nhanh nhất giúp đề tài có thể hoàn thành theo kế hoạch

Công ty xi măng FICO – Nhà Bè đã hỗ trợ chuyên gia và trang thiết bị cần thiết để thực hiện

nghiên cứu

Viện KHCN&QL Môi trường đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện đề tài

Các đồng nghiệp, bạn bè hỗ trợ với những đóng góp ý kiến về mặt chuyên môn

Thành viên nhóm nghiên cứu, và sinh viên đã cố gắng hết sức để hoàn thành nghiên cứu này

với kế quả tốt nhất

Gia đình đã hỗ trợ về mặt thời gian và tinh thần để có thể hoàn thành nghiên cứu này

ii

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ (Polystyrene concrete) có sử dụng chất thải công

nghiệp không nguy hại

2. Mã số: 171.4041

3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

01 Ths. Đỗ Doãn Dung Viện KHCN&QLMT Chủ nhiệm đề tài

02 TS. Vũ Bảo Khánh Vitec Sài Gòn Thư ký đề tài

03 TS. Vũ Văn Vân ĐH Nguyễn Tất Thành Viết báo cáo

04 TS. Giang Ngọc Hà ĐH Công nghiệp- Thực phẩm Xử lý số liệu.

05 Trần Thị Phúc Ngân ĐHCN TPHCM Thực hiện thí nghiệm, ghi lại

kết quả.

06 Lai Trung Quốc ĐHCN TPHCM Thực hiện thí nghiệm, ghi lại

kết quả.

4. Đơn vị chủ trì:

5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 12 năm 2017 đến tháng 03 năm 2018.

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 09 năm 2018

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 12 năm 2017 đến tháng 8 năm 2018

6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý

kiến của Cơ quan quản lý)

Ý kiến của cơ quan quản lý:……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….…………………………………

…………………………………….……………………………………………………………………

….……………………………………………………………………….……………………………

………………………………………….………………………………………………………………

……….……………………………………………………………………….………………………

……………………………………………….…………………………………………………………

…………….……………………………………………………………………….…………………

…………………………………………………….……………………………………………………

……………………………………………….…………………………………………………………

…………….……………………………………………………………………….…………………

7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 55 000 000 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Nhận thức được các tác động xấu đến môi trường do quá trình sản xuất gạch đất sét nung đem

lại, Chính phủ đã có quyết định số 567/QĐ-TTg về việc phát triển vật liệu không nung đến năm

2020 [29], bao gồm gạch xi măng – cốt liệu, gạch nhẹ và gạch khác. Trong các chủng loại sản phẩm,

gạch nhẹ từ bê tông nhẹ đã được khuyến khích đưa vào sử dụng ở nhiều nơi [24, 26, 27, 28, 29]. Ở

thị trường trong nước, gạch bê tông nhẹ phổ biến nhất hiện nay là gạch bê tông khí chưng áp (bê

iii

tông AAC). Gạch bê tông bọt, gạch tổ ong… cũng được sử dụng, nhưng với tổng sản lượng sản xuất

cao nhất trên khắp cả nước so với các loại gạch không nung khác vẫn thấp hơn gạch bê tông AAC

[20, 30, 33, 34, 35]. So với gạch nung truyền thống, điểm mạnh của gạch AAC là có khối lượng

riêng nhẹ nên dễ dàng cho vận chuyển và thi công. Tuy nhiên, gạch AAC đòi hỏi sử dụng vữa xây

chuyên biệt và yêu cầu nghiêm ngặt về quy trình thi công [20]. Trong khi đó, Gạch tổ ong, gạch bê

tông cốt liệu, các khối xây…có khối lượng riêng lớn nên tốn công trong quá trình vận chuyển và thi

công. Bên cạnh đó, Sau một thời gian triển khai Quyết định 567/QĐ-TTG, sản phẩm gạch không

nung nhìn chung sau khi đưa vào sử dụng có nhiều khiếm khuyết như: tường bị thấm, tường bị nứt,

hiện tượng tách lớp giữ lớp vữa xây và vật liệu xây [15, 16, 25, 37, 50]. Ngoài ra, cát vẫn là nguyên

liệu không thể thiếu để sản xuất các bê tông AAC, gạch cốt liệu … trong khi vấn đề khan hiếm cát

sử dụng trong xây dựng đang được quan tâm. Đó đang là những thách thức lớn cho mục tiêu thay

thế hoàn toàn gạch nung cho ngành xây dựng.

Hiện nay, Bê tông Polystyrene là loại bê tông nhẹ mới nhất và đang được sử dụng trong xây

dựng cơ bản ở các nước tiên tiến như Hoa Kỳ, Nga, Canada… [1, 13, 32] Loại bê tông này đặc

trưng với độ hút ẩm dưới 8% và khối lượng riêng tương đương bê tông AAC. Để thi công bằng gạch

bê tông Polystyrene, người thợ xây chỉ cần sử dụng vữa xây thông thường và cách thức xây tương tự

gạch nung truyền thống. Bên cạnh đó, ngoài việc sử dụng nguyên liệu chính là xi măng và các hạt

xốp EPS, bê tông polystyrene còn có thể sử dụng các chất thải công nghiệp không nguy hại thay thế

một phần nguyên liệu sản xuất [2, 4, 9, 22]. Về đặc tính sản phẩm, bê tông Polystyrene là giải pháp

để khắc phục các nhược điểm của các loại gạch bê tông nhẹ hiện có tại Việt Nam, và hỗ trợ thúc đẩy

công tác bảo vệ môi trường, và có thể mở ra hướng để thay đổi được hoàn toàn gạch nung.

Tại Việt Nam, cũng có những đề tài nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng hạt EPS để tạo

rỗng cho bê tông. Tiêu biểu là đề tài “Khảo sát tối ưu thành phần của bê tông nhẹ tạo rỗng bằng hạt

EPS để sản xuất panel tường và panel sàn dùng cho công trình nhà ở lắp ghép” [14]. Sản phẩm thu

được có khối lượng riêng từ 850 – 1300 kg/m3 vẫn còn cao hơn nhiều so với gạch AAC và gạch bê

tông bọt. Và sản phẩm của nghiên cứu này vẫn có sử dụng cát làm cốt liệu. Vì thế, cần nghiên cứu

thêm để tìm ra sản phẩm bê tông polystyrene (Polystyrene concrete - PC) tối ưu có khối lượng riêng

và cường độ tương tự gạch AAC với mục đích sử dụng là làm vật liệu xây không chịu lực.

Với mong muốn tự chủ về năng lượng và giảm tỷ trọng kinh tế dựa vào việc xuất khẩu nguyên

liệu thô như dầu mỏ, Việt Nam đã cấp phép đầu tư cho nhiều nhà máy lọc dầu trải dài trên lãnh thổ.

Tuy nhiên, cả nước mới chỉ có nhà máy lọc hoá dầu Bình Sơn đang hoạt động ổn định với công suất

trên 10.000.000 triệu thùng dầu/năm. Trong quá trình hoạt động một lượng chất thải rắn công

nghiệp đáng kể bị thải ra và yêu cầu phải có giải pháp xử lý và quản lý thích hợp. Trong số đó có

xúc tác FCC bị mất hoạt tính (hay còn gọi là xúc tác qua sử dụng- gọi tắt là “RFCC”) hàng năm

được thải ra nhiều nhất. Khi hoạt động ổn định, trung bình mỗi ngày nhà máy thải ra từ 15- 20 tấn

RFCC, thậm chí có ngày lên đến 25 tấn, tương đương với 6500- 8500 tấn RFCC cần phải được xử lý

hàng năm. Hàng năm, nhà máy phải tiêu tốn một phần lợi nhuận kinh doanh cho công tác xử lý

RFCC bằng biện pháp chôn lấp. Có thể thấy trước khi nhiều nhà máy lọc dầu đi vào hoạt động, ví

dụ như nhà máy lọc dầu Nghi Sơn dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong năm 2018 với công suất gấp 3

lần nhà máy lọc dầu Bình Sơn [6], lượng RFCC thải bỏ sẽ rất lớn, đòi hỏi chi phí cao để xử lý theo

quy định.

Hiện nay, việc tái sử dụng RFCC đã được triển khai thương mại hóa trên thế giới như sử dụng

RFCC như nguyên liệu sản xuất xi măng tại nhà máy Boral (Úc), Holcim (Mỹ) [3], và đây là ứng

dụng phổ biến nhất của RFCC. Tại Oman, RFCC thải ra tại nhà máy lọc dầu Sohar Refinery có kích

thước rất mịn được trộn sống làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng với tỉ lệ phối trộn 0,5-5%

khối lượng và phối trộn này dùng để sản xuất gạch đất sét nung; trong khi đó, RFCC từ nhà máy

iv

Mina Al-Fahal có kích thước hạt lớn hơn 2mm được thử nghiệm sử dụng như cốt liệu thô [9]. Tại

Việt Nam, cũng có những đề tài nghiên cứu liên quan đến đến việc tái sử dụng RFCC từ nhà máy

Bình Sơn nhằm giúp tiết kiệm phần kinh phí xử lý môi trường cũng như tận dụng lại nguồn nguyên

liệu. Đề tài Bộ Khoa học Công nghệ (mã số 11395/2015) [21] tập trung vào quy trình khôi phục

hoạt tính xúc tác RFCC thải sử dụng cho các quá trình cracking dầu nhờn thải, tuy nhiên chỉ dừng ở

quy mô nhỏ chưa phát triển thành công nghệ. Hay đề tài hợp tác giữa trường Đại học Huế và Công

ty CP Cơ-Điện-Môi trường Lilama phát triển quy trình sản xuất gạch không nung, tuy nhiên sản

phẩm không tiêu thụ được [4], [11]. Nhà máy cũng đã cấp kinh phí cho Viện Dầu khí nghiên cứu

khả năng sử dụng chất xúc tác RFCC đã qua giai đoạn nghiền (RFCC-N) làm phụ gia xi măng với tỉ

lệ phối trộn lên tới 15% xúc tác RFCC. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này RFCC phải trải qua

giai đoạn nghiền trước khi phối trộn và hầu như không có nghiên cứu nào xem xét khả năng sử dụng

RFCC không nghiền cho loại bê tông nhẹ PC.

2. Mục tiêu

Với vấn đề đặt ra ở mục một, mục tiêu tổng quan của nghiên cứu là tìm ra cấp phối tối ưu của bê

tông nhẹ PC có có sử dụng RFCC không nghiền đạt được 2 tiêu chí về cường độ chịu nén tối thiểu

(R) và khối lượng riêng (D) tương tự gạch ACC là R28 ngày ≥ 2,5 Mpa và D50 ≈ 459-549 kg/m3.

Để đạt được mục tiêu trên các nội dung nghiên cứu được cụ thể hóa như trong khung nghiên cứu

sau:

Hình 2.1. Khung nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông PC có sử dụng RFCC-KN đạt các tiêu chí

R28 ngày ≥ 2,5 Mpa và D50 ≈ 459-549 kg/m3

Đầu tiên, loại xi măng PCB50 được sử dụng như là cơ sở để xác định công thức phối trộn đạt yêu

cầu kĩ thuật, trong quá trình đúc mẫu này là xi măng PCB 50. Với hạt EPS có khả năng chịu lực kém

nên khả năng chịu lực của khối bê tông mẫu phụ thuộc vào khả năng chịu lực của lớp bê tông nền,

trong khi PCB50 là loại xi măng tạo ra được lớp bê tông nền có khả năng chịu lực tốt nhất. Bên cạnh

đó, PCB50 cũng là loại xi măng sử dụng nhiều cho các nhà máy sản xuất gạch bê tông hoặc các trạm

trộn bê tông mác cao. Từ kết quả so sánh các mẫu phối trộn chọn ra mẫu tốt nhất, và sử dụng cấp

phối này cho các loại xi măng PCB40, PCB30 để đánh giá sự ảnh hưởng của xi măng đến sản phẩm

và tìm được loại xi măng thay thế PCB50 có giá thành rẻ hơn. Với cấp phối tốt nhất và loại xi măng

thay thế phù hợp, các mẫu sẽ được đúc với tỷ lệ thay thế dần xi măng bằng RFCC để tìm ra công

thức tối ưu tạo ra bê tông nhẹ PC có sử dụng RFCC.

v

Trong nghiên cứu này có phần đánh giá khả năng sử dụng RFCC không nghiền làm chất phụ gia

trong xi măng. Đây là một phần thêm vào quan trọng, cần phải xác định được RFCC-KN có làm

thay đổi tính chất về cường độ chịu nén của vữa được tạo thành từ hỗn hợp đó, và vì bê-tông được

tạo thành hỗn hợp xi măng nên tính chất của hỗn hợp xi măng sẽ quyết định tính chất của bê-tông

tạo thành. Nếu lượng RFCC-KN thêm vào không làm thay đổi hay gia tăng cường độ chịu nén thì

mới có thể tiếp tục nghiên cứu đối với bê tông.

3. Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành các nội dung nghiên cứu trên các phương pháp nghiên cứu sau đã được tiến hành.

3.1 Đúc mẫu xi măng

a. Phối trộn các loại xi măng với RFCC-KN

Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Châm [12], khả năng chịu nén có xu hướng tăng khi tăng hàm

lượng RFCC đã nghiền nhưng chỉ mới dừng ở lệ 15%, vì thế các thí nghiệm đối với loại xi măng

OPC với tỷ lệ thay thế xi măng bằng RFCC-KN được thực hiện ở các tỷ lệ 0%, 10%, 15%, 20%,

25%, và 30% (theo khối lượng).

Theo tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 dành cho xi măng Portland hỗn hợp, tổng lượng phụ gia khoáng

(không kể thạch cao) không được lớn hơn 40%, vì thế tuỳ theo loại xi măng PCB thì tỷ lệ phối trộn

RFCC-KN trong thực nghiệm thay đổi cụ thể như sau:

PCB30: tỷ lệ thay thế RFCC-KN được thực hiện ở các tỉ lệ 0%, 10%, 15%, và 20%.

PCB40: tỷ lệ thay thế RFCC-KN được thực hiện ở các tỉ lệ 0%, 15%, 20%, và 25%.

PCB50: tỷ lệ thay thế RFCC-KN được thực hiện ở các tỉ lệ 0%, 15%, 20%, 30%, và 40%

(Tỷ lệ phối trộn đối với các loại PCB khác nhau như trên được chọn theo sự tư vấn của phòng Quản

lý Chất lượng của nhà máy xi măng Fico-Nhà Bè để tiết kiệm thời gian và chi phí làm thực nghiệm)

b. Đúc mẫu vữa xi măng đã phối trộn

Ban đầu, mẫu được đúc sơ bộ theo phương pháp TCVN 6016-2011 (Hình 3.2) với tỷ lệ phối trộn với

RFCC-KN là 20% và 30%. Kết quả ban đầu cho thấy mẫu sau khi đúc xong khô nhanh, lý do là

RFCC là vật liệu rất háu nước. Do đó, hỗn hợp vữa thu được khô và khó đổ khuôn. Mẫu sau khi

tháo khuôn không được bằng phẳng và gây sai số lớn cho kết quả kiểm tra cường độ nén. Để đảm

bảo độ chính xác cao hơn, phương pháp test mẫu theo ASTMC109/C109M-16A được lựa chọn thay

thế cho phương TCVN6016-2011 và đây cũng là phương pháp đúc mẫu đã được sử dụng trong

nghiên cứu trước. Với phương pháp đúc mẫu theo ATSM, độ chảy của các mẫu đều đồng nhất. Mẫu

dễ đổ khuôn và bề mặt láng hơn so với mẫu đúc sơ bộ (Hình 3.3a). Độ chảy được duy trì suốt quá

trình thực nghiệm là 160mm như hình 3.3b.

3.2 Tạo và đúc mẫu bê tông nhẹ

Vì chưa có tiêu chuẩn Việt Nam cụ thể dành riêng cho việc thiết kế cấp phối chế tạo Bê tông nhẹ

bằng các cốt liệu nhẹ như EPS, nghiên cứu này tạm sử dụng TCVN 9382:2012 về Chỉ Dẫn Kỹ

Thuật Chọn Thành Phần Bê Tông Sử Dụng Cát Nghiền, và TCVN 10306:2014 về Bê Tông Cường

Độ Cao - Thiết Kế Thành Phần Mẫu Hình Trụ để thiết kế cấp phối bê tông nhẹ D500 và cường độ

chịu nén yêu cầu 2.5MPa cho mục đích thử nghiệm. Bên cạnh đó, đề tài cũng tham khảo tiêu chuẩn

của các quốc gia có tiêu chuẩn riêng dành cho loại bê tông polystyrene để thiết kế cấp phối. Tiêu

chuẩn được chọn là IS 10262-2009 và IS 456-2000 của Ấn Độ và Tiêu chuẩn GOST R 51263-2012

của Nga nhằm so sánh với cấp phối thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và từ đó chọn ra cấp phối tốt

nhất.

Hỗn hợp bê tông được lấy mẫu, chuẩn bị đúc mẫu và bảo dưỡng dựa theo TCVN 3105:1993. Các

mẫu trong nghiên cứu để xác định cường độ nén là mẫu lập phương có kích thước là 15x15x15cm.

Các mẫu được bảo dưỡng 1 ngày trong khuôn thép ở điều kiện không khí của phòng thí nghiệm, sau

đó mẫu được tháo khuôn và ngâm bảo dưỡng trong nước đến các thời điểm thí nghiệm ở 7, 28 ngày.