Tài liệu Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông sử dụng bột thủy tinh thải y tế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------------- LÊ XUÂN DŨNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG BỘT THỦY TINH THẢI Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----------------------------- LÊ XUÂN DŨNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG BỘT THỦY TINH THẢI Y TẾ Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình dân dụng và công nghiệp Mã ngành : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Lê Xuân Dũng MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................4 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................4 5. Bố cục nội dung đề tài ........................................................................................4 CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ THỰC TRẠNG THỦY TINH THẢI Y TẾ ................................................................................................................................ 5 1.1. THỰC TRẠNG, PHÂN LOẠI THỦY TINH THẢI Y TẾ ......................................5 1.1.1. Khái niệm và phân loại thủy tinh thải y tế ....................................................5 1.1.2. Thực trạng rác thải thủy tinh y tế ..................................................................7 1.2. VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ TÍNH KHẢ THI KHI DÙNG BỘT THỦY TINH GIẢM BỚT MỘT PHẦN XI MĂNG .............................................................................9 1.2.1. Vật liệu thủy tinh thải y tế ............................................................................9 1.2.2. Độ mịn và đặc tính lý hóa của thủy tinh thải y tế nghiền mịn ....................10 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU THỦY TINH NGHIỀN MỊN GIẢM BỚT MỘT PHẦN XIMĂNG TRONG SẢN XUẤT BÊTÔNG TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI ........................................................................11 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................15 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN, CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT LIỆU SỬ DỤNG ................................................................................................. 17 2.1. CÔNG TÁC THU GOM VÀ TIỀN XỬ LÝ VẬT LIỆU THỦY TINH ................17 2.1.1. Công tác thu gom thủy tinh thải .................................................................17 2.1.2. Công tác tiền xử lý vật liệu thủy tinh thải ..................................................18 2.2. TỈ LỆ THÀNH PHẦN THỦY TINH VÀ KÍCH THƯỚC CÁC HẠT CỐT LIỆU THỦY TINH..................................................................................................................19 2.2.1. Kích thước các hạt cốt liệu thủy tinh nghiền mịn .......................................19 2.2.2. Tỉ lệ thành phần bột thủy tinh giảm thiểu một phần xi măng .....................23 2.3. VẬT LIỆU SỬ DỤNG ...........................................................................................26 2.3.1. Xi măng.......................................................................................................26 2.3.2. Cốt liệu nhỏ - Cát ........................................................................................27 2.3.3. Cốt liệu lớn – Đá dăm .................................................................................27 2.3.4. Bột Thủy tinh (Powder Glass) ....................................................................28 2.3.5. Bêtông và tỉ lệ cấp phối bêtông ..................................................................28 2.4. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM .........................................................................32 2.4.1. Chế tạo mẫu bêtông tiêu chuẩn ...................................................................32 2.4.2. Quy trình thí nghiệm nén mẫu ....................................................................36 2.4.3. Phương pháp xác định cường độ chịu nén mẫu tiêu chuẩn ........................36 2.4.4. Quy trình thí nghiệm độ chống thấm nước của mẫu ..................................38 2.5. CÁC MÁY MÓC VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG ĐỂ THÍ NGHIỆM .........................40 2.6. TỔNG QUAN NỘI DUNG THÍ NGHIỆM ...........................................................40 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ................................................................... 42 3.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ......................................................................................42 3.1.1. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của cốt liệu .................................................42 3.1.2. Xác định độ sụt hỗn hợp bêtông .................................................................44 3.1.3. Xác định cường độ chịu nén của bêtông.....................................................45 3.1.4. Xác định mức chống thấm nước của bêtông ..............................................47 3.2. BÌNH LUẬN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ...............................................................48 3.2.1. Độ sụt ..........................................................................................................48 3.2.2. Cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm .....................................................49 3.2.3. Mức chống thấm nước của mẫu thí nghiệm ...............................................49 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) TÓM TẮT NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG BỘT THỦY TINH THẢI Y TẾ Học viên: Lê Xuân Dũng Chuyên ngành:Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Thủy tinh từ chai lọ thải ngành y tế đang là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước, không khí, đất…do chưa có phương pháp xử lý rác thải một cách triệt để. Với các tính chất cơ học và thành phần hóa học, thủy tinh có thể được sử dụng như là một phần thay thế cốt liệu thô, cốt liệu mịn và xi măng trong chế tạo bê tông phục vụ ngành xây dựng, tạo ra hướng xử lý rác thải bền vững. Ở dạng bột đủ mịn, thủy tinh thể hiện thuộc tính puzzolan và có thể sử dụng thay thế một phần vai trò xi măng trong bê tông. Trong nghiên cứu này, thủy tinh thải y tế được nghiền mịn thành dạng bột, với độ mịn đạt dưới 10% thông qua lưới sàng 90 micromet để giảm một phần xi măng sử dụng. Đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay thế này đến khả năng chống thấm nước trong bê tông và so sánh với bê tông thông thường. Kết quả thể hiện rằng khả năng chống thấm trong bê tông là khá tốt, đặc biệt là thay thế tỉ lệ 10% hàm lượng xi măng có thể ứng dụng thực tiễn. Từ khóa: Thủy tinh thải y tế, bột thủy tinh, Chống thấm bê tông, cường độ chịu nén, độ sụt. Abstract: Due to lack of effective recycled method, waste glass collected from medical bottles may cause water, air and soil pollutions. By possessing a high performance of mechanical and chemical properties, this type of glass can be used as a partial replacement for coarse aggregate, fine aggregate or cement in manufacture of concrete toward a sustainable construction industry. As powder form, glass possess pozzolan characteristic and can be used as a partial replacement of cement role in concrete. In this study, medical glass was crushed into powder, with a fineness of less than 10% through a sieve of 90 micrometers in order to reduce amount of cement. The aim is to study the effect of this substitution on the waterproofing of concrete and compare to nominal concrete. The results show that a ability to waterproofing concrete is the best, especially with replacing the content as 10% by weight of cement and can be practically applied. Key words: waste medical glass, glass powder, waterproofing concrete, compressive strength, slump. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC CHỮ VIẾT TẮT: Bột Khối lượng xi măng + bột thủy tinh MDC Mẫu đối chứng N/B Tỉ lê lượng nước trên lượng bột N/X Tỉ lệ lượng nước trên lượng xi măng. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn một thành viên TT-10%TT-0,56 Mẫu chứa thủy tinh dạng bột giữ nguyên tỉ lệ N/X mẫu đối chứng TT-10%TT-0,60 Mẫu chứa thủy tinh dạng bột thay đổi tỉ lệ N/X cao hơn mẫu đối chứng TT-10%TT-0,65 Mẫu chứa thủy tinh dạng bột thay đôi tỉ lệ N/X cao hơn mẫu đối chứng TW Trung ương WHO Tổ chức Y tế Thế giới DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1. 1. Thành phần rác thải bệnh viện ở Việt Nam 8 1.2. Thành phần hóa học của thủy tinh 11 2.1. Lượng phần trăm dãi cỡ hạt xi măng tối ưu về cường độ 22 2. 2. Cấp phối thành phần định hướng theo định mức 1784 29 2. 3. Thể tích mẻ trộn thực tế thi công với số mẫu cần đúc 30 2.4. Bảng tổng hợp số lượng mẫu cần đúc thí nghiệm 30 2.5. Tỉ lệ cấp phối thực nghiệm đạt yêu cầu độ sụt mẫu đối chứng 31 2.6. Độ sụt mẫu bê tông đối chứng khi giảm lượng nước 31 2.7. Cấp phối vật liệu khi thay đổi N/X 31 3. 1. Các tính chất cơ lý của xi măng Pooclang Sông Gianh PCB40 42 3.2. Kết quả phân tích thành phần hạt của cát thí nghiệm 43 3.3. Kết quả phân tích thành phần hạt của đá dăm thí nghiệm 44 3. 4. Kết quả độ mịn của thủy tinh nghiền mịn thành dạng bột 44 3. 5. Kết quả độ sụt của hỗn hợp bê tông 45 3. 6. Cường độ chịu nén của các mẫu bê tông thí nghiệm 45 3. 7. Cường độ chịu nén trung bình của cấp phối bê tông thí nghiệm 46 3. 8. Mức chống thấm của các mẫu bê tông thí nghiệm 47 DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Thủy tinh thải y tế đã qua sử dụng 5 1.2. Chai lọ thủy tinh trắng thải y tế 6 1.3. Chai lọ thủy tinh màu thải y tế 7 2.1. Biểu đồ thành phần chất thải rắn y tế dựa trên đặc tính lý hóa 17 2.2. Thùng chứa, túi đựng thủy tinh thải y tế 18 2.3. Sản phẩm thủy tinh được nghiền mịn 19 2.4. Cường độ nén của bê tông với bột thủy tinh kích cỡ khác nhau 20 2.5. Ảnh hưởng của cỡ hạt thủy tinh đến cường độ chịu nén bê tông 21 2.6. Cơ sở thiết bị nghiền tại phòng thí nghiệm công ty 23 2.7. Quá trình phát triển cường độ nén theo tỉ lệ % các độ tuổi thí nghiệm 24 2.8. Sự phát triển cường độ nén và độ chống thấm nước 25 2.9. Sự hấp thu mao mạch của mẫu lập phương sau 28 ngày 26 2.10. Một số hình ảnh Xi măng Sông Gianh 32 2.11. Một số hình ảnh cát và đá tại hiện trường 33 2.12. Bột thủy tinh cất giữ trong bao xi măng 33 2.13. Thùng trộn và khuôn đúc mẫu tiêu chuẩn 34 2.14. Công tác đo độ sụt bê tông 34 2.15. Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu thí nghiệm 35 2.16. Hình ảnh công tác đúc mẫu và hoàn thiện 35 2.17. Thí nghiệm và kết quả nén mẫu 37 2.18. Sơ đồ thí nghiệm mẫu lập phương theo TCVN 3118:1993 38 2.19. Tẩy màng hồ xi măng và gá lắp mẫu lên bệ máy 39 2.20. Theo dõi mẫu thấm qua camera và khi kêt thúc thí nghiệm 40 Số hiệu hình Tên hình Trang 2.21. Ép chẻ mẫu để thấy vệt thấm bên trong mẫu 40 3.1. Độ sụt hỗn hợp bê tông của các cấp phối thiết kế 45 3.2. Cường độ chịu nén trung bình các cấp phối thiết kế ở tuổi 28 ngày 46 3.3. Mức chống thấm W các cấp phối thiết kế 47 3.4. Mối quan hệ giữa cấp chống thấm W và cường độ nén trung bình 48 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo Tổng cục Môi trường, hiện mỗi ngày các cơ sở khám chữa bệnh trên cả nước phát sinh khoảng 340 tấn chất thải, mức tăng chất thải y tế hiện nay là 7,6%/năm. Năm 2015 lượng phát sinh chất thải vào khoảng 600 tấn/ngày. Dự kiến đến năm 2020, tổng lượng rác thải là 800 tấn/ngày. Trong đó, hằng năm lượng rác thải gồm chai, lọ thủy tinh đựng dược phẩm y tế được thải ra với số lượng lớn, chiếm khoảng 3% [1]. Theo ước lượng của đề tài, Bệnh viện TW Huế hằng ngày thải ra khoảng 300kg chai thủy tinh đựng thuốc y học, lượng rác này hiện đang tồn đọng tại bệnh viện khoảng hàng trăm tấn. Phương hướng xử lý chủ yếu hiện nay là thải trực tiếp hoặc xay thô và chôn lấp. Phương án này đòi hỏi phải có nơi xử lý, quỹ đất chôn lấp lớn, chi phí cao (bao gồm thu gom, xử lý đốt cháy và chôn lấp, nhân công và vận chuyển). Bên cạnh đó, rác thải y tế nếu không xử lý triệt để dẫn đến gây ô nhiễm môi trường và chất lượng đất, nước…gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và phương án này ngày càng trở nên không bền vững. Ở thế giới, nhiều nghiên cứu đã sử dụng thủy tinh thải như kính, bóng đèn, ống tia catốt, cửa sổ, chai, lọ…như một vật liệu thứ yếu làm cốt liệu trong sản xuất bê tông. Vì thủy tinh có nguồn gốc từ silicat nên phương án dùng nguyên liệu này xay nhỏ để làm vật liệu xây dựng là ý tưởng rất tốt. Tung-Chai Ling, Chi-Sun Poon, HauWing Wong [36] báo cáo về phương án chuyển đổi thủy tinh thải thành vật liệu có giá trị và một số ứng dụng của nó. Theo đó, với thủy tinh nghiền mịn đến cỡ hạt 75 150µm được thay thế một phần xi măng trong bê tông. Một số ứng dụng khác thủy tinh thay thế cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ hay mịn có thể sử dụng làm thành các khối block dùng lắp vỉa hè và tường, bê tông, bê tông tự đầm hay vữa kiến trúc… Việc sử dụng thủy tinh nghiền như cốt liệu trong bê tông xi măng Pooclăng đã có một số hiệu ứng trái ngược trong thuộc tính của bê tông; tuy nhiên, ứng dụng thực tiễn có thể vẫn được sản xuất thậm chí sử dụng 100% thủy tinh nghiền như cốt liệu [25]. Từ những nghiên cứu ở những thập niên 1960 đến nay, hầu hết các nghiên cứu trên thế giới về thủy tinh nói chung được nghiền thành dạng bột, chỉ tập trung vào các tính chất cơ lý bê tông như cường độ (nén, uốn, kéo…), độ linh động hỗn hợp, sự hoạt động của phản ứng hydrat hóa xi măng có chứa bột thủy tinh… Trong khi đó, những nghiên cứu về độ hấp thụ nước hay độ chống thấm nước của bê tông sử dụng bột thủy tinh thay thế một phần cốt liệu rất ít. Điển hình một số nghiên cứu về sự hấp thụ nước có chứa hàm lượng bột thủy tinh thay thế một phần cốt liệu mịn như xi măng. N. Vidya cùng cộng sự [27]. Virendra Kumara K.N cùng cộng sự [29], nghiên cứu sử dụng hỗn 2 hợp có chứa 20% khối lượng bột thủy tinh thay thế xi măng và chứa 0% đến 50% rác thải công nghiệp thay thế cốt liệu nhỏ (cát). Kết quả chỉ ra rằng sự thay đổi về độ hấp thụ nước các mẫu thí nghiệm theo từng tỉ lệ cấp phối. Sự hấp thụ nước của bê tông ở tuổi 28 ngày giảm so với mẫu bê tông thông thường từ 2,2 xuống còn 1,5 [14]. Ali A.Aliabdo cùng cộng sự [14], nghiên cứu 2 cấp phối chính là mác bê tông 33MPa và 45MPa, mỗi cấp phối chính gồm các cấp phối có chứa tỉ lệ thay thế bột thủy tinh bằng xi măng với hàm lượng từ 0% đến 25% về khối lượng. Kết quả chi ra rằng sự hấp thụ nước và tỉ lệ độ lỗ rỗng thay đổi theo các cấp phối. Kết luận nghiên cứu việc sử dụng bột thủy tinh đến hàm lượng 15% thì sự hấp thụ nước và tỉ lệ độ lỗ rỗng giảm, điều này chỉ ra rằng sẽ cải thiện độ bền của bê tông [14]. Irshad [19], thí nghiệm sử dụng sự thay thế xi măng theo hàm lượng 10% đến 40% gồm bột thủy tinh cỡ hạt dưới 90µm, tro bay và tổ hợp của chúng. Kết quả thể hiện: hệ số của sự hấp thụ qua mao dẫn khi thay thế (10%, 20%, 30% và 40%) của tro bay tương ứng (0,78;0,36;0,36 và 0,6), của bột thủy tinh tương ứng (0,42;0,45;0,45 và 0,6), của tổ hợp tro bay và bột thủy tinh tương ứng (0,33; 0,66;0,42 và 0,42) là thấp hơn của bê tông thông thường. Báo cáo kết luận dựa trên kết quả thực nghiệm, sử dụng tro bay kết hợp bột thủy tinh thay thế 40% xi măng về khối lượng thể hiện hệ số hấp thụ qua mao dẫn thấp hơn, làm tăng độ bền tốt hơn cho bê tông [19]. Tại Việt Nam, năm 2008, Bác sĩ Nguyễn Hiếu Hiệp công bố và thực nghiệm nghiên cứu sử dụng thủy tinh thải y tế trong bệnh viện nghiền mịn và thay thế cốt liệu nhỏ (cát) để đúc các tấm lát nền cho bệnh viện [3]. Năm 2017, đề tài Nguyễn Quang Hòa, Trần Minh Quân [4] đã nghiên cứu sử dụng thủy tinh thải y tế nghiền mịn thành dạng bột và giảm bớt một phần xi măng để thực hiện nghiên cứu về sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông. Các cấp phối chế tạo bê tông được thiết kế từ thực nghiệm với Mác 250, độ sụt 6-8cm, giảm một phần xi măng từ 5% đến 20% về khối lượng. Kết quả thể hiện rằng, cường độ chịu nén trung bình ở tuổi 28 ngày đạt cường độ theo mác thiết kế M250 khi sử dụng bột thủy tinh giảm 10% xi măng về khối lượng. Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam nói riêng, thế giới nói chung, tính chống thấm nước của bê tông luôn luôn là một vấn đề quan trọng đối với bê tông có tiếp xúc với nước. Nó có thể coi là một nguyên nhân của ăn mòn bê tông khi tiếp xúc với môi trường nước có tính chất ăn mòn nước ngầm, nước khoáng, nước biển, nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa các tác nhân ăn mòn. Nước thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm; như vậy tính chống thấm liên quan với tính bền vững của bê tông và tính ổn định của công trình bê tông cốt thép. Nhiều công trình xây dựng trước đây không quan tâm đến vấn đề chống thấm mà chỉ dựa vào cường độ bê tông yêu cầu để thiết kế thành phần bê tông. Việc 3 khống chế tỷ lệ N/X không vượt quá tỷ lệ N/X tối đa và lượng xi măng không ít hơn lượng xi măng tối thiểu không đủ để đảm bảo bê tông có khả năng chống thấm yêu cầu, nhưng lại không thí nghiệm kiểm tra và không có biện pháp chống thấm cho bê tông và công trình. Vì vậy sau một thời gian nhiều công trình bê tông cốt thép ở trong nước và dưới đất bắt đầu bị ăn mòn và hư hỏng. Gần đây có quan tâm hơn đến chống thấm cho bê tông, nhưng cũng chưa nhiều. Nghiên cứu này sử dụng thủy tinh thải y tế nghiền mịn thành dạng bột, tập trung vào loại thủy tinh trắng, đến sự thay thế một phần khối lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông. Xuất phát từ nghiên cứu của đề tài tác giả Nguyễn Quang Hòa [2], thực hiện sự thay thế xi măng bằng bột thủy tinh để thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông. Kết quả chỉ ra rằng sự thay thế hàm lượng 10% khối lượng xi măng bằng bột thủy tinh cho cường độ nén đạt khá tốt và có tính khả thi trong thi công [2]. Vì vậy, luận văn này tập trung vào thí nghiệm xác định độ chống thấm của bê tông có chứa bột thủy tinh thay thế 10% khối lượng xi măng, nhằm mục đích chứng minh tính khả thi của nó. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu khả năng chống thấm của mẫu bêtông khi sử dụng bột thủy tinh từ chai lọ thuốc thải ra của các bệnh viện giảm bớt một phần ximăng (10% khối lượng ximăng), nhằm mục đích chính là xử lí ô nhiễm môi trường, một vấn đề cấp bách hiện nay tại các cơ sở bệnh viện nước ta. Ngoài ra tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng hướng tới phát triển thân thiện với môi trường. Theo báo cáo của Tung-Chai-Ling, Chi-Sun Poon, Hau-Wing Wong [36], một số ứng dụng và các bước chuyển đổi thủy tinh thải thành vật liệu giá trị như sản xuất bê tông, gạch lát nền, gạch xây tường, bê tông sàn, … 4 Khối bê tông thủy tinh Ốp tấm bê tông thủy Thủy tinh - SCC Vữa thủy tinh trang trí Tính linh động cao G-SCC Gạch kiến trúc Bê tông - sàn Kiến trúc trên mặt bàn tinh Khối tường xây Hình 1. Một số ứng dụng sử dụng vật liệu bột thủy tinh thải [21] 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo mẫu thử bêtông tiêu chuẩn theo tỉ lệ cấp phối và sử dụng 10% bột thủy tinh thải y tế thay thế cho thành phần xi măng. - Xác định độ chống thấm của mẫu bê tông. - Giải quyết rác thải chai lọ thủy tinh y tế gây ô nhiễm môi trường 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là bê tông nặng dùng thủy tinh thải y tế, trong đó thủy tinh được nghiền mịn thành dạng bột, với cỡ hạt nhỏ 90µm bột thủy tinh được thay thế một phần xi măng hàm lượng 10% về khối lượng. - Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chống thấm của bê tông. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phân tích lý thuyết kết hợp thực nghiệm tuân thủ theo các tiêu chuẩn của Việt Nam (TCVN). Kết quả kiểm tra của nghiên cứu xác định được mức chống thấm W, độ sụt và cường độ nén mẫu ở tuổi sau 28 ngày, và so sánh với bê tông thông thường. 5. Bố cục nội dung đề tài - Chương 1. Tổng quan về vật liệu thủy tinh thải và thực trạng rác thải y tế - Chương 2. Xây dựng phương án, vật liệu và chương trình thí nghiệm - Chương 3. Kết quả thí nghiệm và kết luận 5 CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ THỰC TRẠNG THỦY TINH THẢI Y TẾ 1.1. THỰC TRẠNG, PHÂN LOẠI THỦY TINH THẢI Y TẾ 1.1.1. Khái niệm và phân loại thủy tinh thải y tế Thủy tinh thải y tế là dạng chất thải rắn, gồm các loại chai, lọ được làm bằng thủy tinh đã qua hoặc quá hạn sử dụng dùng trong lĩnh vực y tế, để chứa đựng các bệnh phẩm và dược phẩm thuốc điều trị cho các bệnh nhân tại các cơ sở y tế như bệnh viện, trung tâm y tế,… Hình 1.1. Thủy tinh thải y tế đã qua sử dụng Bản thân thủy tinh thải y tế cũng là một dạng thủy tinh thông thường, nhưng được sản xuất với các thành phần đặc tính hóa lý tốt hơn, khác so với các dạng thủy tinh khác như bóng đèn, màn hình tivi, chai lọ chứa thực phẩm…Tất cả các sản phẩm thủy tinh đều có tuổi thọ giới hạn, mặc dù bản thân nó là vật liệu vô định hình, không hoạt tính, tương đối cứng, khó mài mòn và rất trơ về mặt hóa học. Hằng năm, các cơ sở y tế phải đầu tư một số tiền rất lớn để xử lý rác thải thủy tinh, phương pháp truyền thống để xử lý rác thải này vẫn là chôn lấp hoặc xây lò đốt. Tuy nhiên, các phương án trên đều vừa tốn kém, không hiệu quả cũng không giải quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là gây ô nhiễm môi trường nước, không khí, đất…Vì vậy, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và cung cấp một giải pháp thân thiện 6 với môi trường, một nhu cầu phát triển thị trường mới để tái chế thủy tinh thải (trong đó có thủy tinh thải y tế góp phần không nhỏ). Đó là sử dụng vật liệu tái chế thủy tinh dùng trong xây dựng với các ứng dụng chính bao gồm thay thế một phần cốt liệu trong bê tông như bê tông nhựa, như cốt liệu mịn trong lớp lót không dính kết, nền đặt đường ống, hệ thống đất chôn lấp khí gas và khối đất đắp cho ống cống (Shi and Zheng, 2007) [32]. Việc sử dụng thủy tinh thải y tế tái chế trong xi măng póoclăng và bê tông cũng đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên toàn thế giới do chi phí xử lý thủy tinh tăng cao và vấn đề ô nhiễm môi trường. Gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng chất thải thủy tinh y tế làm cốt liệu cho bê tông xi măng hoặc là thay thế một phần xi măng. Đây là nền tảng cho sự phát triển của bê tông sinh thái với chất thải thủy tinh y tế tái chế, trong đó có Việt Nam. Chai (lọ) thủy tinh thải được sử dụng trong y tế thường được phân chia thành hai loại dựa theo đặc tính hóa học, tính chất về màu sắc, đặc điểm phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Thủy tinh trắng (trong suốt): là thủy tinh thông thường có chứa thành phần hỗn hợp Natri Silicat, Canxi Silicat và Silic đioxit, có công thức hóa học viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2. Một số dụng cụ, chai lọ thí nghiệm được làm bằng thủy tinh Kali có thành phần K2O.CaO.6SiO2 (khi nấu thủy tinh thay Na2CO3 bằng K2CO3) Hình 1.2. Chai lọ thủy tinh trắng thải y tế [2] - Thủy tinh màu: là loại thủy tinh thông thường nhưng trong thành phần của nó 7 có cho thêm một ôxit kim loại, thủy tinh sẽ có màu khác. Thí dụ: Cr2O3 cho màu lục, CoO cho màu xanh nước biển… Hình 1.3. Chai lọ thủy tinh màu thải y tế Ngoài ra, hiện nay thủy tinh còn được tạo ra từ các chế phẩm khác, tạo nên các loại thủy tinh khác nhau có các đặc tính hóa, lý đặc trưng khác nhau và được ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như thủy tinh thạch anh, thủy tinh pha lê, thủy tinh Pyrex…Trong phạm vi đề tài, đề tài tập trung nghiên cứu loại thủy tinh trắng được thải với số lượng lớn từ các cơ sở y tế. Đó là nguồn rác thải thay vì được chôn lấp, thủy tinh thải được sử dụng với mục đích tái chế, ứng dụng làm thành phần cốt liệu trong sản xuất bê tông xi măng. 1.1.2. Thực trạng rác thải thủy tinh y tế Theo nghiên cứu của Tổ chức Y tế Thế giới WHO, thành phần nguy hại trong chất thải rắn y tế chiếm từ 10-25%, trong đó bao gồm các chất thải lây nhiễm, dược chất, chất hóa học, phóng xạ, kim loại nặng, chất dễ cháy nổ…Còn lại 75-90% chất thải thông thường, tương tự như chất thải sinh hoạt, trong đó có nhiều thành phần không chứa yếu tố nguy hại như nhựa, chai lọ thủy tinh, kim loại, giấy,…có thế tái chế. Khối lượng chất thải thủy tinh y tế phát sinh theo từng năm cũng có sự khác nhau ở các nước tính theo mức thu nhập bình quân, chi phí dịch vụ y tế và số lượng dân số. Sau đây, Thống kê một số nước có lượng phát sinh thủy tinh thải (trong đó có thủy tinh thải y tế) một số năm điển hình. 8 Năm 2010, tại Mỹ, thủy tinh thải đạt xấp xỉ 4,6% trong tổng số sản lượng chất thải rắn đô thị (trong khi lượng sản xuất xấp xỉ 20 triệu tấn) [32]. Năm 1999/2000, tại Ân Độ, chất thải thủy tinh đạt 2,1% trong tổng số sản lượng chất thải rắn đô thị [33]. Tại Thỗ Nhĩ Kỳ, trong số 120.000 tấn, có 80.000 tấn thủy tinh là được tái chế, ở Đức thì báo cáo khoảng 3 triệu tấn thủy tinh thải được tái chế [35]. Ở HongKong, thủy tinh được ước tính xấp xỉ 373 tấn thủy tinh thải mỗi ngày trong năm 2010 [21]. Năm 2002, vật liệu thủy tinh thải ở Đài Loan đạt xấp xỉ 600.000 tấn [17]. Tính đến nay, Việt Nam có 13.640 cơ sở y tế các loại bao gồm: 1.263 cơ sở khám chữa bệnh thuộc các tuyến Trung ương, tỉnh, huyện, bệnh viện ngành và bệnh viện tư nhân; 1.016 cơ sở thuộc hệ dự phòng tuyến Trung ương, tỉnh và huyện; 77 cơ sở đào tạo y dược tuyến Trung ương, tỉnh và 180 cơ sở sản xuất thuốc và 11.104 trạm y tế xã. Theo đó, trữ lượng rác thải y tế sẽ phát sinh trong nước là vô cùng lớn, và thực tế hiện nay là đáng báo động về chất thải y tế gây ô nhiễm môi trường. Theo Tổng cục Môi trường, hiện mỗi ngày, các cơ sở khám chữa bệnh trên cả nước phát sinh khoảng 340 tấn chất thải, mức tăng chất thải y tế hiện nay là 7,6%/năm. Năm 2015 lượng phát sinh chất thải vào khoảng 600 tấn/ngày. Dự kiến đến năm 2020, tổng lượng rác thải là 800 tấn/ngày [6]. Nếu không được quản lý tốt, lượng rác thải y tế này sẽ gây ra những mối nguy hiểm không nhỏ cho môi trường và sức khỏe con người. Trong đó, các rác thải sắc nhọn và thủy tinh được xác định là một trong những kẻ thù nguy hiểm nhất bởi nó gây tổn thương kép vừa gây tổn thương, vừa gây bệnh truyền nhiễm như viêm gan B, HIV,… Dựa theo quy định về quản lý chất thải y tế của Bộ Y tế, hầu hết các bệnh viện, cơ sở y tế đều phải tiến hành phân loại, thu gom, vận chuyển và xử lý rác thải theo hệ thống thành phần rác thải phát sinh được khảo sát gồm một số loại chính như bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần rác thải bệnh viện ở Việt Nam Thành phần rác thải bệnh viện Giấy các loại Kim loại, vỏ hộp Thủy tinh, chai lọ thuốc, bơm kim tiêm, ống tiêm Tỉ lệ % 3 0,7 3-3,2 Bông băng, bột bó gãy xương 8,8 Chai, túi nhựa các loại 10,1 Bệnh phẩm 0,6 Rác hữu cơ 52,57 Đất đá và các vật rắn khác 21,03 Nguồn: Kết quả điều tra của dự án hợp tác giữa Bộ y tế và WHO, 2009 9 Hiện nay, nước ta có đến 100% bệnh viện tuyến TW, 88% bệnh viện tuyến tỉnh, 54% bệnh viện tuyến huyện xử lý chất thải rắn y tế bằng lò đốt tại chỗ hoặc thuê Công ty môi trường đô thị đốt tập trung. Số bệnh viện còn lại xử lý chất thải rắn y tế bằng phương pháp thủ công, chôn lấp tại chỗ (bệnh viện miền núi). Theo các chuyên gia môi trường, xử lý rác thải thủy tinh là việc vô cùng khó khăn và tốn kém. Nó cần phải được đốt ở nhiệt độ từ 800 đến 1.0000C mới cháy được nhưng sau đó lại vón cục và vẫn không phân hủy được khi đưa ra môi trường. Ngoài ra, trong khi đốt, rác thải thủy tinh sẽ thải ra nhiều hạt bụi li ti và các hóa chất độc hại như axít clorhidric, dioxin/furan, thủy ngân, chì, hoặc arsenic, cadmium. Đồng thời, chi phí để xử lý rác thải trên ngày càng tăng cao, dân số tăng nhanh trong khi quỹ đất ở và phục vụ sản xuất ngày càng hạn hẹp. Trong khi đó, chất thải thủy tinh y tế đa số ở nước ta đều được xử lý bằng biện pháp truyền thống chôn lấp dưới đất, một số khác được đưa vào lò đốt. Nhưng với điều kiện tại Việt Nam, việc xử lý các biện pháp trên đều chỉ là tạm thời, và không tránh khỏi làm tăng thêm ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí. Thực tế, rác thải thủy tinh y tế không chỉ là chuyện của riêng Việt Nam mà còn làm đau đầu nhiều quốc gia trên thế giới kể cả những nước có công nghệ xử lý tiên tiến và phát triển. Hiện nay, hầu hết các tỉnh thành phố đều phản ánh tình trạng rác thải thủy tinh y tế quá tải, dư luận trong nước lên tiếng và bất an vì chai lọ thủy tinh thải y tế ngổn ngang, có nguy cơ gây ung thư. [6] [7] 1.2. VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ TÍNH KHẢ THI KHI DÙNG BỘT THỦY TINH GIẢM BỚT MỘT PHẦN XI MĂNG 1.2.1. Vật liệu thủy tinh thải y tế Thủy tinh có phạm vi ứng dụng rộng và được sản xuất bằng nhiều dạng và kiểu khác nhau. Trong đó, thủy tinh phục vụ cho ngành y tế được sử dụng phần lớn để đựng các dược phẩm thuốc. Thủy tinh là vật liệu trơ có thể được tái chế nhiều lần mà không thay đổi thuộc tính hóa học của nó. Tái chế thủy tinh y tế mang lại nhiều lợi ích cho môi trường như giảm thiểu năng lượng, giảm tiêu thụ nguyên liệu, giảm chi phí xử lý, và đặc biệt là giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí, nước và đất. Tuy nhiên, không phải tất cả thủy tinh sử dụng có thể được tái chế thành thủy tinh mới vì các tạp chất, chi phí hoặc sự pha trộn màu sắc. Thống kê về tỉ lệ tái chế thủy tinh của một số nước trên thế giới [28]: - Năm 2005, Hàn Quốc và Nhật Bản có tỉ lệ tái chế thủy tinh đạt xấp xỉ tương ứng 67% và 91%; - Năm 2006, tiêu thụ và tái chế thủy tinh đạt 2.3% và 2% tương ứng ở Đông Phi 10 và Trung Phi; - Năm 2009, tại Đài Loan, số thủy tinh thải được chôn lấp đạt xấp xỉ 0.52 triệu tấn; - Năm 2010, Tại Hong Kong, tỉ lệ phần trăm thủy tinh tái chế chỉ đạt 3,3% và số còn lại 96,7% được đem đi chôn lấp trực tiếp. Tỉ lệ này với các nước Bỉ, Hà Lan, Thụy Sỹ là hơn 90%, tại Mỹ cũng chỉ hơn 30%; - Tại Việt Nam, hầu như việc tái chế thủy tinh thải lại ít được đề cập và phổ biến, bởi vì đa số thủy tinh thải (đặc biệt là thủy tinh y tế) được xử lý bằng phương pháp đốt và chôn lấp dưới đất. Như vậy, việc tái chế thủy tinh thải y tế có ý nghĩa rất quan trọng, mang lại nhiều lợi ích như giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, giảm chi phí xử lý tiêu tốn hàng tỷ đồng mỗi năm của các cơ sở y tế. Đồng thời, biến rác thải thủy tinh tạo ra một vật liệu mới được ứng dụng trong sản xuất bê tông. 1.2.2. Độ mịn và đặc tính lý hóa của thủy tinh thải y tế nghiền mịn Vật liệu thủy tinh nói chung và thủy tinh thải y tế nói riêng, có hai cách để sử dụng thủy tinh thải tái chế trong bê tông đó là: dùng thủy tinh làm cốt liệu thô và dùng thủy tinh được nghiền mịn thành dạng bột thay thế xi măng như puzolan. Thủy tinh thải cũng có thể sử dụng làm vật liệu thô trong sản xuất xi măng, và cuối cùng là sản xuất bê tông xi măng poolang hỗn hợp. Nhiều nghiên cứu về sử dụng thủy tinh thải được nghiền khi thay thế một phần cốt liệu hay xi măng trong xi măng pooclang hỗn hợp được báo cáo trong những năm trước đây. Một số đề tài nghiên cứu đã có những kết quả tác động trái chiều đến thuộc tính của bê tông. Dựa trên đặc tính vô định hình và có chứa một lượng lớn của silic và canxi trong thủy tinh, về lý thuyết, khi thủy tinh được nghiền mịn thành dạng bột có tính puzolan và thậm chí là có tính xi măng trong tự nhiên. Hơn nữa, thuộc tính cấu tạo bề mặt và hình dạng của cỡ hạt thủy tinh có thể được cải thiện khi kích thước được giảm hơn nữa; thật vậy, thủy tinh dạng bột gây ra một số tác động trái chiều làm giảm cường độ và khả năng làm việc của bê tông. Nhiều phát minh đã chứng minh rằng khi tăng độ mịn của thủy tinh thì sẽ làm tăng phản ứng puzolan. Bên cạnh đó, hàm lượng cao Na2O trong thủy tinh dễ dàng thoát ra khi kích thước hạt thủy tinh bị giảm đi, do đó ảnh hưởng đến độ bền của bê tông, đặc biệt là ở giai đoạn sớm [37]. Kết quả thành phần hóa học trong thủy tinh dạng bột được thí nghiệm bởi QUATEST 3 theo bảng 1.2. [Phụ lục B]