Tài liệu Nghiên cứu sử dụng cốt liệu thủy tinh hạt nhỏ để chế tạo bê tông thủy tinh

TRẦN THỊ TUYẾT PHƯƠNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TRẦN THỊ TUYẾT PHƯƠNG KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU THỦY TINH HẠT NHỎ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ 32XDTV Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- TRẦN THỊ TUYẾT PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU THỦY TINH HẠT NHỎ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY TINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRƯƠNG HOÀI CHÍNH Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin 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 khoa học nào khác. Tác giả luận văn Trần Thị Tuyết Phương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU THỦY TINH HẠT NHỎ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY TINH Học viên: Trần Thị Tuyết Phương Chuyên ngành: XDDD&CN Mã số: ……..…Khóa: 2016 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Tỉnh Trà Vinh đang bước vào một thời kì đổi mới toàn diện cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội là quá trình cải tạo, nâng cấp đô thị hiện có, mở rộng các khu đô thị mới, quy hoạch và xây dựng các khu công nghiệp tập trung. Tỉnh Trà Vinh đang được mở rộng nhanh chóng, dân số đô thị ngày càng tăng vì thế kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng đáng chú ý nhất là vần đề ô nhiễm rác thải y tế trong đó bao gồm chai thủy tinh, lọ thủy tinh, … hiện nay công tác quản lý chất thải tại hầu hết các bệnh viện chưa thực hiện triệt để từ khâu thu gom, phân loại, vận chuyển, xử lý chủ yếu là hóa rắn, tái chế một phần và chôn lấp an toàn, và chỉ 10% lượng rác thải này được xử lý triệt để. Vì thế, các chất thải y tế nguy hại phát sinh từ các hoạt động của bệnh viện đã và đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng gây ảnh trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và xã hội. Từ nguồn rác thải y tế tại bệnh viện tận dụng chai lọ thủy tinh tiến hành xử lý làm sạch sau đó nghiền nhỏ kích cở hạt 0.5mm nghiên cứu trộn thay tỉ lệ 30%, 50%, 100% đá dăm được đúc mẫu, bảo dưỡng và thí nghiệm nén 03,07,14, 28 ngày, từ đó so sánh cường độ chịu nén của bê tông thủy tinh với bê tông đá dăm thông thường. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu “Sử dụng cốt liệu thủy tinh hạt nhỏ để chế tạo bê tông thủy tinh” là một trong những đề tài góp phần làm rõ hơn về tính chất của vật liệu bê tông thủy tinh và góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ rác thải y tế. Từ khóa – Rác thải y tế; chai lọ thủy tinh; cốt liệu thủy tinh hạt nhỏ; tỉ lệ 30,50,100% đá; đúc mẫu và bảo dưỡng; thí nghiệm nén mẫu. RESEARCH ON USING MATERIALS SMALL GLASSWARE PROCESSING PLANT Abstract: The province of glorry is entering a peroid of renewal, with the socio-economic development is the process of renovation upgrading existing urban areas, expanding new urban centers and building new industrial zones.Tra Vinh province is expanding rapidly, the urban population is increasing, so the issue of environmental pollution is increasingly serious notably the problem of medical waste including water bottles glass bottles. At present, waste management in most hospitals has not been fully implemented since collection, sorting, transportation and handling, mainly solidification, partial recycling and safe burial. 10% of this waste is treated thoroughly. As a result, hazardous medical waste arising from hospital operations has been causing severe environmental pollution that has a direct impact on public health and society. From the source of medical waste at the hospital to make use of glass bottles to clean up and then to size 0.5mm granules to study the change rate of 30%, 50%, 100% maintenance and test compression 03,07,14, 28 days, which compares the compressive strength of glass concrete to concrete macadam. Therefore, the study "Using glass-particle aggregates to make glass concrete" is one of the topics that contribute to the clarification of the properties of glass-concrete materials and contribute to the solution. Environmental pollution from medical waste. The keys: medical waste; glass bottle; fine glanular glass; rate of 30,50,100% of stone; molding and maintenance; sample compression experiment. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 1 2. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 1 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 2 5. Bố cục luận văn........................................................................................... 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THỦY TINH VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN BÊ TÔNG THỦY TINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM ....... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG THỦY TINH ................................................... 3 1.1.1. Khái niệm cơ bản .................................................................................. 3 1.1.2. Vật liệu thủy tinh và các tính chất cơ lý ............................................... 3 1.1.2.1. Phân loại thủy tinh............................................................................. 3 1.1.2.2. Tính chất cơ lý của thủy tinh ............................................................. 4 1.1.2.3 Tính chất hóa lý của thủy tinh ............................................................ 6 1.1.2.4. Cấu trúc của vật liệu thủy tinh .......................................................... 6 1.1.2.5. Ứng dụng của vật liệu thủy tinh ........................................................ 7 1.2. ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN BÊ TÔNG THỦY TINH Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI ................................................................................................... 7 1.2.1. Hiện trạng: ............................................................................................ 7 1.2.2. Hướng phát triển ................................................................................... 8 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................ 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG THỦY TINH .............................. 10 2.1. MỤC ĐÍCH XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG THỦY TINH ............... 10 2.2. CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG ...................................................................... 10 2.2.1. Cường độ chịu nén .............................................................................. 11 2.2.2. Nhân tố quyết định cường độ của bê tông ......................................... 12 2.2.2.1. Thành phần và cách chế tạo bê tông ............................................... 12 2.2.2.2. Điều kiện thí nghiệm ........................................................................ 13 2.2.3. Sự phát triển cường độ của bê tông theo thời gian ............................ 13 2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu ...................................................................... 14 2.2.5. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường ................................................ 14 2.2.6. Ảnh hưởng của phụ gia ...................................................................... 15 2.2.7. Tính co nở thể tích của bê tông thủy tinh .......................................... 15 2.2.8. Tính công tác của bê tông .................................................................. 16 2.3 VẬT LIỆU DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY TINH TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ....................................................................................... 17 2.3.1.Vật liệu dùng để chế tạo bê tông thủy tinh .......................................... 17 2.3.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam 3118:1993 ..................................................................................................... 25 2.3.2.1 Ý nghĩa của việc xác định cấp phối bê tông ..................................... 25 2.3.2.2 Các cách biểu thị cấp phối bê tông .................................................. 25 2.3.2.3 Các cách xác định cấp phối bê tông ................................................. 25 2.3.3. Kết luận chương 2 ............................................................................... 31 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SO SÁNH KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG THỦY TINH VỚI BÊ TÔNG ĐÁ ................... 32 3.1. CHUẨN BỊ MẪU THỬ............................................................................. 32 3.1.1. Chuẩn bị vữa bê tông ......................................................................... 32 3.1.2. Khuôn đúc mẫu .................................................................................. 32 3.1.3. Đúc mẫu bê tông: ............................................................................... 33 3.1.4. Hình dáng và kích thước viên mẫu .................................................... 33 3.1.5. Số tổ mẫu cần đúc: ............................................................................. 33 3.1.6. Đổ và đầm hỗn hợp bê tông trong khuôn: ......................................... 34 3.2. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM MẪU THỬ. ................................................. 34 3.2.1. Thiết bị thử ........................................................................................ 35 3.2.2. Chuẩn bị mẫu thử............................................................................... 35 3.2.3. Tiến hành thử ..................................................................................... 35 3.2.4. Tính kết quả:(cách tính toán trình bày trong phần phụ lục) .............. 37 3.2.5. Biên bản thử ........................................................................................ 38 3.3. SO SÁNH KẾT QUẢ TRÊN CÁC MẪU THỬ ............................................ 39 3.3.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN CỦA BÊ TÔNG QUA CÁC NGÀY TUỔI ............... 39 3.3.2. BIỂU ĐỒ SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG .................................. 39 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.............................................................................. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 43 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT B: Cấp độ bền của bê tông. M: Mác bê tông. N/X: Nước/xi măng. TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam. Rb: Cường độ của bê tông. Rn: Cường độ chịu nén của bê tông. : Khối lượng riêng. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 2.1. Bảng chọn mác xi măng theo mác bê tông 18 Bảng 2.2. Khống chế lượng xi măng tối thiểu cho 1m3 bê tông 18 Bảng 2.3. Các chi tiêu cơ lý của xi măng pooc lăng hỗn hợp 18 Bảng 2.4. Chỉ tiêu thành phần hạt của cát 21 Bảng 2.5. Bảng phân loại nhóm cát 22 Bảng 2.6: Kích thước lỗ sàng tiêu chuẩn dùng để xác định thánh phần hạt của cốt liệu 23 Bảng 2.7. Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 1m3 bê tông tỉ lệ 70% đá+30% thủy tinh 27 Bảng 2.8. Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 1m3 bê tông tỉ lệ 50% đá+50% thủy tinh 28 Bảng 2.9. Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 1m3 bê tông tỉ lệ 100% thủy tinh 28 Bảng 2.10. Thành phần cấp phối cho mẻ trộn 1m3 bê tông đá 28 dăm thông thường Bảng 3.1. Bảng tổng hợp thí nghiệm cường độ nén bê tông có cấp bền B15 37 Bảng 3.2. Bảng tổng hợp thí nghiệm cường độ nén bê tông có cấp bền B20 38 Bảng 3.3. Tổng hợp cường độ chịu nén trung bình của bê tông qua các ngày tuổi 39 Bảng 3.4. Tổng hợp cường độ chịu nén trung bình của bê tông qua các ngày tuổi 39 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1. Tấm panel thủy tinh 7 Hình 1.2. Vải chịu lửa từ thủy tinh 7 Hình 1.3. Sợi thủy tinh 7 Hình 1.4. Lưới thủy tinh 7 Hình 2.1. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén 11 Hình 2.2. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông 12 Hình 2.3. Đồ thị sự phát triển cường độ của bê tông theo thời 13 gian Hình 2.4. Biểu đồ quy định thành phần hạt của cát 21 Hình 2.5. Biểu đồ xác định nhóm cát 22 Hình 2.6. Biểu đồ quy định thành phần hạt của cốt liệu nhỏ 23 Hình 2.7. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu thô 24 Hình 2.8. Hạt đạt yêu cầu 25 Hình 3.1. Vữa bê tông thủy tinh 32 Hình 3.2. Khuôn đúc mẫu 33 Hình 3.3. Hình dáng viên mẫu sau khi bảo dưỡng 33 Hình 3.4. Đầm và đổ khuôn bê tông thủy tinh 34 Hình 3.5. Máy nén mẫu 34 Hình 3.6. Thí nghiệm nén mẫu bê tông 36 Hình 3.6a. Mẫu nén bị phá hoại 36 Hình 3.7. Thí nghiệm nén mẫu bê tông 36 Hình 3.7a. Mẫu nén bị phá hoại 36 Hình 3.8. Thí nghiệm nén mẫu bê tông Hình 3.8a Mẫu nén bị phá hoại 36 Hình 3.9 Thí nghiệm nén mẫu bê tông Hình 3.9a Mẫu bê tông bị phá hoại 36 1 MỞ ĐẦU 1. Mục đích nghiên cứu Thủy tinh y tế là một trong những chất thải rắn được xếp vào loại chất thải rắn nguy hại. Nghiên cứu sử dụng cốt liệu từ thủy tinh y tế là thành phần cốt liệu hạt nhỏ thay thế đá trong chế tạo bê tông nhằm tạo ra một loại bê tông có đủ các tính chất cơ lí đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật, đồng thời góp phần xử lý thủy tinh y tế một loại chất thải rắn nguy hại có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. 2. Lý do chọn đề tài Hiện nay, ở Trà Vinh tình trạng rác thải chai lọ thủy tinh trong ngành y tế là rất lớn . Qua khảo sát hàng năm thải ra lượng chai lọ thủy tinh khoảng từ 184 đến 355 tấn chai lọ thủy tinh, hiện nay công tác quản lý chất thải tại hầu hết các bệnh viện chưa thực hiện triệt để từ khâu thu gom, phân loại, vận chuyển, xử lý chủ yếu là hóa rắn, tái chế một phần và chôn lấp an toàn, và chỉ 10% lượng rác thải này được xử lý triệt để. Vì thế, các chất thải y tế nguy hại phát sinh từ các hoạt động của bệnh viện đã và đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng gây ảnh trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và xã hội. Trên cơ sở phân tích tình hình và thực trạng ở địa bàn tỉnh Trà Vinh nhằm tiết kiệm kinh phí tiêu hủy bảo đảm môi trường bền vững và tận dụng phế thải từ chai lọ thủy tinh rác thải trong ngành y tế. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu “Sử dụng cốt liệu thủy tinh hạt nhỏ để chế tạo bê tông thủy tinh” là cần thiết góp phần để xử lý lượng chất thải rắn trong y tế tại địa phương và tạo ra một sản phẩm xây dựng có khả năng ứng dụng vào thực tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng cốt liệu thủy tinh hạt nhỏ (chai lọ y tế ) để chế tạo bê tông. - Phạm vi nghiên cứu: Tận dụng chai lọ thủy tinh ( rác thải y tế ) thu gom làm sạch, sau đó nghiền nhỏ kích cỡ hạt 0.5 mm thay tỉ lệ 30%, 50%, 100% đá dăm được đúc mẫu và thí nghiệm nén 03,07,14, 28 ngày, từ đó so sánh cường độ chịu nén của bê tông thủy tinh với bê tông đá dăm thông thường. 2 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lí thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dựa trên các tài liệu tham khảo có liên quan để tính toán phục vụ cho việc chế tạo bê tông thủy tinh. Nghiên cứu thực nghiệm: + Nghiên cứu tỉ lệ trộn mẫu 15x15x15 (cm) thay tỉ lệ 30,50,100% đá dăm được đúc, bảo dưỡng và thí nghiệm trong phòng. + Thu thập số liệu Xác định cường độ chịu nén của bê tông thuỷ tinh so với bê tông đá dăm thông thường 5. Bố cục luận văn Nội dung luận văn được trình bày gồm có 3 chương: Chương 1 : Tổng quan về thủy tinh và định hướng phát triển bê tông thủy tinh trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2 : Cơ sở lý thuyết phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông thủy tinh. Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm so sánh khả năng chịu nén của bê tông thủy tinh so với bê tông đá tự nhiên. 3 1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THỦY TINH VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN BÊ TÔNG THỦY TINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG THỦY TINH 1.1.1. Khái niệm cơ bản Bê tông thủy tinh là hỗn hợp gồm: vật liệu thủy tinh (hạt nhỏ), và các chất kết dính vô cơ như: xi măng, vôi silic, thạch cao,...,và nước cùng với những cốt liệu khác như cát được trộn theo một tỷ lệ thích hợp tạo thành một khối bê tông rắn chắc khi đông cứng. 1.1.2. Vật liệu thủy tinh và các tính chất cơ lý Thủy tinh là một dạng dung dịch rắn ở dạng vô định hình nhận được bằng cách làm nguội khối silicat nóng chảy. Quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh là một quá trình thuận nghịch. Đặc điểm trạng thái của thủy tinh là không có điểm chảy rõ nét, có độ đồng nhất và có tính đẳng hướng. 1.1.2.1. Phân loại thủy tinh Thành phần loại thông thường được dùng làm cửa kính, chai, lọ,... là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit, có thành phần gần đúng viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2Na2O.CaO.6SiO2. Thủy tinh loại này được sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, đá vôi và sođa ở 14000C. Thủy tinh không có cấu trúc tinh thể mà là chất vô định hình, nên không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Khi đun nóng nó mềm dần rồi mới chảy, do đó có thể tạo ra những đồ vật và dụng cụ có hình dạng như ý muốn. Thủy tinh phân làm 2 loại chính. Đó là thủy tinh vô cơ và thủy tinh hữu cơ. a. Thủy tinh vô cơ Được chia làm các loại cơ bản như sau: - Thủy tinh đơn nguyên tử: là loại thủy tinh có chứa một nguyên tố hóa học thuộc bảng 5, 6 trong bảng hệ thống tuần hoàn S, Se, P. Để có được thủy tinh, người ta làm lạnh nhanh các chất nóng chảy. - Thủy tinh oxit : là loại thủy tinh từ một loại oxit hoặc các oxit. Để xác định lớp thủy tinh nào đó chú ý đến lớp tạo thành thủy tinh: B2O2 ; SiO2 ; GeO2 ;... - Thủy tinh halogen: hai halogen có khả năng tạo thủy tinh là BeF2 ; ZnCl2 ;... Trên cơ sở đó tạo nên nhiều loại thủy tinh. - Thủy tinh hancon : là loại thủy tinh làm từ các hợp chất của S, Se, Te. 4 - Thủy tinh hỗn hợp : đi từ hỗn hợp các chất có khả nẵng tạo tủy tinh như Oxit- halogen, Oxit – hancon, Halogen – Khancon. - Thủy tinh kim loại : là một hệ hơn 2 cấu tử. Trong đó một cấu tử điển hình : Fe Pb, … còn cấu tử kia là nguyên tố chiếm vị trí trung gian giữa kim loại và chất điện môi (Si, P). b. Thủy tinh hữu cơ Là một loại nhựa tổng hợp thủy tinh. Nó bao gồm các hợp chất phân tử hữu cơ mà không tuân theo bất kì nguyên tắc bố trí nào nên nó có cấu trúc vô định hình. 1.1.2.2. Tính chất cơ lý của thủy tinh a. Độ cứng của thuỷ tinh Thủy tinh khác nhau có độ bền nén, kéo, uốn khác nhau và dao động trong một khoảng khá rộng. Độ bền nén dao động từ 3000-12000 kG/cm2. Độ bền kéo và uốn xấp xỉ nhau vì 2 dạng này có liên quan chặt chẽ nhau, thường nhỏ hơn bền nén khoảng 10-15 lần. Độ chịu va đập của thủy tinh biểu hiện một tính chất rất đặc trưng của nó là tính giòn và được đo bằng công cần thiết để phá hủy 1 đơn vị mẫu thử. Độ cứng của thủy tinh dao động từ 5-7 theo thang Mohs và thủy tinh thạch anh là thủy tinh có độ cứng lớn nhất, mềm nhất là thủy tinh giàu PbO. Các tính chất cơ học này của thủy tinh phụ thuộc mạnh vào trạng thái bề mặt của mẫu thử, hình dạng mẫu, kích thước mẫu, nhiệt độ thí nghiệm và tốc độ tăng tải trọng khi thử. Nói chung độ bền cơ học của thủy tinh theo các nhà nghiên cứu khác nhau thường không giống nhau. b. Tính chất nhiệt của thuỷ tinh Thủy tinh là loại vật liệu dẫn nhiệt rất kém, đây là một trong những nguyên nhân gây ra ứng suất phá hủy thủy tinh khi đốt nóng hay làm lạnh đột ngột. Thành phần hóa ảnh hưởng rất ít đến độ dẫn nhiệt. Phần lớn thủy tinh có độ dẫn nhiệt trong khoảng 0,0017 - 0,0032Cal/cm.s.oC ở nhiệt độ thường. Thủy tinh thạch anh có độ dẫn nhiệt tốt nhất, khi thêm các ôxyt khác vào độ dẫn nhiệt sẽ giảm. Ngược với độ dẫn nhiệt, tỉ nhiệt của thủy tinh phụ thuộc vào thành phần hóa và vào nhiệt độ. Trong phạm vi nhiệt độ thường thủy tinh có tỉ nhiệt vào khoảng 0,08 - 0,25Cal/g.oC. Thông thường độ chịu nhiệt được xác định bằng hiệu số nhiệt độ làm lạnh đột ngột mà thủy tinh không bị phá hủy. Để đặc trưng cho độ chịu nhiệt của thủy tinh cũng có thể dùng hệ số K xác định bằng biểu thức: 5 K p   .E cd (0.1) Trong đó: p cường độ chịu kéo của thủy tinh ; α hệ số giãn nở nhiệt ; E môđun đàn hồi; d mật độ ; c tỉ nhiệt. Chiều dày của sản phẩm thủy tinh có ảnh hưởng đến độ chịu nhiệt của nó. Chiều dày càng lớn độ chịu nhiệt càng giảm và sản phẩm càng lớn độ bền nhiệt càng kém. Yếu tố quyết định độ bền nhiệt của thủy tinh là hệ số giãn nở nhiệt. c. Các tính chất khác Thủy tinh có rất nhiều tính chất cơ lý khác nhau. Phụ thuộc vào môi trường sử dụng đặc thù mà người ta có thể thay đổi tính chất chủa nó cho phù hợp: Chịu nhiệt: một số loại thủy tinh được tạo ra từ các chất như cát silic và oxit boric khi nung ở nhiệt độ cao. Thủy tinh loại này có thể chịu được nhiệt độ cao khoảng 500 -1000oC tùy theo vật liệu chế tạo nên nó. Không thấm: Phân lớn thủy tinh đều ngăn cách với chất lỏng hay không cho chất lỏng xuyên qua do đặc tính liên kết cao và dày của các nguyên tử cấu thành. Sử dụng thích hợp để chứa chất lỏng. Chịu lực: Giống như một số vật liệu chịu lực khác. Nếu thêm các chất phụ gia hay được chế tạo đặc biệt thì thủy tinh có khả năng chịu lực rất tốt. Mỗi nguyên vật liệu tạo nên thủy tinh cho nó một khả năng chịu lực riêng, có thể lên đến 900- 1000kg/m2. Chống ăn mòn: Khả năng nầy được ứng dụng tốt trong y tế. Đa phần được sử dụng làm vật chứa các dung môi đặc biệt là dung môi có tính ăn mòn cao như axit, bazơ,.. dễ bay hơi như chât khử khuẩn, cồn,… Cách âm: Thủy tinh còn có khả năng cách âm nhờ vào cấu tạo đặc biệt khi sản xuất. Đó là tạo nên nhiêu lỗ rỗng trong lòng thỷ tinh và được tổng hợp bởi các hợp chất đặc biệt như sét, xỉ,… Nhưng loại thủy tinh này lại không có khả năng chịu lực cao. Tính dẻo: Nếu thay đổi cấu trúc các phân tử cấu thành nên thủy tinh bằng các phân tử mang tính đàn hồi thì thủy tinh lại có khả năng mới; khả năng uốn dẻo. Tính chất này kết hợp với tính chịu lực sẽ tạo nên loại vật liệu chông va đập cực cao. Ứng dụng trong chế tạo các bộ phận bảo vệ. Khả năng tái chế: Đa phần các loại thủy tinh đều có khả năng tái chế được nếu nung nóng đến khi nóng chảy. Sau đó lại được dùng tái chế thành sản phẩm khác, việc này giúp bảo vệ môi trường rất lớn vì thủy ting không phân hủy trong môi trường tự nhiên. 6 1.1.2.3 Tính chất hóa lý của thủy tinh Có tính đẳng hướng, có thể nóng chảy và đông rắn thuận nghịch. Vật thể ở trạng thái thủy tinh có năng lượng dự trữ cao hơn trạng thái tinh thể. Khi bị đốt nóng nó không có điểm nóng chảy như vật thể kết tinh mà mềm dần chuyển từ trạng thái giòn sang dẻo có độ nhớt cao và chuyển sang trạng thái lỏng. Sự biến thiên liên tục của độ nhớt có thể cho ta thấy quá trình đóng rắn không có sự tạo thành pha mới. Ngoài độ nhớt còn có nhiều tính chất khác cũng thay đổi liên tục Thủy tinh có thay đổi tính chất tùy theo việc lựa chọn tạp chất và hàm lượng pha. Truyền sáng : ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, hồng ngoại và UV. Nhiệt độ nóng chảy là một chất rắn vô định hình, thủy tinh không có điểm chảy nhất định. Tính dẫn điện: ở nhiệt độ thấp thủy tinh không dẫn điện và được sử dụng làm vật liệu cách điện, ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mềm thủy tinh trở thành dẫn điện. 1.1.2.4. Cấu trúc của vật liệu thủy tinh Thủy tinh là một hệ lỏng phức tạp ở trạng thái quá lạnh, việc nghiên cứu cấu trúc của thủy tinh luôn được gắn liền với những thuyết hiện đại về cấu trúc của chất lỏng. Theo những phát hiện mới trạng thái lỏng được xem là có cấu trúc gần trạng thái rắn hơn là trạng thái khí . Ví dụ như sự biến đổi từ rắn sang lỏng nhỏ hơn từ lỏng sang khí, tỷ nhiệt nguyên tử của chất lỏng ở nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ tỉ nhiệt nguyên tử của chất rắn...Đặc biệt là những nghiên cứu về cấu trúc bằng phương pháp rơnghen đã cho thấy sự giống nhau giữa trạng thái cấu trúc của vật thể lỏng và vật thể rắn. Trên cơ sở đó người ta đi đến các giả thuyết về cấu trúc của trạng thái lỏng hoặc xem chất lỏng như tổ hợp của một số lớn các tinh thể rất bé bị biến dạng hoặc xem chất lỏng có cấu trúc mạng lưới liên tục không hoàn chỉnh. Về mặt cấu trúc cũng giống như các tinh thể, trong thủy tinh các nguyên tử cũng được sắp xếp để tạo thành mạng không gian 3 chiều nhưng không đối xứng không tuần hoàn. Do sự hỗn loạn đó mà nội năng của thủy tinh lớn hơn nội năng của tinh thể, nhưng không lớn lắm, vì nếu không như vậy quá trình kết tinh sẽ xảy ra ngay. Cũng do sự sắp xếp không trật tự ấy nên các liên kết A – O 7 trong thủy tinh không lớn như nhau như trong tinh thể. Khi đốt nóng thủy tinh các liên kết có độ bền khác nhau cần năng lượng bẻ gãy khác nhau, liên kết nào yếu bị bẻ gãy trước sau đó mới đến liên kết mạnh. Vì vậy thủy tinh mềm dần rồi mới chảy lỏng chứ không giảm độ nhớt đột ngột như trong tinh thể. 7 1.1.2.5. Ứng dụng của vật liệu thủy tinh Thủy tinh được sử dụng rộng rãi trong vật dụng hàng ngày. Việc phát minh ra bóng đèn đã bắt đầu sự phát triển mạnh mẽ của ngành kĩ thuật điện chân không ngoài bóng đèn còn có các loại đèn trang trí, màn hình tivi, máy vi tính. Công nghệ thủy tinh phát triển đảm bảo cung cấp các chi tiết quang học phức tạp loại thủy tinh đặc biệt có độ bền axit, độ bền kiềm cao phục vụ cho các ngành công nghiệp hóa. Trong nhiều trường hợp thủy tinh thay thế cho kim loại màu nó được sử dụng trong ngành xây như : sản xuất những tấm panel, sợi thủy tinh kết hợp với chất dẻo hữu cơ tạo ra thủy tinh thép, thủy tinh thép thay thế gỗ, kim loại đen, kim loại màu. Sợi thủy tinh sử dụng làm sợi cáp quang được dệt làm vải chịu lửa. Bông thủy tinh làm vật liệu cách nhiệt cách âm rất tốt... giải quyết phần nào hình thức bên ngoài của các công trình xây dựng giúp cho sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật. Hình 1.1. Tấm panel thủy tinh Hình 1.3. Sợi thủy tinh Hình 1.2. Vải chịu lửa từ thủy tinh Hình 1.4. Lưới thủy tinh 1.2. ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN BÊ TÔNG THỦY TINH Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.2.1. Hiện trạng: Trong quá trình phát triển kinh tế xã hội của đất nước, các sản phẩm vật liệu xây dựng ở trong nước và trên thế giới ngày càng được sử dụng rộng rãi. 8 Nhu cầu về vật liệu như: gạch, gốm, sứ,...ở thị trường trong nước vẫn đang phát triển song đòi hỏi cao về chất lượng và sự đa dạng về mẩu mã. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật hiện nay các sản phẩm từ thủy tinh đã đáp ứng phần lớn nhu cầu xây dựng trong nước và đã xuất khẩu ra thị trường thế giới. Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2017 của của Tổng cục Hải quan, xuất khẩu thủy tinh và các sản phẩm từ thủy tinh sang các thị trường trong 2 tháng đầu năm tăng trưởng 14,8% so với 2 tháng đầu năm 2016; trong đó riêng tháng 2/2017 kim ngạch đạt 73,2 triệu USD, tăng 9% so với tháng đầu năm 2017. Trong số 10 thị trường chủ yếu tiêu thụ thủy tinh và sản phẩm từ thủy tinh của Việt Nam, thì có 4 thị trường lớn đạt kim ngạch trên 10 triệu USD trong 2 tháng đầu năm, gồm có: Singapore, Malaysia, Nhật Bản và Trung Quốc. 1.2.2. Hướng phát triển Xây dựng ngành công nghiệp thủy tinh ở Việt Nam trở ngành một ngành kinh tế quan trọng có nhiều sản phẩm chất lượng cao, đa dạng về chủng loại, mẫu mã; có khả năng cạnh tranh trên thị trường, đáp ứng nhu cầu đa dạng của xã hội và xuất khẩu, đồng bộ từ sản xuất nguyên liệu đến thành phẩm; nâng dần tỷ trọng sử dụng nguyên liệu trong nước. Trong đó vụn thủy tinh sinh hoạt và công nghiệp có các tính chất cơ lý cao, dễ kiếm nhưng chưa được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông. Điển hình tại CHLB Nga, hàng năm có khoảng 35-40 triệu tấn phế thải rắn sinh hoạt được thải ra, trong đó khối lượng phế thải được tái sử dụng chỉ đạt khoảng 3-4%. Lượng thủy tinh vụn có trong các bãi chứa phế thải rắn sinh hoạt lên tới 2-6 triệu tấn trung bình mỗi năm. So với nhu cầu tiêu thụ cốt liệu hàng năm thì con số đó chưa lớn (nếu tính đến hiệu quả về mặt khối lượng cốt liệu đá tự nhiên có thể được thay thế bằng vụn thủy tinh); nhưng khi sử dụng vụn thủy tinh để thay thế cốt liệu đá tự nhiên, cần phải tính đến hiệu quả kinh tế (có thể giảm đến 30-50% vốn đầu tư) không chỉ nhờ tận dụng phế thải rắn làm cốt liệu mà còn là khả năng giảm lượng đã thiên nhiên bị khai thác và giảm tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng. Tương tự vậy, các vật liệu khác có chứa thủy tinh như: vật liệu sợi thủy tinh và bông khoáng, vải thủy tinh, thủy tinh bọt cũng có thể được sử dụng hiệu quả làm cốt liệu hoặc vật liệu gia cường trong các loại hỗn hợp với xi măng. Nhằm thoả mãn nhu cầu trong nước và tham gia thị trường thế giới trong giai đoạn tới hướng phát triển sử dụng vật liệu thuỷ tinh trong xây dựng. - Về công nghệ: Loại bỏ công nghệ lạc hậu trong sản xuất vật liệu xây dựng và các công trình xây dựng.. 9 - Về sản phẩm: Tiếp tục đầu tư nghiên cứu để đa dạng hoá các sản phẩm được sản xuất từ thủy tinh như: tấm panel cách nhiệt cách âm, tấm lát nền , gạch block thủy tinh, chậu rửa thuỷ tinh, thủy tinh thép, sợi thủy tinh... 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Ngày nay thủy tinh là một trong những vật liệu quan trọng nhất nó không còn là vật liệu chỉ được sử dụng trong sản xuất đồ dùng gia đình mà nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: quang học, xây dựng . Đối với các ứng dụng này, thủy tinh thường được sử dụng vì sức bền và hệ số giãn nở nhiệt thấp, tạo cho nó sự chống lại tốt hơn đối với các yếu tố môi trường và phần lớn đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt ngày nay nói chung và trong lĩnh vực xây dựng nói riêng. Với xu hướng phát triển xanh, bền vững, tránh cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên, việc sản xuất và sử dụng vật liệu xây dựng thủy tinh từ các nguồn phế thải y tê và công nghiệp ngày càng được quan tâm. Vật liệu thủy tinh không chỉ được sử dụng trong xây dựng, nó còn được sử dụng như loại vật liệu không thể thay thế được trong các ngành khác như: chế tạo chi tiết máy, y tế, tên lửa, hàng không, vũ trụ, hóa chất, điện và điện tử, … 10 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG THỦY TINH 2.1. MỤC ĐÍCH XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG THỦY TINH Khi nói đến cường độ bê tông là nói đến khả năng chịu nén của mẫu bê tông thủy tinh. Theo tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam (TCVN 7570:2006)mẫu dùng để đo cường độ chịu nén là một mẫu bê tông hình lập phương có kích thước 150×150× 150mm được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn quy định trong TCVN 7570:2006 , trong thời gian 03,07,14,28 ngày khi bê tông ninh kết sau đó sẽ được đưa vào máy nén để đo ứng suất nén phá hủy mẫu. Qua đó so sánh cường độ chịu nén của bê tông thủy tinh với bê tông đá dăm thông thường, đơn vị tính bằng MPa (N/mm²) hoặc daN/cm² (kG/cm²). Trong kết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều tác động khác nhau: chịu nén, uốn, kéo, trượt, trong đó chịu nén là ưu thế lớn nhất của bê tông. Do đó, lấy cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng để đánh giá chất lượng bê tông gọi là mác bê tông. Mác bê tông được phân loại từ 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 và 600. Khi nói rằng mác bê tông 200 chính là nói tới ứng suất nén phá hủy của mẫu bê tông kích thước tiêu chuẩn, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, được nén ở tuổi 28 ngày, đạt 200 kG/cm². Còn cường độ chịu nén tính toán của bê tông mác 200 chỉ là 90 kG/cm² (được lấy để tính toán thiết kế kết cấu bê tông theo trạng thái giới hạn thứ nhất). Ngày nay, người ta có thể chế tạo bê tông có cường độ rất cao từ 1000 – 2000 kg/cm². Ở các quốc gia khác nhau quy định kích thước mẫu có thể khác nhau. Theo tiêu chuẩn Mỹ, mẫu bê tông hình trụ tròn đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm (thí nghiệm nén dọc trục). Để các tiêu chuẩn được tương đương cần có hệ số quy đổi. 2.2. CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG Cường độ là chỉ tiêu quan trọng, là một đặc trưng cơ bản thể hiện khả năng chịu lực của bê tông. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Để xác định cường độ của bê tông người ta đi thí nghiệm mẫu. Thí nghiệm phá hoại là phương pháp xác định cường độ một cách trực tiếp và phổ biến nhất. Ngoài ra còn có thể dùng các phương pháp gián tiếp không phá hoại mẫu thử như: dùng sóng siêu âm, ép lõm viên bi trên bề mặt bê tông. 11 2.2.1. Cường độ chịu nén Trong kết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều tác động khác nhau: chịu nén, uốn, kéo, trượt, trong đó chịu nén là ưu thế lớn nhất của bê tông. Do đó, người ta thường lấy cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng để đánh giá chất lượng bê tông. Theo tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam (TCVN 3105:1993, TCVN 4453:1995), mẫu dùng để đo cường độ là một mẫu bê tông hình lập phương có kích thước 150 mm × 150 mm × 150 mm, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn quy định trong TCVN 3105:1993, trong thời gian 28 ngày sau khi bê tông ninh kết. Sau đó được đưa vào máy nén để đo ứng suất nén phá hủy mẫu (qua đó xác định được cường độ chịu nén của bê tông), đơn vị tính bằng MPa (N/mm²) hoặc daN/cm² (kg/cm²). Hình 2.1. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén Với khối trụ tròn thường có diện tích đáy A = 200 cm2; chiều cao h = 2D = 320 mm. Khi khoan mẫu từ kết cấu có sẵn thường lấy mẫu trụ tròn có đường kính D = 50 ÷ 150 mm; chiều cao h = (1÷1,5)D. Thí nghiệm bằng máy nén. Tăng lực nén từ từ cho đến khi mẫu bị phá hoại. Gọi lực phá hoại là P thì cường độ của mẫu là R được xác định như sau: P (0.2) A A – diện tích tiết diện ngang của mẫu. Đơn vị tính của R thường dùng là MPa (Meega Pascan) hoặc kG/cm2 1MPa = 106 Pa = 106 N/m2= N/mm2= 9,81 kG/cm2. Bê tông thông thường có R = 5 ÷ 30 MPa. Bê tông có R > 40MPa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R ≥ 80MPa. Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng của lực, bê tông còn bị nở ngang. Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của nó. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn máy nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở R