Tài liệu Nghiên cứu sử dụng thủy tinh y tế để sản xuất bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- LÊ VĂN CẢNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- LÊ VĂN CẢNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD và CN : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trƣơng Hoài Chính Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đà Nẵng, ngày.....tháng.....năm 2017 Ngƣời cam đoan Lê Văn Cảnh MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ THỦY TINH ................................ 3 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÊ TÔNG .....................................................................3 1.1.1. Cấu trúc bê tông ................................................................................................ 3 1.1.2. Nhân tố quyết định cƣờng độ bê tông .............................................................. 4 1.1.3. Sự tăng cƣờng độ theo thời gian ....................................................................... 5 1.1.4. Bê tông cốt thép ................................................................................................ 6 1.1.5. Biến dạng của bê tông ....................................................................................... 6 1.1.5.1. Biến dạng do co ngót .................................................................................. 6 1.1.5.2. Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn .................................................. 7 1.1.5.3. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo ........................................................... 8 1.1.5.4. Từ biến ........................................................................................................ 9 1.1.5.5. Biến dạng nhiệt ......................................................................................... 10 1.2. GIỚI THIỆU VỀ THỦY TINH ..............................................................................10 1.3. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH...................... 11 1.3.1. Thành phần hóa học ........................................................................................ 11 1.3.2. Các tính chất ................................................................................................... 11 1.3.2.1. Tỷ trọng của thủy tinh ............................................................................... 11 1.3.2.2. Mô đun đàn hồi (E) ................................................................................... 11 1.3.2.3. Độ bền nén, kéo, uốn ................................................................................ 12 1.3.2.4. Độ dòn ....................................................................................................... 12 1.3.2.5. Nhiệt dung riêng ....................................................................................... 12 1.3.2.6. Độ dẫn nhiệt .............................................................................................. 13 1.3.2.7. Hệ số dãn nở nhiệt .................................................................................... 13 1.3.2.8. Độ bền nhiệt .............................................................................................. 13 1.4. PHÂN LOẠI THỦY TINH .................................................................................... 14 1.4.1. Thủy tinh hữu cơ ............................................................................................. 14 1.4.2. Thủy tinh vô cơ ............................................................................................... 14 1.4.2.1. Thủy tinh đơn nguyên tử ........................................................................... 14 1.4.2.2. Thủy tinh oxit ............................................................................................ 14 1.4.2.3. Halogen thủy tinh ...................................................................................... 15 1.4.2.4. Chancogenhit thủy tinh ............................................................................. 15 1.4.2.5. Thủy tinh hỗn hợp ..................................................................................... 16 1.5. QUY TRÌNH XỬ LÝ RÁC THẢI THỦY TINH ..................................................17 1.6. ƢU – NHƢỢC ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ TRONG BÊ TÔNG ...................................................................................................................... 17 1.5.1. Ƣu điểm .......................................................................................................... 17 1.5.2. Nhƣợc điểm..................................................................................................... 17 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM .................................................................... 18 2.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ ............................ 18 2.2. CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG .............18 2.2.1. Xi măng theo Tiêu chuẩn TCVN 6260-2009 ................................................. 18 2.2.2. Cát theo Tiêu chuẩn TCVN 7570-2006 .......................................................... 19 2.2.2.1. Yêu cầu kỹ thuật ....................................................................................... 19 2.2.2.2. Phƣơng pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát:................... 21 a. Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc: Áp dụng theo TCVN 7572- 4 -2006. ............ 21 b. Khối lƣợng thể tích xốp, độ hổng: Áp dụng theo TCVN 7572- 6 -2006. ....... 23 c. Xác định thành phần hạt, môđun độ lớn: Áp dụng theo TCVN 7572- 2 2006. ............................................................................................................................. 24 d. Xác định hàm lƣợng bụi, bùi, sét: Áp dụng theo TCVN 7572-8:2006. .......... 26 2.2.3. Nƣớc Áp dụng TCVN 4506 : 2012................................................................. 26 2.2.4. Thủy tinh ......................................................................................................... 28 2.3. CẤP PHỐI VẬT LIỆU, QUY TRÌNH LẤY MẪU, BẢO DƢỠNG BÊ TÔNG ...29 2.3.1. Thành phần cấp phối bê tông đƣợc thiết kế dựa trên các cốt liệu đã đƣợc thí nghiệm ..................................................................................................................... 29 2.3.2. Quy trình lấy mẫu, bảo dƣỡng bê tông đƣợc áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 3015-1993 ......................................................................................................... 29 2.3.2.1. Quy trình lấy mẫu ..................................................................................... 29 2.3.2.2. Đúc mẫu bê tông ....................................................................................... 29 2.3.2.3. Khuôn đúc mẫu ......................................................................................... 30 2.3.2.4. Đổ và đầm hỗn hợp bê tông trong khuôn ................................................. 30 2.3.2.5. Bảo dƣỡng mẫu bê tông ............................................................................ 30 2.4. CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG ............................ 31 2.4.1. Khả năng chịu nén theo tiêu chuẩn TCVN 3118-1993................................... 31 2.4.1.1. Chuẩn bị mẫu thử ...................................................................................... 31 2.4.1.2. Thiết bị thử ................................................................................................ 31 2.4.1.3. Tiến hành thử ............................................................................................ 31 2.4.2. Độ sụt .............................................................................................................. 32 2.4.3. Hệ số dẫn nhiệt ............................................................................................... 32 2.4.3.1. Trƣờng nhiệt độ ........................................................................................ 33 2.4.3.2. Gradient nhiệt độ....................................................................................... 33 2.4.3.3. Định luật Fourier ....................................................................................... 34 2.4.3.4. Thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt ........................................................ 36 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 37 3.1. CHUẨN BỊ MẪU THỬ VÀ CÁC LOẠI CỐT LIỆU ...........................................37 3.1.1. Xi măng ........................................................................................................... 37 3.1.2. Cát ................................................................................................................... 37 3.1.3. Thủy tinh ......................................................................................................... 40 3.2. THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CỦA BÊ TÔNG ....................................................... 41 3.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ..................................45 3.3.1. Cƣờng độ chịu nén .......................................................................................... 45 3.1.2. Hệ số dẫn nhiệt ............................................................................................... 49 3.1.2.1. Một số hình ảnh thiết bị đo, mẫu đo ......................................................... 49 3.1.2.2. Hình ảnh kết quả đo .................................................................................. 50 3.4. NHẬN XÉT ............................................................................................................51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU σb Ứng suất của bê tông (daN/cm2) εb Biến dạng tỉ đối của bê tông  Hệ số đàn hồi C Suất từ biến α Hệ số dãn nỡ nhietj theo chiều dài λ Hệ số dẫn nhiệt (Kcal/mhºC) E Mô đun đàn hồi (MPa) R Cƣờng độ chịu nén của bê tông (daN/cm2) ρx Khối lƣợng thể tích xốp của cốt liệu (Kg/m3) vk Khối lƣợng thể tích của cốt liệu ở trạng thái khô (Kg/m3) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1. Bảng tham khảo υo, Co 10 1.2. Miền tạo thành thủy tinh trong các hệ silicat hai thành phần 15 2.1. Các chỉ tiêu chất lƣợng của xi măng Pooclăng hỗn hợp 19 2.2. Thành phần hạt của cát 20 2.3. Hàm lƣợng các tạp chất trong cát 20 2.4. Hàm lƣợng ion Cl- trong cát 21 2.5. Kích thƣớc thùng đong thí nghiệm 23 2.6. Kích thƣớc thùng đong thí nghiệm 24 2.7. 2.8. Hàm lƣợng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nƣớc trộn vữa Hàm lƣợng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nƣớc dùng để rửa cốt liệu và bảo 27 28 dƣỡng vữa 2.9. Thành phần hạt của cốt liệu lớn 29 3.1. Kết quả thí nghiệm xi măng 37 3.2. Kết quả thí nghiệm cát 37 3.3. Kết quả thí nghiệm cát 38 3.4. Cấp phối bê tông đá dăm 41 3.5. Cấp phối bê tông thay thế 100% đá dăm bằng thủy tinh 41 3.6. Kết quả nén bê tông thủy tinh (thủy tinh thay thế 100% đá dăm) 45 3.7. Kết quả nén bê tông đá dăm cấp độ bền B15(M200) 46 3.8. So sánh kết quả cƣờng độ chịu nén 47 3.9. Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của bê tông 49 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Đồ thị tăng cƣờng độ theo thời gian 5 1.2. Thí nghiệm và đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông 7 1.3. Thí nghiệm và biểu đồ thể hiện biến dạng đàn hồi – dẻo của bê tông 8 1.4. Đồ thị biểu diễn từ biến của bê tông 9 2.1. Các loại hình dáng của khối cốt liệu 22 2.2. Mô tả dụng cụ xác định thể tích cốt liệu 23 2.3. Thùng rửa cốt liệu 26 2.4. Thiết bị thử 31 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát 38 3.2. Xác định thành phần hạt của cát 39 3.3. Xác định khối lƣợng thể tích xốp của cát 39 3.4. Chuẩn bị cốt liệu thủy tinh 40 3.5. Xác định khối lƣợng thể tích xốp của thủy tinh 41 3.6. Thủy tinh sau khi đƣợc sàng 42 3.7. Chuẩn bị cốt liệu đổ bê tông 42 3.8. Quá trình trộn bê tông 43 3.9. Đo độ sụt của bê tông 43 3.10. Chuẩn bị khuôn đúc mẫu 44 3.11. Đúc mẫu bê tông 44 3.12. Bảo dƣỡng bê tông 44 3.13. Biểu đồ phát triển cƣờng độ của bê tông thủy tinh 45 3.14. Biểu đồ phát triển cƣờng độ của bê tông đá dăm 46 3.15. Biểu đồ phát triển cƣờng độ của bê tông thủy tinh và bê tông đá dăm cấp độ bền B15(M200) 47 3.16. Quá trình nén mẫu bê tông 48 3.17. Bê tông sau khi nén 48 3.18. Kết quả nén bê tông 48 3.19. Phần làm lạnh, phần đốt nóng 49 3.20. Thiết bị đo, mẫu đo 49 3.21. Thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của bê tông 50 3.22. Hệ số dẫn nhiệt của các loại bê tông 51 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG Học viên: Lê Văn Cảnh Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân Dụng và Công Nghiệp Khóa: 31 - Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trƣờng càng trở thành chủ đề nóng mà cả nhân loại quan tâm, gây ra sự nóng lên của trái đất, làm khí hậu toàn cầu thay đổi rõ rệt. Nghiên cứu sử dụng thủy tinh y tế để đƣa vào thành phần cốt liệu của bê tông với mục đích tận dụng nguồn rác thải thủy tinh y tế ngày càng tăng trong các đơn vị y tế để giúp giải quyết phần nào vấn đề rác thải y tế trong các đơn vị này. Đây là một trong những nguồn rác thải gây ô nhiễm rất lớn cho môi trƣờng khi đốt hay chôn lấp. Luận văn này nghiên cứu xác định các chỉ tiêu của bê tông sử dụng thủy tinh nhƣ: cƣờng độ chịu nén, hệ số dẫn nhiệt. Từ đó đƣa ra những đánh giá cụ thể về bê tông khi sử dụng thủy tinh y tế làm cốt liệu. Từ khóa – Bê tông, rác thải thủy tinh y tế, cƣờng độ chịu nén, hệ số dẫn nhiệt. THE RESEARCH OF USING MEDICAL GLASS TO PRODUCE CONCRETE Abstract - Today, environmental pollution is becoming a important subject that draws all the world attentions, causes global warming, makes the global climate change. The research of mixing medical glass with other component of concrete in the purposes of making use the medical glass resources available in medical facilities to help solve the problem of medical waste.This is one of the largest sources of garbage that causes huge pollution to the environment when burning or burial. This thesis determine the mechanical properties of concrete with medical glass as it aggregate such as compressive strength, thermal conductivity. This gives general assessments of quality of concrete when using medical glass as aggregates. Final give conclusions and recommendations for the step by step application of concrete with medical glass as its aggregates into real life. Keywords – Concrete; medical glass garbage; compressive strength; thermal conductivity. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong lĩnh vực xây dựng hiện nay, bê tông vẫn đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các kết cấu xây dựng do tính bền vững và hiệu quả. Qua tham khảo các nguồn tài liệu, tại Việt Nam, lƣợng chất thải rắn (trong đó có thủy tinh dùng trong y tế) hằng năm rất lớn và có chiều hƣớng tăng nhanh: năm 2008 (28 triệu tấn); năm 2015 (41 triệu tấn); dự báo năm 2020 (68 triệu tấn). Trong khi đó hiện nay phƣơng pháp xử lý chất thải phổ biến là chôn lấp hoặc đốt, không những gây ô nhiễm rất lớn cho môi trƣờng và còn làm giảm diện tích đất dùng để sử dụng cho nhiều mục đích khác. Vấn đề đặt ra, là nghiên cứu tận dụng nguồn rác thải y tế (chai lọ thủy tinh) làm cốt liệu thay thế để sản xuất bê tông góp phần giảm thiểu lƣợng rác thải đã quá tải cho các đơn vị y tế. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sử dụng thủy tinh y tế để sản xuất bê tông” cần đƣợc nghiên cứu để làm rõ vấn đề này. Hình 1. Rác thải thủy tinh y tế 2. Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng cốt liệu thủy tinh trong thành phần cấp phối bê tông từ đó xác định các đặc tính của nó sau đó đƣa ra các nhận xét và kiến nghị. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh y tế. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thành phần cấp phối (cốt liệu thủy tinh thay thế) để chế tạo vật liệu bê tông cốt liệu thủy tinh trong phòng thí nghiệm, từ đó xác định một số thông số đặc tính kỹ thuật. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp lí thuyết: Thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính chất cơ lý của vật liệu bê tông. - Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm. Đo đạc xử lý số liệu từ đó so sánh kết quả trên các mẫu thử. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu sử dụng thủy tinh y tế để thay thế đá dăm (thay thế 100%) trong thành phần cấp phối bê tông. Xác định các chỉ tiêu cƣờng độ, khả năng dẫn nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh, từ đó đƣa ra những kiến nghị sử dụng thủy tinh y tái chế vào thực tế. Tận dụng nguồn rác thải thủy tinh từ các cơ sở y tế sẽ không những góp phần rất lớn đến việc bảo vệ môi trƣờng, bảo vệ sức khỏe con ngƣời mà còn góp phần tiết kiệm quỹ đất cho chôn lấp thủy tinh. 7. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm phần Mở đầu, 03 Chƣơng và phần Kết luận và kiến nghị MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu 3. Đối tƣợng nghiên cứu 4. Phạm vi nghiên cứu 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ THỦY TINH 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÊ TÔNG [10] Bê tông là một loại đá nhân tạo đƣợc đƣợc chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính. Vật liệu rời đƣợc gọi là cốt liệu, gồm các cỡ hạt khác nhau, loại bé có kích thƣớc từ 1-5mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thƣớc 5-40 mm hoặc lớn hơn. Chất kết dính thƣờng là xi măng trộn với nƣớc hoặc các chất dẻo khác. Ngoài các thành phần chính nhƣ trên ngƣời ta còn có thể thêm các phụ gia để cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng nhƣ trong quá trình sử dụng. Phụ gia có nhiều loại khác nhau, có loại để nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông, có loại dùng để tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của xi măng, có loại để nâng cao cƣờng độ của bê tông trong thời gian đầu, có loại để tăng khả năng chống thấm … Nƣớc để trộn bê tông gồm 2 phần: Một phần để hóa hợp với xi măng, một phần nữa nhƣ là phụ gia làm cho hỗn hợp bê tông có đƣợc độ dẻo cần thiết lúc trộn, đổ khuôn, đầm chắc. Lƣợng nƣớc tham gia phản ứng hóa hợp chỉ chiểm khoảng một phần năm trọng lƣợng xi măng và là cần thiết. Lƣợng nƣớc thêm vào để trộn bê tông, về sau khi bê tông đã khô cứng, sẽ trở thành nƣớc thừa, một phần bốc hơi để lại các lỗ rỗng li ti trong cấu trúc của bê tông, làm giảm độ đặc chắc và cƣờng độ của nó. Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ xƣơng, cốt liệu nhỏ lắp đầy khoảng trống và dùng chất kết dính để liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng. 1.1.1. Cấu trúc bê tông Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thƣớc các hạt cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một ít nƣớc thừa và những lỗ rỗng li ti (do nƣớc thừa bốc hơi). Quá trình khô cứng của bê tông xảy ra lâu dài, đó là quá trình thủy hóa xi măng, quá trình thay đổi sự cân bằng nƣớc, sự giảm chất keo nhớt, sự tăng mạnh tinh thể của đá xi măng. Quá trình đó làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo, thể hiện ra ở đặc tính biến dạng khi chịu lực và chịu tác động nhiệt ẩm của môi trƣờng. Tùy theo thành phần và cấu trúc của bê tông mà ngƣời ta phân loại chúng thành nhiều cách khác nhau: - Theo cấu trúc có các loại: Bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng, bê tông tổ ong; - Theo khối lƣợng riêng phân thành: Bê tông nặng thông thƣờng có khối lƣợng riêng γ=2200-2500 kG/m3; bê tông nặng cốt liệu bé γ=1800-2200 kG/m3, bê tông nhẹ γ<1800kG/m3; bê tông đặc biệt nặng γ>2500 kG/m3; 4 - Theo thành phần có: Bê tông thông thƣờng, bê tông cốt liệu bé, bê tông chèn đá hộc. - Theo phạm vi sử dụng: Bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tông chịu nóng, bê tông cách nhiệt, bê tông chống xâm thực… 1.1.2. Nhân tố quyết định cƣờng độ bê tông Cƣờng độ bê tông lớn hay bé là do thành phần và công nghệ chế tạo quyết định. Khi thiết kế công trình ngƣời ta thƣờng phải dự kiến cƣờng độ cần thiết của bê tông (chọn mác hoặc cấp độ bền thiết kế), dùng cƣờng độ đó để đem vào trong tính toán. Khi thi công cần chọn thành phần, cấp phối vật liệu và biện pháp chế tạo để bê tông đạt cƣờng độ yêu cầu. Muốn biết bê tông có đạt hay không lại cần phải đúc mẫu thử để thí nghiệm. Các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tông: Chất lƣợng và số lƣợng xi măng: Thông thƣờng để chế tạo 1m3 bê tông cần dùng khoảng 250-500 kg xi măng. Với cƣờng độ bê tông đã dự kiến, khi dùng ximăng chất lƣợng cao hơn thì số lƣợng sẽ ít hơn. Trong một giới hạn nào đó khi tăng lƣợng xi măng cũng tăng cƣờng độ bê tông nhƣng nói chung hiệu quả không cao và thƣờng làm tăng biến dạng co ngót gây hậu quả xấu. Khi cần có bê tông cƣờng độ cao nên dùng xi măng mác cao với số lƣợng hợp lý. Độ cứng độ sạch và tỉ lệ thành phần của cốt liệu (cấp phối). Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo bê tông. Khi chọn đƣợc cấp phối hợp lý không những tăng đƣợc cƣờng độ bê tông mà còn sử dụng xi măng một cách tiết kiệm. Tỉ lệ nƣớc – xi măng: Đây là yếu tố ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ và tính chất biến dạng của bê tông. Khi tỉ lệ này tăng lên thì cƣờng độ và độ đặc chắc của bê tông đều bị giảm và biến dạng do co ngót tăng. Chất lƣợng của việc nhào trộn vữa bê tông, độ đầm chắc của bê tông khi đổ khuôn và điều kiện bảo dƣỡng. Các yếu tố này đều ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ bê tông. Các yếu tố nêu trên đều ảnh hƣởng đến cƣờng độ chịu nén và cƣờng độ chịu kéo của bê tông nhƣng mức độ có khác nhau, ví dụ tỉ lệ nƣớc – xi măng ảnh hƣởng rất lớn đến cƣờng độ chịu nén và có phần ít hơn đối với cƣờng độ chịu kéo, còn độ sạch của cốt liệu ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ chịu nén và rất lớn đến cƣờng độ chịu kéo, bê tông dùng đá dăm và sỏi có cƣờng độ chịu kéo gần nhƣ nhau nhƣng cƣờng độ chịu kéo của chúng khác nhau đến 20%... Bê tông đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhƣ làm cầu, đƣờng, nhà cửa, đập ngăn nƣớc…Ngày nay, bê tông có mặt khắp mọi nơi do những ƣu điểm không thể thay thế nhƣ: khả chịu lực rất lớn, giá thành rẻ, bền vững và sử dụng ổn định với thời tiết. 5 1.1.3. Sự tăng cƣờng độ theo thời gian R R28 28 t Hình 1.1. Đồ thị tăng cường độ theo thời gian Gọi tuổi của bê tông là thời gian t (tính bằng ngày) kể từ khi chế tạo đến khi thí nghiệm mẫu . Lúc mới nhào trộn và đổ vào khuôn (t=0) bê tông còn ở thể nhão, chƣa có cƣờng độ (R=0). Trong quá trình khô cứng, cƣờng độ tăng dần lên, thời gian đầu tăng nhanh, sau tăng chậm dần. Với bê tông dùng xi măng Póoclăng chế tạo và bảo dƣỡng bình thƣờng cƣờng độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu. Để biểu diễn sự tăng của R theo t có thể dùng một số công thức thực nghiệm sau đây. Công thức của B. G. Xkramtaep theo quy luật logarit, dùng đƣợc khi t=7-300 ngày. R = 0,7R28lgt. (1.1) Công thức của Viện nghiên cứu bê tông Mỹ ACI theo quy luật hyperbôn. R = R28 t a  bt (1.2) Hệ số a, b phụ thuộc vào loại xi măng. Thông thƣờng a = 4, b = 0,85. Với xi măng đông cứng nhanh a = 2,3; b = 0,92. Với cƣờng độ chịu kéo, sự tăng cƣờng độ theo thời gian có nhanh hơn so với cƣờng độ chịu nén. Trong môi trƣờng thuận lợi (nhiệt độ dƣơng, độ ẩm cao), sự tăng cƣờng độ có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cƣờng độ trong thời gian sau này không đáng kể. 6 Dùng hơi nƣớc nóng để bảo dƣỡng bê tông cũng nhƣ dùng phụ gia tăng cƣờng độ có thể làm cƣờng độ bê tông tăng rất nhanh trong thời gian vài ngày đầu nhƣng sẽ làm cho bê tông trở nên giòn hơn và có cƣờng độ cuối cùng (sau vài năm) thấp hơn so với bê tông đƣợc bảo dƣỡng trong điều kiện tự nhiên và không dùng phụ gia. 1.1.4. Bê tông cốt thép Trong quá trình phát triển ngƣời ta nhận thấy bê tông có khả năng nén lớn nhƣng khả năng chịu kéo rất kém và là loại vật liệu giòn. Trong khi đó cốt thép là loại vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt. Do vậy, ngƣời ta đã đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu, từ đó sản sinh ra bê tông cốt thép. Đầu thế kỷ XX ngƣời ta ngƣời ta bắt đầu xây dựng lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo phƣơng pháp ứng suất cho phép (phƣơng pháp cổ điển). Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở các công thức tính toán ứng suất của môn sức bền vật liệu. Giáo sƣ Loleit ngƣời Nga cùng với nhiều ngƣời khác đã nghiên cứu tính không đồng nhất và đẳng hƣớng, tính biến dạng và tính đàn hồi dẻo của bê tông và kiến nghị phƣơng pháp tính toán theo giai đoạn phá hoại (1939). Đến năm 1955 ở Liên Xô (cũ) đã bắt đầu tính toán theo phƣơng pháp mới hơn có tên gọi là phƣơng pháp tính theo trạng thái giới hạn. Phƣơng pháp đó ngày càng đƣợc hoàn thiện và đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới kể cả nƣớc ta sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Cho đến nay, kết cấu bê tông cốt thép đã chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành xây dựng cơ bản, đã đạt đƣợc những thành tựu đáng chú ý. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã đƣợc du nhập vào từ khoảng đầu thế kỷ XX để làm cầu, đập nƣớc, cống và nhà cửa dân dụng công nghiệp. Khu liên hợp gang thép Thái Nguyên. Nhà máy công cụ số 1 Hà Nội là những công trình lớn bằng bê tông cốt thép đầu tiên. 1.1.5. Biến dạng của bê tông Biến dạng của bê tông xảy ra khá phức tạp gồm biến dạng ban đầu do co ngót, biến dạng do tải trọng gây ra (biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo). Sự tăng biến dạng theo thời gian. 1.1.5.1. Biến dạng do co ngót Co ngót là hiện tƣợng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí. Hiện tƣợng co ngót liên quan đến quá trình thủy hóa xi măng, đến sự bốc hơi lƣợng nƣớc thừa khi bê tông khô cứng. Co ngót chủ yếu xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên của bê tông. Trong điều kiện bình thƣờng sau vài năm bê tông sẽ hết co và biến dạng tỉ đối do co ngót có thể đạt đến (3-5).10-4. Biến dạng bê tông đổ tại chỗ với độ sụt 12-18 cm có giá trị lớn hơn nhiều. 7 Sự co của mạng tinh thể xi măng bị cốt liệu cản trở gây ra ứng suất kéo ban đầu trong đá xi măng. Sự co không đều trong khối bê tông hoặc co ngót bị ngăn trở làm phát sinh ứng suất kéo và có thể làm bê tông bị nứt. Co ngót là hiện tƣợng có hại, trong thiết kế và thi công cần có biện pháp làm giảm co ngót hoặc giảm ảnh hƣởng của nó. Sau đây là vài nhân tố chính liên quan đến co ngót: - Trong môi trƣờng khô co ngót lớn hơn trong môi trƣờng ẩm ƣớt. - Độ co ngót tăng lên khi dùng nhiều xi măng, dùng xi măng hoạt tính cao, khi tăng tỉ lệ nƣớc – xi măng, khi dùng cốt liệu có độ rỗng, cát mịn, dùng chất phụ gia (trừ việc dùng phụ gia trƣơng nở). - Để giảm co ngót cần chọn thành phần thích hợp, hạn chế lƣợng nƣớc trộn, đầm chặt bê tông, giữ cho bê tông thƣờng xuyên ẩm trong giai đoạn đầu (dƣỡng hộ). Để khắc phục ảnh hƣởng xấu của co ngót cần dùng những biện pháp cấu tạo thích hợp, đặt cốt thép ở những nơi cần thiết, làm các khe co dãn trong kết cấu và tạo mạch ngừng thi công. Khi bê tông khô cứng trong nƣớc thể tích của nó tăng lên. Mức độ trƣơng nở của bê tông tối đa bằng khoảng (6-15).10-5. 1.1.5.2. Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn σ C Rlt P Æ ∆ Æ B σb A α0 εb  *b ε Hình 1.2. Thí nghiệm và đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông Làm thí nghiệm nén mẫu hình trụ có chiều dài l, diện tích tiết diện A. Tác dụng lên mẫu lực nén P, đo đƣợc độ co ngắn ∆. Tính đƣợc biến dạng tỉ đối  b  suất  b   với ứng l P . Với mỗi giá trị của P có đƣợc một cặp giá trị εb, σb và có đƣợc một điểm A B của đồ thị. Thay đổi (tăng dần) lực nén P có đƣợc đồ thị quan hệ giữa σb và εb. Kết quả cho thấy đồ thị là một đƣờng cong OBC. Điểm C ứng với lúc mẫu bị phá hoại, lúc 8 này σb = Rlt là cƣờng độ của mẫu thử hình trụ và εb đạt đến biến dạng cực hạn của bê tông là  b* . Với mẫu hình trụ nén đúng tâm  b* đạt giá trị trung bình khoảng 2x10-3. Trong các cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn, giá trị  b* ở mép chịu nén có thể đạt giá trị lớn hơn 3,5x10-3. 1.1.5.3. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo σ B ∆ P ∆2 ∆1 Æ A α 0 εpl D εel ε ε Hình 1.3. Thí nghiệm và biểu đồ thể hiện biến dạng đàn hồi – dẻo của bê tông Làm thí nghiệm với lực P có biến dạng ∆. Cắt bỏ lực P mẫu sẽ khôi phục biến dạng nhƣng không đạt đến kích thƣớc ban đầu mà còn bị hụt một lƣợng ∆2. Phần biến dạng hồi phục đƣợc ∆1 là biến dạng đàn hồi, phần ∆2 không hồi phục đƣợc là biến   dạng dẻo. Tƣơng ứng có biến dạng tỉ đối đàn hồi  el  1 và biến dạng dẻo  pl  2 . l l Nhƣ vậy bê tông là vật liệu đàn hồi – dẻo. Đồ thị quan hệ σ – ε khi tăng và giảm tải trọng thể hiện trên hình 1.4. Đƣờng OB ứng với quá trình tăng tải, BD – quá trình giảm tải.  b   el   pl (1.3) Đặt    el gọi là hệ số đàn hồi. b Khi σb còn bé biến dạng chủ yếu là đàn hồi, quan hệ σ – ε gần nhƣ đƣờng thẳng, hệ số ν gần bằng 1. Với ứng suất lớn biến dạng dẻo tăng lên, hệ số ν giảm dần. Ở giai đoạn phá hoại biến dạng dẻo chiếm phần lớn. 9 1.1.5.4. Từ biến ε εc σ B C C σb εb B 0 εb εc ε 0 t Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn từ biến của bê tông Từ biến là biến dạng tăng theo thời gian. Thí nghiệm nén mẫu với lực P có biến dạng ban đầu là ∆. Giữ cho lực P tác dụng trong thời gian lâu dài thì biến dạng còn tăng thêm một lƣợng ∆c. Kí hiệu   c và  el gọi là biến dạng từ biến, đƣợc thể hiện bằng đoạn BC Khi ứng suất σb tƣơng đối bé (chƣa vƣợt quá 0,7R) thì từ biến là có giới hạn, đƣờng cong BC ở Hình 1.4 có tiệm cận nằm ngang. Khi σb khá lớn (σb>0,85R) thì từ biến phát triển không ngừng và dẫn mẫu thử đến phá hoại. Đó là sự giảm cƣờng độ của bê tông khi tải trọng tác dụng lâu dài. Từ biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Có thể kể ra vài yếu tố cơ bản nhƣ sau: b là ứng suất tỉ đối. Khi r tăng thì εtb tăng. R - Tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu tải càng lớn (bê tông càng già) thì từ biến giảm. - Trong môi trƣờng ẩm ƣớt từ biến ít hơn trong môi trƣờng khô. - Trong thành phần bê tông khi tỉ lệ nƣớc – xi măng càng lớn và độ cứng cốt liệu bé thì từ biến tăng. Từ biến là hiện tƣợng phức tạp và đã có nhiều lý thuyết nghiên cứu. Có thể biểu diễn từ biến qua một trong hai chỉ tiêu: - Đặt r  - Đặc trƣng từ biến   - Suất từ biến C  c , không thứ nguyên  el c có đơn vị cm2/kG b 10 Cả hai chỉ tiêu υ và C đều tăng theo thời gian. Các lý thuyết về từ biến thƣờng quan tâm vào việc biểu diễn hàm của υ và C theo thời gian trên cơ sở các số liệu thí nghiệm. Khi thời gian υ và C đạt đến giới hạn υo và Co. Với bê tông nặng thông thƣờng υo = 1,8-3,5, suất từ biến Co có thể tham khảo bảng dƣới đây. Bảng 1.1. Bảng tham khảo φo, Co Tuổi của bê tông lúc chịu tải, ngày 7 14 28 60 Cox106 cm2/kG 15 12 9 6 Trên 90 5 1.1.5.5. Biến dạng nhiệt Đây là loại biến dạng thể tích khi nhiệt độ thay đổi, phụ thuộc vào hệ số nở vì nhiệt của bê tông αt. Hệ số này phụ thuộc vào loại xi măng, cốt liệu, trạng thái ẩm của bê tông và bằng khoảng (0,7-1,5) C  105 . Thông thƣờng khi nhiệt độ thay đổi trong đé khoảng 0-100oC lấy αt = 1x10-5 để tính toán. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ THỦY TINH [13] Thủy tinh là một chất rắn vô định hình, đồng nhất, có gốc silicat, thƣờng đƣợc pha trộn thêm các tạp chất để có tính chất theo ý muốn. Thủy tinh – một trong những loại vật liệu có lịch sử tồn tại hàng ngàn năm đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Những tấm thủy tinh trong suốt hoặc nhuộm màu của các tòa nhà cao tầng hay thấp tầng, nhà cung điện nguy nga trong đại dƣơng và trong lòng đất, những dụng cụ chai lọ ở gia đình, bệnh viện, những đèn lung linh các loại. Những ƣu điểm chính của thủy tinh: - Tính trong suốt: Đây là ƣu điểm lớn nhất mà nhiều loại vật liệu khác không có đƣợc. Mặt khác ngƣời ta có thể khá đơn giản làm mờ hoặc tạo màu để làm thay đổi độ trong suốt của thủy tinh. - Tính tráng gƣơng: Thủy tinh phản quang ánh sáng rất tốt, nếu nhƣ nó đƣợc tráng một lớp vật liệu đặc biệt. Tính chất này đã mở rộng phạm vi sử dụng của kính. - Nguồn nguyên liệu phong phú và tính tạo hình. Hầu nhƣ ở nƣớc nào cũng có cát thạch anh, một trong những thành phần chính để sản xuất thủy tinh vô cơ, chỉ khác nhau về trữ lƣợng và độ tinh khiết. Cát đƣợc nấu chảy với một số nguyên liệu khác rồi tùy ta tạo hình sản phẩm.