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

1. Lý do chọn đề tài

Trong lĩnh vực xây dựng hiện nay, bê tông vẫn được 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, lượng chất thải rắn (trong đó có thủy tinh dùng trong y tế) hằng năm rất lớn và có chiều hướng tăng nhanh: năm 2008 (28 triệu tấn); năm 2015 (41 triệu tấn); dự báo năm 2020 (68 triệu tấn). Trong khi đó hiện nay phương pháp xử lý chất thải phổ biến là chôn lấp hoặc đốt, không những gây ô nhiễm rất lớn cho môi trường 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 lượng 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 được 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 đưa ra các nhận xét và kiến nghị.

3. Đối tượng 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.

5. Phương pháp nghiên cứu

– Phương 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 cường độ, khả năng dẫn nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh, từ đó đưa 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 trường, bảo vệ sức khỏe con người 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 Chương và phần Kết luận và kiến nghị

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

2. Mục tiêu nghiên cứu

3. Đối tượng nghiên cứu

4. Phạm vi nghiên cứu

5. Phương pháp nghiên cứu

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ THỦY TINH

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÊ TÔNG

Bê tông là một loại đá nhân tạo được được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính. Vật liệu rời được gọi là cốt liệu, gồm các cỡ hạt khác nhau, loại bé có kích thước từ 1-5mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước 5-40 mm hoặc lớn hơn. Chất kết dính thường là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác.

1.1.1. Cấu trúc bê tông

Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thước 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 nước thừa và những lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi).

1.1.2. Nhân tố quyết định cường độ bê tông

1.1.3. Sự tăng cường độ theo thời gian

1.1.4. Bê tông cốt thép

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

1.1.5.2. Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn

1.1.5.3. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

1.1.5.4. Từ biến

1.1.5.5. Biến dạng nhiệt

1.2. GIỚI THIỆU VỀ THỦY TINH

Thủy tinh là một chất rắn vô định hình, đồng nhất, có gốc silicat, thường được 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 được 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 dương và trong lòng đất, những dụng cụ chai lọ ở gia đình, bệnh viện, những đèn lung linh các loại.

Những ưu điểm chính của thủy tinh:

– Tính trong suốt: Đây là ưu điểm lớn nhất mà nhiều loại vật liệu khác không có được. Mặt khác người ta có thể khá đơn giản làm mờ hoặc tạo màu để làm thay đổi độ trong suốt của thủy tinh.

– Tính tráng gương: Thủy tinh phảng quang ánh sáng rất tốt, nếu như nó nếu như nó được 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 như ở nước nào cũng có cát thạch anh, một trong những thành phần chính để sản xuất thủy tinh vô cơ, chỉ khác nhau về trữ lượng và độ tinh khiết. Cát được nấu chảy với một số nguyên liệu khác rồi tùy ta tạo hình sản phẩm.

– Một tính chất rất quan trọng là tính cho phép thu hồi sử dụng phế thải. Khả năng này của thủy tinh vô cơ không thua kém vật liệu hữu cơ. Thủy tinh là loại vật liệu vĩnh cữu, không bị mốc, mối mọt, dễ rửa sạch , mãi mãi như mới trước sự phá hoại của môi trường.

1.3. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH

1.3.1. Thành phần hóa học

Trạng thái thủy tinh bao gồm một tập hợp lớn các hợp chất vô cơ, từ các nguyên tố riêng biệt đến các hệ đa cấu tử phức tạp. Thủy tinh là sản phẩm nhân tạo có thể chứa trong mình hầu hết tất cả các nguyên tố của bảng hệ thống tuần hoàn.

Thành phần của thủy tinh được biểu thị ở dạng tổng các ôxýt cấu tạo nên chúng. Các ôxyt khi nấu chảy và sẽ làm nguội tạo thành thủy tinh gọi là thành phần thủy tinh. Thủy tinh silicat là loại thủy tinh công nghiệp phổ biến nhất: thủy tinh xây dựng, thủy tinh kiến trúc, thủy tinh đánh bóng, chai, lọ. Các yêu cầu đối với thành phần và tính chất của các loại thủy tinh khác nhau, chúng phụ thuộc vào lĩnh vực sử dụng, công dụng, phương pháp sản xuất.

1.3.2. Các tính chất

1.3.2.1. Tỷ trọng của thủy tinh

1.3.2.2. Mô đun đàn hồi (E)

1.3.2.3. Độ bền nén, kéo, uốn

1.3.2.5. Nhiệt dung riêng

1.3.2.6. Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của thủy tinh được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt λ. Hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt trong một đơn vị thời gian đi qua hai bề mặt đối diện nhau của 1cm³ thủy tinh khi hiệu nhiệt độ giữa các bề mặt là 1ºC.

λ= 0,71-1,34 w/m ºC. Do thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt bé nên khi đốt nóng và làm nguội cần thận trọng do gradient nhiệt độ giữa tâm và bề mặt chúng lớn. Thủy tinh tấm có hệ số dẫn nhiệt ở trong khoảng 0-100 ºC là 0,87-0,93w/m. ºC. Các oxyt tạo thành thủy tinh có thể sắp xếp trong dãy theo mức độ giảm ảnh hưởng của chúng đến độ dẫn nhiệt:

Mg>Na₂O>CaO>Al₂O₃>SiO₂

1.3.2.7. Hệ số dãn nở nhiệt

1.3.2.8 Độ bền nhiệt

1.4. PHÂN LOẠI THỦY TINH

1.4.1. Thủy tinh hữu cơ

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 kỳ nguyên tắc bố trí định kỳ và do đó nó có cấu trúc vô định hình.

Thủy tinh hữu cơ không bị vỡ vụn khi va chạm và bền với nhiệt. Ngoài ra chúng cũng bền với nước, axit, bazơ, xăng, ancol nhưng bị hòa tan trong benzen.

1.4.2. Thủy tinh vô cơ

Thủy tinh là những vật thể vô định hình, có thể thu nhận được bằng cách nấu chảy, không phụ thuộc vào thành phần hóa học và vùng nhiệt độ đóng rắn, có đặc trưng bằng sự tăng các tính chất cơ học của vật thể rắn khi tăng khi tăng từ từ độ nhớt; quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang thủy tinh là quá trình thuận nghịch.

1.4.2.1. Thủy tinh đơn nguyên tử

Là loại thủy tinh có chứa một loại nguyên tố hóa học thuộc nhóm 5,6 trong bảng hệ thống tuần hoàn hóa học. Để có được thủy tinh người ta làm lạnh nhanh các chất nóng chảy.

1.4.2.2. Thủy tinh oxit

Là loại thủy tinh được tạo thành từ một loại oxit hay nhiều oxit. Khi xác định loại chú ý tới bản chất của ôxyt tạo thành thủy tinh có trong thành phần thủy tinh với vai trò là thành phần chính.

1.4.2.3. Halogen thủy tinh

Hai halogen có khả năng tạo thủy tinh là BeF₂, ZnCl₂. Trên cơ sở BeF₂ tạo được nhiều loại thủy tinh Fluorit.

1.4.2.4. Chancogenhit thủy tinh

Chancogenhit thủy tinh là loại thủy tinh được tạo thành từ sunfit, selenit, tellurit. Chất tạo thành thủy tinh trong các hệ đó là lưu huỳnh, tellu, selen. Cùng kết hợp với chúng khi đưa vào thành phần của thủy tinh còn có phốt pho, silic, giecmani, antimon, bitmut, thiếc, bạc, chì, gali, inđi, tali, kẽm,…

Chancogenhit rất đa dạng theo thành phần. Tất cả chúng không trong suốt với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại trong suốt trong vùng phổ hồng ngoại rộng. Thủy tinh chancogenhit dễ dàng tạo thành tinh thể. Do vậy để đưa chất nóng chảy sang trạng thái thủy tinh cần làm nguội nhanh (từ 1-200 độ/giây).

1.4.2.5. Thủy tinh hỗn hợp

Thủy tinh hỗn hợp thu nhận được từ hỗn hợp các hợp chất tạo thành thủy tinh: ôxyt và halogen, ôxyt và chancogen, chancogen và halogen.

Trong các loại halogen có ý nghĩa thực tế là thành phần flo và các halogen khác. Các ôxyt dễ dàng kết hợp với halogen để thu được thủy tinh halogen ôxyt từ hệ NaR-Na₂O-ZnO-B₂O₃-P₂O_5­.

1.5. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ TRONG BÊ TÔNG

1.5.1. Ưu điểm

– Tận dụng được nguồn rác thải y tế.

– Hạn chế ô nhiễm môi trường.

1.5.2. Nhược điểm

– Chiều dày thủy tinh tương đối nhỏ nền hàm lượng thoi dẹt tương đối lớn.

– Các dung dịch trong chai thủy tinh cũng như các nhãn mác trên chai thủy tinh nếu không được xử lý kỹ cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bê tông.

– Khi vỡ vụn thủy tinh rất sắc nhọn vì vậy nên chú ý trong quá trình xử lý thủy tinh, đúc mẫu bê tông.

– Bề mặt của thủy tinh nhẵn nên độ bám dính thấp, dễ trượt lên

nhau gây ảnh hưởng đến cường độ của bê tông.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG THỦY TINHY TẾ THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

2.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG THỦY TINH Y TẾ

Hiện nay, lượng rác thải y tế (thủy tinh) ở nước ta khá lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng thủy tinh như một loại cốt liệu cho bê tông vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ để tận dụng và phát huy hết tính năng vốn có của chúng.

Việc tận dụng rác thải thủy tinh y tế để sản xuất bê tông sẽ làm giảm lượng thủy tinh đưa đến các bãi chôn lấp, cũng như hạn chế phát thải các chất nguy hại ra môi trường khi đốt.

2.2. CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG

2.2.1. Xi măng theo Tiêu chuẩn TCVN 6260-2009

2.2.2. Cát theo Tiêu chuẩn TCVN 7570-2006

2.2.2.1. Yêu cầu kỹ thuật

2.2.2.2. Phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát:

a. Khối lượng riêng, độ hút nước: Áp dụng theo TCVN 7572- 4 -2006.

b. Khối lượng thể tích xốp, độ hổng: Áp dụng theo TCVN 7572- 6 -2006.

2.2.3. Nước Áp dụng TCVN 4506 : 2012

2.2.4. Thủy tinh

2.3. CẤP PHỐI VẬT LIỆU, QUY TRÌNH LẤY MẪU, BẢO DƯỠNG BÊ TÔNG

2.3.1. Thành phần cấp phối bê tông được thiết kế dựa trên các cốt liệu đã được thí nghiệm

2.3.2. Quy trình lấy mẫu, bảo dưỡng bê tông được áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 3015-1993

2.3.2.1. Quy trình lấy mẫu

2.3.2.2. Đúc mẫu bê tông

2.3.2.3. Khuôn đúc mẫu

2.3.2.4. Đổ và đầm hỗn hợp bê tông trong khuôn

2.3.2.5. Bảo dưỡng mẫu bê tông

2.4. CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG

2.4.1. Khả năng chịu nén theo tiêu chuẩn TCVN 3118-1993

2.4.1.1. Chuẩn bị mẫu thử

Chuẩn bị mẫu thử nén theo nhóm mẫu, mỗi nhóm mẫu 3 viên. Kích thước mẫu 150x150x150 mm.

Kiểm tra và chọn hai mặt chịu nén của các viên mẫu thử sao cho: Khe hở lớn nhất giữa chúng với thành thước kẻ góc vuông khi đặt thành kia áp sát các mặt kề bên của mẫu lập phương không vượt quá 1mm trên 100mm tính từ điểm tì thước trên mặt kiểm tra. Không lấy mặt tạo bởi khuôn đúc và mặt hở để đúc mẫu làm hai mặt chịu nén.

2.4.1.2 Thiết bị thử

2.4.1.3. Tiến hành thử

2.4.2. Độ sụt

2.4.3. Hệ số dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phân tử và nguyên tử. Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được phát biểu: Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ theo phương ấy.

Hệ số dẫn nhiệt λ là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, λ càng lớn thì vật thể dẫn nhiệt càng tốt, giá trị của nó phụ thuộc vào các yếu tố: bản chất vật lý, nhiệt độ, áp suất, …

Hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào độ ẩm. Đối với vật liệu ẩm, hệ số dẫn nhiệt có giá trị lớn hơn vật liệu khô và nước. Đối với gạch khô λ=0,35 W/mđộ, đối với nước λ=0,6 W/mđộ, còn đối với gạch ẩm λ= 1 W/mđộ. Hiệu ứng này là do sự truyền nhiệt đối lưu xảy ra do sự chuyển động mao dẫn của nước trong vật liệu xốp.

2.4.3.1. Trường nhiệt độ

2.4.3.2. Gradient nhiệt độ

2.4.3.3. Định luật Fourier:

2.4.3.4. Thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt:

Theo định luật Fourier:

(2.27)

Nhiệt độ bề mặt nóng của thanh:

T_bnóng = T₃ – (ºC) (2.28)

Trong đó: T₂ – Phần đốt nóng có nhiệt độ trung bình (ºC)

T₃ – Phần đốt nóng có nhiệt độ thấp (ºC)

Nhiệt độ bề mặt lạnh của thanh:

T_blạnh = T₆ + (ºC) (2.29)

Trong đó: T₆: Phần làm lạnh có nhiệt độ cao (ºC)

T₇: Phần làm lạnh có nhiệt độ trung bình (ºC)

Biến thiên nhiệt độ của mẫu thí nghiệm:

∆Tt_gian = T_bnóng – T_blạnh (ºC) (2.30)

Khoảng cách giữa bề mặt nóng và bề mặt lạnh là:

∆x_tgian = 0,03m

Đường kính mẫu: D=0,06m

Diện tích mặt cắt ngang: A =3,14* (m²)

Điện áp U = 12 V, Cường độ dòng điện I = 1,24A, Dòng nhiệt Q = U.I

Hệ số dẫn nhiệt của phần trung gian:

(W/mºC) (2.31)

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1. CHUẨN BỊ MẪU THỬ VÀ CÁC LOẠI CỐT LIỆU

3.1.1. Xi măng

Xi măng sử dụng là xi măng Sông Gianh PCB 40.

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm xi măng

3.1.2. Cát

Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cát

Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm cát

3.1.3. Thủy tinh

Khối lượng thể tích xốp của thủy tinh: 1060 g/cm³.

3.2. THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CỦA BÊ TÔNG

Bảng 3.4 Cấp phối bê tông đá dăm

Bảng 3.5 Cấp phối bê tông thay thế 100% đá dăm

bằng thủy tinh

3.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU

3.3.1. Cường độ chịu nén

Bảng 3.6. Kết quả nén bê tông thủy tinh

(thủy tinh thay thế 100% đá dăm)

Hình 3.13. Biểu đồ phát triển cường độ của bê tông thủy tinh

Bảng 3.7. Kết quả nén bê tông đá dăm cấp độ bền B15(M200)

Hình 3.14. Biểu đồ phát triển cường độ của bê tông đá dăm

Bảng 3.8. So sánh kết quả cường độ chịu nén

Hình 3.15. Biểu đồ phát triển cường độ của bê tông thủy tinh

và bê tông đá dăm cấp độ bền B15(M200)

3.1.2. Hệ số dẫn nhiệt

Bảng 3.9. Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của bê tông

3.1.2.1. Một số hình ảnh thiết bị đo, mẫu đo

3.1.2.2. Hình ảnh kết quả đo

Hình 3.22. Hệ số dẫn nhiệt của các loại bê tông

3.4. NHẬN XÉT

Qua kết quả thí nghiệm thu được thì bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh trong thời gian 28 ngày tuổi cường phát triển nhanh, đạt 82,24% cường độ so với bê tông đá dăm cấp bền B15(M200). Hàm lượng thoi dẹt tương đối lớn của cốt liệu thủy tinh cùng với bề mặt của thủy tinh nhẵn nên độ bám dính thấp, dễ trượt lên nhau gây ảnh hưởng đến cường độ bê tông.

Hệ số dẫn nhiệt của bê tông thủy tinh nhỏ hơn so với bê tông thông thường (λ=1,1 Kcal/mhºC).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Việc sử dụng thủy tinh y tế trong thành phần cốt liệu của bê tông sẽ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng ở nước ta. Qua các kết quả nghiên cứu sử dụng thủy tinh y tế để chế tạo bê tông, đề tài rút ra được những kết luận sau:

1. Khi thay thế đá dăm (thay thế 100% đá dăm) trong thành phần cấp phối bằng thủy tinh, có thể chế tạo được bê tông có cường độ 170,15 daN/cm² (đạt 82,24% so với bê tông đá dăm cấp bền B15). Đối với những kết cấu bê tông không chịu lực lớn như đan mương, nền đường bê tông, … hay kết cấu bao che thì bê tông cốt liệu thủy tinh có thể được sử dụng.

2. Bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn bê tông thông thường. Do đó có thể sử dụng bê tông thủy tinh làm vật liệu cách nhiệt cho kết cấu bao che của một số công trình có yêu cầu cách nhiệt.

KIẾN NGHỊ

Qua quá trình nghiên cứu, đề tài có kiến nghị sau:

• Nghiên cứu thêm các tính chất về co ngót, khả năng chống

thấm, biến dạng của bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh và xác định khả năng bám dính bề mặt của thủy tinh trong thành phần cấp phối.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\LE VAN CANH