Nghiên cứu tận dụng rác thải nhựa gia công bê tông làm vật liệu xây dựng

Nội dung text: Nghiên cứu tận dụng rác thải nhựa gia công bê tông làm vật liệu xây dựng

1. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 DOI:10.22144/jvn.2017.006 NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG RÁC THẢI NHỰA GIA CÔNG BÊ TÔNG LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG Nguyễn Võ Châu Ngân1, Hồ Trung Hiếu1, Nguyễn Thanh Hậu1 và Ngô Văn Ánh2 1Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ 2Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ ABSTRACT Thông tin chung: Ngày nhận: 16/07/2016 In modern society, production and usage of plastic become popular; Ngày chấp nhận: 28/04/2017 however, this creates a huge of plastic waste, which seriously causes damage to the environment. This study aims to test applicability of plastic Title: waste to produce concrete to help reduce the flow of plastic waste into Study on reuse of plastic dump. The mixed concrete samples were prepared with cement, sand, waste to produce light water and plastic for testing of compressive strength, in which the plastic concrete as construction was applied as a replacement material for sand. The testing results show material that optimum ratio for replacement plastic to sand was 5 - 30%. At this range, the testing concrete received good compressive strength compared Từ khóa: to the control sample. Beside that, the cost for preparing the plastic to Cấp phối bê tông, cường độ concrete production was high. Therefore, it is necessary to improve the chịu nén, rác thải nhựa preparation step to reduce the cost. TÓM TẮT Keywords: Compressive strength, mixed Trong xã hội phát triển hiện đại, sản xuất và tiêu dùng bao bì nhựa đã trở concrete, plastic waste nên phổ biến trong đời sống hàng ngày của con người, tuy nhiên cũng tạo ra lượng nhựa thải lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nghiên cứu này nhằm tận dụng lượng rác thải nhựa để sản xuất bê tông làm vật liệu xây dựng, hạn chế lượng nhựa thải đem đi chôn lấp. Các mẫu cấp phối bê tông với nguyên liệu xi măng, cát, nước và nhựa được chuẩn bị để thử nghiệm, trong đó thành phần nhựa được đưa vào để thay thế cho thành phần cát. Kết quả kiểm tra các mẫu cấp phối bê tông thử nghiệm đã xác định được tỷ lệ nhựa thay thế cát tối ưu trong khoảng từ 5 - 30% nhựa. Tỷ lệ này sẽ giúp tăng mà không ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu bê tông. Tuy nhiên, quá trình gia công nhựa tốn chi phí sẽ làm tăng giá thành sản phẩm, vì vậy cần nghiên cứu thêm những phương pháp giúp giảm chi phí gia công mẫu. Trích dẫn: Nguyễn Võ Châu Ngân, Hồ Trung Hiếu, Nguyễn Thanh Hậu và Ngô Văn Ánh, 2017. Nghiên cứu tận dụng rác thải nhựa gia công bê tông làm vật liệu xây dựng. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. 49a: 41-46. Bao gói thực phẩm bằng lá cây, giấy đã được thay 1 GIỚI THIỆU thế bằng plastic. Trong công nghiệp và xây dựng, Ở nước ta, các sản phẩm chất dẻo bắt đầu thâm vật liệu plastic cũng chiếm thị phần trong nhiều nhập vào cuộc sống dân cư từ những năm 60. Một lĩnh vực như cấp thoát nước, trang trí (Trần Hiếu số vật dụng gia đình trước đây chế tạo từ tre, nứa, Nhuệ và ctv., 2001). Theo Nguyễn Danh Sơn sợi tự nhiên lần lượt được thay thế bằng nhựa. (2012), trung bình một người Việt Nam trong một 41
2. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 năm sử dụng ít nhất 30 kg các sản phẩm có nguồn Hương, 2016); xử lý CTR bằng công nghệ seraphin gốc từ nhựa. Vật liệu plastic đã góp phần nâng cao (Trần Thị Hường, 2009). Các biện pháp xử lý và mức độ văn minh của cuộc sống nhưng cũng đặt ra tái chế này đã đem lại kết quả khả quan về mặt không ít rắc rối liên quan đến công tác bảo vệ môi kinh tế và môi trường, nhưng vẫn chưa xử lý hoàn trường (Trần Hiếu Nhuệ và ctv., 2001). toàn lượng plastic đã thải ra môi trường. Một số nghiên cứu về chất thải rắn (CTR) ở Để có thêm phương pháp khả thi và hiệu quả để những khu vực đô thị ở ĐBSCL cho thấy thành tận dụng nguồn phế thải nhựa, chúng tôi tiến hành phần nhựa chiếm từ 3,16 - 13,63% tổng lượng chất “Nghiên cứu tận dụng rác thải nhựa gia công bê thải rắn (Lê Hoàng Việt và ctv., 2011; trích từ tông làm vật liệu xây dựng” nhằm tạo ra vật liệu INVENT, 2009); hoặc chiếm đến 77% lượng chất xây dựng mới thân thiện với môi trường và góp thải có thể tái chế ở thành phố Cần Thơ (Nguyễn phần giảm thiểu lượng plastic đưa ra môi trường. Võ Châu Ngân và ctv., 2014). Để xây dựng một xã 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU hội sử dụng tiết kiệm nguồn tài nguyên plastic và thân thiện với môi trường, cần thực hiện những 2.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng từ biện pháp hiệu quả trong việc quản lý và xử lý rác thải lượng plastic thải ra môi trường. Tại Việt Nam đã Quy trình thực hiện nghiên cứu được tiến hành có nhiều công trình nghiên cứu tái chế và xử lý theo sơ đồ như Hình 1. Dựa vào những kết quả thí lượng plastic thải bỏ như chế tạo vật liệu bao che nghiệm, đề xuất ứng dụng vật liệu mới này vào các từ rác thải nhựa (Viện Vật liệu Xây dựng, 2003); công trình thực tế. xử lý CTR bằng công nghệ MBT-CD.08 (Trần Chuẩn bị Thí nghiệm xác Xác định cấp nguyên liệu định tính chất của phối của mẫu Đúc mẫu (ép, cắt nhựa) cát, nhựa thử Kiểm tra các Bảo dưỡng thông số của mẫu Hình 1: Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 2.2 Phương pháp thực nghiệm Tiếp theo nhựa được xử lý nhiệt bằng cách 2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu nhựa dùng bàn ủi ép (đặt miếng nhựa ở giữa 2 miếng tole mỏng sau đó đặt bàn ủi lên) đến kích thước Lượng nhựa một phần được thu gom từ các đồng nhất (2 - 3 mm), tiếp đến cắt những mẫu nhựa thùng rác ở Ký túc xá khu A - Đại học Cần Thơ, này đến kích thước ~ 3 × 3 × 3 mm. Trong nghiên một phần được mua từ những vựa bán đồ phế thải. cứu này, mẫu nhựa được cắt đến kích thước nhỏ và Lượng nhựa thu gom về được rửa sạch các chất đồng nhất giúp phân bố nhựa đều hơn vào mẫu cấp bẩn, sau đó được phơi khô. phối. Hình 2: Quá trình ép mẫu nhựa Hình 3: Mẫu nhựa sau khi ép 42
3. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 2.2.2 Xác định cấp phối cho mẫu thí nghiệm Theo Bộ Xây dựng (2007), cường độ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, Trong nghiên cứu này, nhựa đóng vai trò cốt cấu trúc, phương pháp thí nghiệm, môi trường, liệu thay thế cho cát trong hỗn hợp cấp phối. Do hình dáng, kích thước mẫu. Do đó, để so sánh khả chưa có nghiên cứu tương tự nào được tiến hành, năng chịu lực của vật liệu cần phải tiến hành thí việc xác định thành phần cấp phối được đề nghị nghiệm trong cùng điều kiện. dựa vào định mức cấp phối vật liệu cho vữa bê Cấp phối 1: thí nghiệm với cấp phối này tông. được tiến hành nhằm theo dõi sự thay đổi của Nguyên liệu: cường độ khi thêm thành phần nhựa vào mẫu thử 3 (Bảng 1). Nhựa có khối lượng riêng nhựa = 1,02 g/cm Cấp phối 2: thí nghiệm này nhằm khảo sát Xi măng PCB40 có khối lượng riêng x = 3,10 g/cm3 sự biến thiên của cường độ khi tăng lượng xi măng lên. Trong cấp phối này các thành phần cát, nước, Cát vàng chọn lựa phù hợp với TCVN nhựa vẫn giống cấp phối 1, riêng lượng xi măng 7570:2006 - Cốt liệu cho bê tông và vữa- Yêu cầu được tăng lên 10% (Bảng 2). 3 kỹ thuật, cát có khối lượng riêng c = 2,67 g/cm Bảng 1: Thành phần vật liệu cấp phối 1 với tỷ lệ nhựa thay đổi trong 1 m3 bê tông Cát Xi măng Nhựa Tổng khối STT Nước (kg) (kg) (kg) (kg) (%) lượng (kg) 1 1.422,0 500 0,0 0 260,00 2204,02 2 1.369,9 500 30,9 5 260,00 2160,80 3 1.297,8 500 61,8 10 255,83 2115,43 4 1.225,7 500 92,7 15 251,67 2070,07 5 1.153,6 500 123,6 20 247,50 2024,70 6 1.081,5 500 154,5 25 243,33 1979,33 7 1.009,4 500 185,4 30 239,17 1933,97 8 937,3 500 216,3 35 235,00 1888,60 9 865,2 500 247,2 40 230,83 1843,23 10 793,1 500 278,1 45 226,67 1797,87 11 721,0 500 309,0 50 222,50 1752,50 Bảng 2: Thành phần vật liệu cấp phối 2 với tỷ lệ nhựa thay đổi trong 1 m3 bê tông Cát Xi măng Nhựa Tổng khối STT Nước (kg) (kg) (kg) (kg) (%) lượng (kg) 1 1.430,40 550 0,0 0 260,00 2.255,02 2 1.369,90 550 30,9 5 260,00 2.210,80 3 1.297,80 550 61,8 10 255,83 2.165,43 4 1.225,70 550 92,7 15 251,67 2.120,07 5 1.153,60 550 123,6 20 247,50 2.074,70 6 1.081,50 550 154,5 25 243,33 2.029,33 7 1.009,40 550 185,4 30 239,17 1.983,97 8 937,30 550 216,3 35 235,00 1.938,60 9 865,20 550 247,2 40 230,83 1.893,23 10 793,10 550 278,1 45 226,67 1.847,87 11 648,90 550 339,9 55 218,33 1.757,13 12 504,70 550 401,7 65 210,00 1.666,40 13 360,50 550 463,5 75 201,67 1.575,67 14 216,30 550 525,3 85 193,33 1.484,93 2.2.3 Đúc và bảo dưỡng mẫu cấp phối Do thành phần nhựa không hút nước nên lượng nước trong thành phần cấp phối sẽ giảm xuống Mẫu cấp phối thí nghiệm được đúc dạng khối khoảng 2% khi tăng khối lượng nhựa lên 5%. lập phương với cạnh 7,07 cm. Quy trình đúc mẫu tiến hành như sau: 43
4. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 Các thành phần nhựa, xi măng, cát, nước sẽ 2.2.4 Xác định cường độ chịu nén của mẫu được cân chính xác bằng cân điện tử (sai số 0,01 g) Sau 28 ngày bảo dưỡng, lấy mẫu ra lau khô và theo cấp phối được tính. đo cường độ chịu nén của mẫu tại PTN Vật liệu Các nguyên liệu sẽ được trộn lẫn với nhau. Xây dựng - Trung tâm Kiểm định và Tư vấn Xây Đổ hỗn hợp đã trộn vào khuôn đúc mẫu chia dựng - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần làm 3 lớp, mỗi lớp đầm 25 cái đến lớp cuối cùng Thơ. Phương pháp đo cường độ chịu nén của mẫu làm phẳng mặt. tuân theo hướng dẫn của TCVN 3121:2003. Quy trình bảo dưỡng mẫu: 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau khi đúc mẫu xong đặt vào chỗ mát giữ 3.1 Kết quả kiểm tra mẫu cấp phối 1 ẩm ít nhất 24 giờ mới tháo khuôn. Biến thiên cường độ chịu nén của mẫu cấp phối Ngâm mẫu vào trong nước để bảo dưỡng 1 theo tỷ lệ lượng nhựa thêm vào được trình bày trong vòng 28 ngày (việc ngâm mẫu để giữ mẫu ở trong Hình 4. nhiệt độ 27 ± 20C và độ ẩm không dưới 90%). 25 ) 20 MPa 15 10 5 Cường độ chịu nén ( độ chịu nén Cường 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tỷ lệ nhựa (%) Hình 4: Biến động cường độ chịu nén của mẫu theo % nhựa ở cấp phối 1 30% thành phần nhựa vẫn tham gia vai trò chịu lực Từ biểu đồ có thể thấy sự biến động của cường giúp gia tăng cường độ chịu nén. độ chịu nén theo % nhựa thêm vào được chia làm 3 giai đoạn: Giai đoạn từ 30 - 50% nhựa: Khi tăng tỷ lệ nhựa từ 30 - 50% thì cường độ giảm đến mức thấp Giai đoạn từ 0 - 10% nhựa: Khi tăng tỷ lệ hơn so với mẫu đối chứng. Nếu cường độ chịu nén nhựa lên thì cường độ chịu nén của mẫu cũng tăng quá thấp đồng nghĩa với khả năng chịu lực cũng rất dần, nếu mẫu đối chứng (0% nhựa) có cường độ thấp, điều này sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng chịu nén là 19,9 MPa thì mẫu 10% nhựa có cường của vật liệu. độ chịu nén là 22,2 MPa. Ở tỷ lệ 5 - 10% thành phần nhựa đóng vai trò chịu lực giúp gia tăng 3.2 Kết quả kiểm tra mẫu cấp phối 2 cường độ chịu nén của mẫu. Hình 5 biểu diễn biến động cường độ chịu nén Giai đoạn từ 10 - 30% nhựa: Trong giai của mẫu theo % nhựa ở cấp phối 2. Kết quả cho đoạn này cường độ chịu nén của mẫu giảm dần đến thấy sự biến động theo cường độ ở cấp phối 2 có mẫu 30% nhựa (có cường độ thấp nhất là 20,1 chiều hướng giống cấp phối 1. Sự biến động của MPa). Mặc dù giảm xuống nhưng so sánh với mẫu cường độ không theo chiều hướng xác định nhưng đối chứng 0% nhựa thì cường độ chịu nén từ mẫu có thể chia làm 2 giai đoạn: 10 - 30% nhựa vẫn cao hơn. Vì thế, ở mẫu 10 - 44
5. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 30 ) 25 MPa 20 15 10 5 Cường độ chịu nén ( độ chịu nén Cường 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 55 65 75 85 Tỷ lệ nhựa (%) Hình 5: Biến động cường độ chịu nén của mẫu theo % nhựa ở cấp phối 2 Giai đoạn từ 0 - 10% nhựa: trong giai đoạn Không nên áp dụng tỷ lệ > 30% nhựa thêm này cường độ chịu nén biến thiên theo chiều hướng vào vì sẽ làm giảm cường độ, không tạo được khả tăng dần, so với mẫu đối chứng 0% nhựa có cường năng kết dính cao trong bê tông. độ 21 Mpa, khi thêm vào 5% nhựa cường độ của Cả hai kết quả nén mẫu ở cấp phối 1 và cấp mẫu là 24,5 MPa (tăng 16,8%) và cường độ đạt phối 2 đều ghi nhận tỷ lệ nhựa thêm vào 30% vẫn 25,3 MPa khi thêm vào 10% nhựa (tăng 19,8%). cho cường độ bê tông đạt yêu cầu, khi đó lượng Như vậy, khi thêm vào mẫu thử từ 5 - 10% cường nhựa thêm vào khoảng 185,4 kg/m3 bê tông. độ của mẫu tăng lên do nhựa tham gia vào thành phần chịu lực giúp gia tăng cường độ nén của mẫu 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT bê tông. Nghiên cứu đã đề xuất giải pháp xử lý nhựa Giai đoạn từ 10 - 85% nhựa: trong giai đoạn thành hạt vật liệu để đưa vào cấp phối bê tông và này cường độ nén của mẫu có xu hướng giảm dần xác định được lượng nhựa tối ưu đưa vào nhiều khi tăng tỷ lệ nhựa. Tuy nhiên, so sánh với mẫu đối nhất mà sản phẩm bê tông vẫn đạt chất lượng về chứng 0%, từ mẫu 10 - 30% cường độ vẫn nằm cường độ chịu nén theo quy chuẩn Việt Nam. Kết trong khoảng phù hợp (cao hơn hoặc bằng mẫu đối quả thử nghiệm cho thấy khi thay thế cốt liệu cát chứng). Như vậy, ở khoảng 10 - 30%, thành phần bằng vật liệu nhựa với tỷ lệ 5 - 30%, mẫu bê tông nhựa vẫn đóng vai trò chịu lực và không ảnh đạt yêu cầu sử dụng cho các công trình xây dựng. hưởng đến cường độ của mẫu. Ở mẫu có 30 - 85% Như vậy, rác thải nhựa có thể tận dụng để chế tạo nhựa cường độ mẫu giảm và thấp hơn so với mẫu vật liệu xây dựng mới phù hợp theo định hướng đối chứng, do ở tỷ lệ này nhựa không tham gia vào của quốc gia về phát triển vật liệu thân thiện với thành phần chịu lực của hỗn hợp bê tông. môi trường, đồng thời giảm thiểu lượng nhựa đưa vào dòng thải tránh gây ô nhiễm môi trường. Dựa vào kết quả đo đạc của các mẫu cấp phối cho thấy: Tuy nhiên, để áp dụng kết quả này vào thực tế So sánh với mẫu đối chứng 0% nhựa, mẫu cần tiếp tục nghiên cứu các quy trình gia công mẫu được thêm nhựa vào có ưu điểm là khối lượng thể nhựa để giảm chi phí gia công mẫu, đồng thời, cần tích nhỏ hơn do thành phần nhựa có khối lượng đánh giá thêm khả năng chịu nhiệt và chịu lửa của 3 bê tông. riêng (nylon = 1,02 g/cm) nhỏ hơn khối lượng 3 riêng của cát (cát = 2,67 g/cm ). Vì vậy, khi thay TÀI LIỆU THAM KHẢO thế lượng cát bằng nhựa khối lượng thể tích của mẫu sẽ giảm xuống. Bộ Xây dựng (2007). Giáo trình Vật liệu Xây dựng. NXB Xây dựng Hà Nội. Tr 147–150. Khi tăng lượng nhựa lên 5% thì khối lượng Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn mẫu bê tông sẽ giảm 2%. Nếu áp dụng tỷ lệ 30% Xuân Hoàng, Nguyễn Phúc Thanh (2011). Quản nhựa thì khối lượng của mẫu thử sẽ giảm 12% so lý tổng hợp chất thải rắn - cách tiếp cận mới cho với mẫu đối chứng. 45
6. Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trườ ng Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 41-46 công tác bảo vệ môi trường. Tạp chí Khoa học Bộ Khoa học và Công nghệ (2006). TCVN 7570:2006. Trường Đại học Cần Thơ (20a) 39–50. Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. Nguyễn Danh Sơn (2012). Thực trạng sử dụng, quản Trần Hiếu Nhuệ, Ứng Quốc Dũng, Nguyễn Thị Kim lý chất thải túi nhựa ở Việt Nam và định hướng Thái (2001). Quản lý chất thải rắn, tập 1: Chất thải giải pháp từ góc độ kinh tế. Tham khảo từ trang rắn đô thị. NXB Xây dựng Hà Nội. Tr 92–116. web Trần Hương (2016). Công nghệ biến rác thải thành Nghien-cuu-MT/Thuc-trang-su-dung-quan-ly- năng lượng xanh. Tham khảo từ trang web chat-thai-tui-nilon-o-Viet-Nam-va-dinh-huong- giai-phap-tu-goc-do-kinh-te.aspx, ngày m== MBT-CD.08 Công-nghệ-biến-rác-thải- 27/6/2016. thành-năng-lượng-xanh-39280, ngày 29/6/2016. Nguyễn Võ Châu Ngân, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Trần Thị Hường (2009). Phương pháp lựa chọn công Xuân Hoàng, Vũ Thành Trung (2014). Tính toán nghệ xử lý chất thải rắn thích hợp. Báo cáo Hội phát thải mê-tan từ rác thải sinh hoạt khu vực nội thảo “Công nghệ xử lý chất thải đô thị và khu ô thành phố Cần Thơ. Tạp chí Khoa học Trường công nghiệp”. Hà Nội. Đại học Cần Thơ (31) 99–105. Viện Vật liệu Xây dựng (2003). Báo cáo tổng kết Bộ Khoa học và Công nghệ (2003). TCVN nhiệm vụ công nghệ thu gom, vận chuyển, xử lý 3121:2003. Vữa xây dựng - Phương pháp thử. rác thải nilon và chất thải hữu cơ. Bộ Xây dựng. 46