Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi tóc đến tính chất của bê tông xi măng

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng tái sử dụng sợi tóc người là một loại chất thải khó phân hủy có thể tận dụng làm vật liệu gia cường cho bê tông. Khi bổ sung sợi tóc vào bê tông với các tỷ lệ từ 0,25% đến 1% khối lượng xi măng, tính chất cơ học của bê tông được cải thiện rõ rệt: cường độ chịu kéo khi uốn tăng đáng kể, trong khi độ chịu nén đạt tối ưu ở tỷ lệ 0,25%. Kết quả cho thấy bê tông cốt sợi tóc không chỉ nâng cao chất lượng vật liệu mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành Xây dựng.

1. Giới thiệu

Ngày nay, phần lớn các công trình xây dựng đều được sử dụng từ các vật liệu bê tông thông thường, bê tông cường độ cao, bê tông tính năng cao... Tuy nhiên, bê tông nói riêng và các loại vật liệu gốc xi măng nói chung đều có đặc điểm chung là khả năng chịu nén tốt nhưng khả năng chịu kéo và khả năng biến dạng kém. Để khắc phục những hạn chế nêu trên của vật liệu này, trong những ứng dụng bê tông trên các kết cấu chịu lực, cốt thép dạng thanh (bao gồm cốt dọc và cốt đai) đã được sử dụng. Bên cạnh đó, trong vòng 50 năm trở lại đây, vật liệu cốt sợi không liên tục đã được sử dụng trong các kết cấu bê tông (bê tông cốt thép) nhằm mục đích tăng cường độ, tăng tính dẻo dai của chúng [1]. Bê tông cốt sợi là loại bê tông được kết hợp với các vật liệu dạng sợi như: sợi thép, sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi tổng hợp, sợi tựnhiên... để cải thiện đặc tính của bê tông, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về khả năng ổn định, chịu uốn chịu cắt, chống rạn nứt và khả năng chịu va đập cao [2]. Tuy nhiên, để sử dụng loại vật liệu này một cách bền vững thì các loại vật liệu cấu thành phải đáp ứng cả hai yêu cầu đó là: cải thiện những khuyết đi ểm của vật liệu bê tông và có sẵn trên thị trường địa phương với số lượng lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Một trong những vật liệu đáp ứng được yêu cầu này, đó là sợi tóc người [3]. Sợi tóc người có khả năng chịu kéo tốt nên có thể dùng như sợi trong bê tông cốt sợi để cải thiện khuyết điểm của bê tông. Mặc dù vậy, tóc người được coi là chất thải và là sản phẩm phụ ở hầu hết các nước và được vứt ra ngoài trời. Một vài nơi, tóc người được thu gom về để bừa bãi tại các bãi rác cho mục đích tự phân hủy, có nơi tiêu hủy tóc ngư ời bằng cách đốt tóc gây ô nhiễm môi trường do tạo ra khí độc. Do vậy, để bảo vệ môi trường khỏi sự ảnh hưởng của chất thải sợi tóc người bằng cách tận dụng nó và nghiên cứu ảnh hưởng của sợi tóc người trong bê tông xi măng, từ đó sử dụng sợi tóc người để cải thiện các khuyết điểm của vật liệu bê tông là một vấn đề mang tính cấp thiết cần phải được nghiên cứu làm rõ.

Xuất phát từ thực tế nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi tóc con người đến tính chất của bê tông xi măng” sẽ tiến hành phân tích, đánh giá ảnh hưởng của sợi tóc người đến đặc trưng cơ học kéo và nén của vật liệu bê tông xi măng thông qua việc thí nghiệm nén các mẫu bê tông sợi tóc hình lập phương và uốn các dầm bê tông sợi tóc với các hàm lượng sợi tóc khác nhau trong bê tông xi măng, từ đó đưa ra các khuyến cáo cho việc sử dụng sợi tóc trong bê tông xi măng để đạt được hiệu quả cao nhất góp phần bảo vệ môi trường tránh được những tác động tiêu cực của chất thải sợi tóc người.

2. Thành phần và tính chất của tóc [4]

Sợi tóc có cấu trúc hình trụ được tổ chức chặt chẽ, được tạo thành từ các tế bào keratin trơ, theo một thiết kế chính xác và được định sẵn. Xét về thành phần nguyên tố, trung bình, tóc bao gồm 20,85% oxy, 50,65% carbon, 17,14% nitơ, 5,0% lưu huỳnh và 6,36% hydro. Keratin mang lại cho tóc sự linh hoạt, độ bền và sức mạnh. Keratin trong lớp vỏ tóc (cortex) đóng vai trò quyết định đối với những đặc tính này, khi các chuỗi dài của nó được nén chặt để tạo thành một cấu trúc vừa đồng nhất, vừa bền vững và vừa linh hoạt. Các tính chất vật lý của tóc bao gồm độ đàn hồi, khả năng chống kéo giãn và khả năng hút ẩm. Độ bền chống đứt gãy phụ thuộc vào độ dày của sợi tóc và tình trạng của lớp vỏ tóc (cortex).Sợi tóc có tính đàn hồi và có thể chịu được lực kéo giãn đáng kể, dù ở trạng thái khô hay ướt. Khi khô, tóc có thể kéo dài từ 20 - 30% so với chiều dài ban đầu, nhưng khi tiếp xúc với nư ớc, con số này có thể tăng lên đến 50%.

3. Vật liệu sử dụng để tạo mẫu thí nghiệm

Các vật liệ u chính để chế tạo bê tông bao gồm: xi măng, cát, đá, nước, tóc. Đề tài sử dụng một số vật liệu có sẵn tại phòng LAS – XD 687.

3.1. Xi măng

Loại xi măng được sử dụng trong nghiên cứu là xi măng PCB 40 Phúc Sơn có giới hạn bền chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt 48,7 MPa. Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của xi măng được trình bày trong Bảng 1.

Nhận xét: Xi măng PCB40 Phúc Sơn đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2020 [5].

3.2. Cát

Loại cát sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ mỏ cát Vân Canh - Bình Định đưa về phòng thí nghiệm LAS-XD 687 để thí nghiệm. Cát thí nghiệm là cát hạt thô, kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của cát đư ợc trình bày trong Bảng 2.

Nhận xét: Cát dùng chế tạo bê tông có các chỉ tiêu cơ lý phù hợp TCVN 7570:2006 [6].

3.4. Nước

Nước sử dụng trong chế tạo bê tông là nước sinh hoạt sử dụng tại phòng LAS-XD 687. Nước để trộn và bảo dưỡng bê tông đạt tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 [7].

3.5. Tóc người

Trong phạm vi nghiên cứu, lượng tóc người sử dụng được tính theo thành phần phần trăm khối lượng xi măng trong một khối bê tông. Có 4 tỷ lệ tóc được khảo sát lần lượt là: 0%; 0,25%; 0,5% và 1%. Sợi tóc người được dùng để chế tạo mẫu với nhiều tỷ lệ chiều dài sợi trên đường kính sợi khác nhau như Hình 6.

4. Thiết kế thành phần bê tông cốt sợi tóc

Thành phần cấp phối bê tông có cấp độ bền B20, độ lưu động 8 - 10 cm được thiết kế theo phương pháp Bolomey - Skramtaev kết hợp với thực nghiệm. Kết quả tính toán cấp phối được trình bày ở Bảng 4. Để nghiên cứu ảnh hưởng của sợi tóc người đến tính chất của bê tông thì sợi tóc được thêm vào cấp phối bê tông trên theo tỷ lệ lần lượt là 0,2 5%; 0,5% và 1% khối lượng xi măng. Lượng vật liệu của một mẻ trộn bê tông để đúc 4 mẫu lập phương có kích thước (150x150x150) mm và 4 mẫu dầm có kích thước (150x150x600) mm tương ứng với các hàm lượng sợi tóc người được thêm vào theo tỷ lệ như trên được thể hiện trong Bảng 5 và Bảng 6. Với ký hiệu cấp phối bê tông: CST0, BST0 lần lượt là cấp phối bê tông đối chứng không có sợi tóc đối với mẫu chịu nén và mẫu chịu kéo khi uốn; CST: là mẫu dùng cho thí nghiệm chịu nén; BST: là mẫu dùng cho thí nghiệm chịu kéo khi uốn và HL0,25; HL0,5; HL1: lần lượt là hàm lượng sợi tóc 0,25%; 0,5% và 1%.

5. Chương trình thí nghiệm và nhận xét kết quả

5.1. Thí nghiệm kiểm tra độ lưu động (độ sụt) của bê tông

Mức độ dễ dàng trong việc trộn, đổ, đầm và hoàn thiện bề mặt bê tông mà không bị phân tầng hoặc tách nước được thể hiện thông qua độ lưu động của bê tông. Trộn các hỗn hợp bê tông với cấp phối đã thiết kế, tiến hành xác định độ sụt bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3106:2022 [8]. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Biểu đồ 3.

Nhận xét: Kết quả cho thấy khi sử dụng hàm lượng sợi tóc 0% thì cho độ sụt lớn nhất. Khi tỷ lệ hàm lượng sợi tóc tăng lên thì độ sụt giảm dần. Giá trị thấp nhất được ghi nhận ở hàm lượng sợi tóc 1%.

5.2. Thí nghiệm cường độ chịu nén

Trộn các hỗn hợp bê tông với cấp phối đã thiết kế như Bảng 5, tiến hành đúc các mẫu thí nghiệm có kích thước (150x150x150) mm và bảo dưỡng trong 28 ngày theo TCVN 3105:2022 [9]. Sau 28 ngày, thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3118:2022 [10]. như Hình7. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông sử dụng sợi tóc với các tỷ lệ khác nhau 0%;  0,25%; 0,5% và 1% được thể hiện Biểu đồ 4.

Nhận xét: Kết quả cho thấy khi sử dụng hàm lượng sợi tóc 0,25% và 0,5% thì cường độ chịu nén tăng lần lượt là 10,99% và 1,83% so với mẫu đối chứng và mức giảm cường độ chịu nén so với mẫu đối chứng là 6,01% khi hàm lượng sợi tóc 1,0%. Và thấy rằng cường độ chịu nén của bê tông  sẽ tăng tối đa khi hàm lượng sợi tóc người được thêm vào là 0,25% và bắt đầu giảm khi hàm lượng sợi tóc tăng lên.

5.3. Thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn

Tiến hành trộn các hỗn hợp bê tông với cấp phối đã thiết kế như Bảng 6, đúc các mẫu thí nghiệm có kích thước (150x150x600) mm và bảo dưỡng trong 28 ngày theo TCVN 3105:2022 [9]. Sau 28 ngày, thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3119:2022 [11]. như Hình 8. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông sử dụng sợi tóc với các tỷ lệ khác nhau 0%;  0,25%; 0,5% và 1% được thể hiện ở Biểu đồ 5.

Nhận  xét: Khác  với cường độ chịu nén của bê tông, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cốt sợi tóc có xu hướng tăng so với mẫu đối chứng khi hàm lượng sợi tăng lên. Cụ thể cường độ chịu kéo khi uốn tăng 6,74%; 10,58% và 17,91% tương ứng với các hàm lượng sợi tóc 0,25%; 0,5% và 1%. Và đạt cường độ chịu kéo lớn nhất khi hàm lượng sợi tóc là 1% với mức tăng 17,92%.

6. Kết luận

Tóc người như một chất thải rắn không thể phân hủy được gây ra rất nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường. Tóc người có khả năng chịu kéo cao và bền vững trong cấu trúc của bê tông nên có thể được tận dụng để cải thiện các tính chất của bê tông. Từ các kết quả thí nghiệm trên cho thấy được rằng:

• Bê tông cốt sợi tóc có độ lưu động giảm dần khi hàm lượng sợi tóc tăng dần. Tuy nhiên tất cả các cấp phối này đều không có hiện tượng phân tầng, tách nước, do sự có mặt của cốt sợi tóc làm cho hỗn hợp bê tông có tính giữ nước tốt hơn, đảm bảo tính công tác.

• So với bê tông không có sợi tóc thì bê tông chứa cốt sợi tóc có cường độ chịu nén và chịu kéo khi uốn tăng với hàm lượng sợi tóc khoảng 0,25 - 0,5%. Khi hàm lượng sợi tóc tăng đến 1% thì cường độ chịu nén lại giảm đi rõ rệt trong khi cường độ chịu kéo khi uốn vẫn tăng hơn so với mẫu đ ối chứng.

• Thông qua các kết quả thí nghiệm đạt được, có thể sử dụng hàm lượng sợi tóc tối ưu 0,25% cho khả năng chịu nén của bê tông và 1% cho khả năng chịu kéo của bê tông.

• Đề xuất có thể sử dụng bê tông cốt sợi tóc ở hàm lượng hợp lý như trên trong một số cấu kết cấu xây dựng thực tế có sử dụng vật liệu bê tông như: tấm lát nền, nắp cống, bê tông nền...để cải thiện tính chất của bê tông và làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường gây ra bởi tóc người.

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Nguyễn Viết Trung (Chủ biên), TS. Nguyễn Ngọc Long, ThS. Phạm Duy Anh. Bê tông cốt sợi thép. Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội - 2005.

[2]. Nguyễn Quang Phú. Nghiên cứu xác định hàm lượng cốt sợi hợp lý để chế tạo bê tông có khả năng chịu nén và chịu uốn tốt, bền trong môi trường biển. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật thủy lợi và môi trường, 2018, 6, 23-29.

[3]. Narain Das Bheel, Suhail Ahmed Abbasi, Shanker Lal Meghwar, Fahad Ali Shaikh. Effect of Human hair as Fibers in Cement Concrete, Conference Paper, 2017.

[4]. Maria Valéria Robles Velasco, Tania Cristina de Sá Dias, Anderson Zanardi de Freitas, Nilson Dias Vieira Júnior, Claudinéia Aparecida Sales de Oliveira Pinto, Telma Mary Kaneko, André Rolim Baby. Hair fiber characteristics and methods to evaluate hair physical and mechanical properties. Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2009.

[5]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 6260:2020 Xi măng pooc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật, Hà Nội - 2020.

[6]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật, Hà Nội - 2006.

[7]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 4506:2012 Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật, Hà Nội - 2012.

[8]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3106:2022 Về hỗn hợp bê tông, Hà Nội - 2022.

[9]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3105:2022 Hỗn hợp bê tông và bê tông - Lấy mẫu chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử, Hà Nội - 2022.

[10]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3118:2022 Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu nén, Hà Nội - 2022.

[11]. Viện KHCN xây dựng. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3119:2022 Bê  tông - Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi uốn, Hà Nội - 2022.

ximang.vn (TH/ JOMC)