Bê tông in 3D với tính năng cao đã và đang được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nước trên Thế giới. Mục đích chế tạo các loại bê tông in cường độ cao là để áp dụng trong công nghệ thi công không cốp pha theo quy trình in bê tông tiên tiến. Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về thành phần và tính chất của bê tông in 3D hạt mịn sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam. Vật liệu sử dụng gồm xi măng, tro bay, silica fume, cốt liệu mịn, phụ gia siêu dẻo và nước.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tiềm năng chế tạo được loại bê tông in 3D có chất lượng tốt, với độ chảy trên bàn dằn từ 155 đến 195mm, cường độ nén tuổi 28 ngày dao động trong khoảng 62,6 - 73,5 MPa. Với hàm lượng phụ gia siêu dẻo là 0,22% và tỷ lệ nước/chất kết dính và cát/chất kết dính tương ứng là 0,35 và 0,7 đã thu được hỗn hợp bê tông in 3D có khả năng in tốt nhất.
1. Đặt vấn đề
Công nghệ in 3D đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới trong những năm gần đây [1, 2, 3]. Ý tưởng về công nghệ in công trình cũng đã thu hút được sự quan tâm của hội kỹ sư, kiến trúc sư cũng như các nhà đầu tư nhằm mục đích triển khai từ một bản vẽ thành một vật thể hoàn chỉnh [4, 5]. Công nghiệp hóa ngành xây dựng bằng việc áp dụng công nghệ in 3D sẽ tạo ra các nguyên mẫu nhanh chóng, giảm thiểu nhân công và hạn chế được rác thải [6, 7]. Tiêu biểu nhất là từ năm 2014, nhiều tòa nhà, cây cầu nổi tiếng cũng như các biểu tượng kiến trúc đã được xây dựng tại chỗ bằng công nghệ in 3D trên các thiết bị cơ khí hiện đại [4, 7]. Những thành tựu này cho thấy tiềm năng mà công nghệ in 3D có thể mang lại cho ngành công nghiệp xây dựng. Mặc dù công nghệ in phát triển nhanh chóng nhưng đến nay các yêu cầu vật liệu cho in 3D vẫn chưa được đáp ứng một cách tốt nhất.
Mặt khác, để có một quy trình in 3D thành công, vật liệu in phải đủ chảy để có thể đùn liên tục qua đầu in. Khi lớp vật liệu được đùn ép qua vòi in thì phải có đủ độ bền cắt để chống lại sự biến dạng do trọng lượng bản thân và trọng lượng của các lớp in bên trên truyền xuống. Từ kết quả của nhiều nghiên cứu [8, 9] cho thấy, hỗn hợp vật liệu phải ở dạng lỏng với độ nhớt hợp lý khi ở bên trong máy bơm và đầu in, nhưng sau khi được ép ra khỏi đầu in phải trải qua quá trình chuyển đổi sang trạng thái giống như chất rắn với đủ độ bền để chống lại sự biến dạng. Do đó yêu cầu đối với hỗn hợp vật liệu dùng trong công nghệ in 3D tiên tiến ngày càng được nâng cao hơn.
Hơn nữa, bê tông là một trong những vật liệu xây dựng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình hạ tầng trên khắp thế giới. Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo các loại bê tông tính năng cao sử dụng trong công nghệ in 3D [10, 11, 12]. Với những thành tựu to lớn, công nghệ in 3D bê tông là đại diện điển hình của ngành xây dựng về việc áp dụng khoa học kỹ thuật của cách mạng công nghiệp lần thứ 4.0. Để hiện thực quy trình in 3D, hỗn hợp bê tông sử dụng trong chế tạo các cấu kiện và công trình xây dựng vừa có khả năng chịu lực tốt, vừa có tính thẩm mỹ cao, vừa có khả năng in (đùn) và khả năng xây dựng tốt, cần nghiên cứu phát triển loại vật liệu bê tông phù hợp với công nghệ in 3D trong điều kiện Việt Nam là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn to lớn.
Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về tính chất của bê tông hạt mịn cường độ cao từ các nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam sử dụng cho công nghệ in bê tông 3D.
2. Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Hình 1. Các loại nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu.
Cũng như vữa và bê tông xi măng truyền thống, bê tông in 3D cũng được chế tạo từ các nguồn vật liệu sẵn có trong nước. Nguyên vật liệu được dùng trong nghiên cứu này bao gồm (Hình 1):
- Xi măng Poóc lăng PC40 Bút Sơn;
- Phụ gia khoáng hoạt tính gồm: Tro bay nhiệt điện "Phả Lại" và Silica fume SF-90 Vina Pacific;
- Cốt liệu nhỏ là cát vàng sông Lô, kích thước hạt từ 0,14 - 2,5mm, được sàng qua sàng có kích thước mắt sàng là 2,5mm;
- Phụ gia siêu dẻo giảm nước Sung Shin Vina SR3000S của Sika.
a) Xi măng
Xi măng Poóc lăng PC40 Bút Sơn (X) thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 2682:2009. Các tính chất cơ lý của xi măng Poóc lăng PC 40 Bút Sơn được giới thiệu trong Bảng 1.
b) Phụ gia khoáng mịn
Trong nghiên cứu này phụ gia khoáng được sử dụng là hỗn hợp tro bay nhiệt điện Phả Lại và silica fume SF-90:
+ Tro bay nhiệt điện Phả Lại: Tro bay (TB) của nhà máy nhiệt điện Phả Lại thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 10302:2014, với tỷ diện bề mặt riêng là 5820 cm²/g và khối lượng riêng là 2,35 g/cm³.
+ Silica fume SF-90 của Vina Pacific: Silica fume SF-90 (SF90) của Vina Pacific với kích thước hạt nano, chứa 91,6% SiO2 hoạt tính, tỷ diện bề mặt riêng là 15450 cm²/g và khối lượng riêng là 2,15 g/cm³. Silica fume SF-90 sử dụng trong nghiên cứu thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 8827:2011. Thành phần hóa học của xi măng, tro bay nhiệt điện và silica fume được thể hiện trong Bảng 2.
c) Cát
Cốt liệu nhỏ sử dụng là cát vàng sông Lô (C), cát tự nhiện, chất lượng tốt, thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 7570:2006, các tính chất vật lý của cốt liệu nhỏ sử dụng đã được thể hiện trong Bảng 3.
Tuy nhiên, do trong điều kiện thí nghiệm trên thiết bị in 3D thủ công với thành phần hạt cát thô là rất khó khăn, hỗn hợp bê tông bị tắc trong ống bơm. Vì vậy, trong nghiên cứu này cát vàng đã được sàng qua sàng có kích thước mắt sàng là 2,5mm để loại bỏ hạt cát có đường kính lớn. Cát thu được sau khi sàng có kích thước từ 0,14mm đến 2,5mm với Dmax = 2,5 mm.
d) Phụ gia siêu dẻo
Nghiên cứu sử dụng loại phụ gia siêu dẻo (PGSD) cho bê tông có tên thương mại là Sung Shin Vina SR3000S của công ty Silka, gốc Polycarboxylate ether, có khối lượng riêng 1,12 ±0,2g/cm³ và độ giảm nước khoảng 20÷30%. Phụ gia siêu dẻo Sung Shin Vina SR3000S thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 8826:2011.
e) Nước
Trong nghiên cứu này, nước sử dụng trong nghiên cứu là nước máy sinh hoạt. Các chỉ tiêu chất lượng của nước phù hợp với nước trộn bê tông theo TCVN 4506 : 2012.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Thành phần hạt của cát vàng sông Lô được xác định trên bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước mắt sàng lần lượt là: 0,14 mm; 0,315 mm; 0,63 mm; 1,25 mm; 2,5 mm; 5 mm theo TCVN 7572-2:2006;
- Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông được tính toán, xác định theo phương pháp thể tích tuyệt đối và kết hợp với điều chỉnh bằng thực nghiệm trên cơ sở tính chất của vật liệu sử dụng;
- Tính công tác của hỗn hợp bê tông thí nghiệm được xác định bằng độ chảy của côn vữa hình nón cụt tiêu chuẩn trên bàn dằn theo phương pháp xác định độ lưu động của vữa tươi, phù hợp với TCVN 3121-3:2003 (Hình 2).
Hình 2. Bàn dằn để xác định độ lưu động của hỗn hợp bê tông in 3D.
- Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi nhào được xác định bằng phương pháp cân khối lượng và đo thể tích trong thùng đong tiêu chuẩn (thùng đong có thể tích 1 lít), phù hợp với TCVN 3108:1993 và TCVN 3105:1993. Bên cạnh đó, khối lượng thể tích của mẫu thí nghiệm sau khi đã đóng rắn ở tuổi 28 ngày được xác định bằng phương pháp cân khối lượng mẫu và đo thể tích trực tiếp trên mẫu thí nghiệm, phù hợp với TCVN 3115:1993;
- Do trong thành phần của loại bê tông này không chứa cốt liệu lớn, nên cường độ kéo khi uốn và cường độ nén của bê tông được xác định trên mẫu vữa có kích thước 40x40x160 mm theo tiêu chuẩn TCVN 3121-11:2003 ở các tuổi 3 ngày, 7 ngày, 14 ngày và 28 ngày. Việc sử dụng mẫu hình dầm 40x40x160 mm có hai mục đích:
+ Có thể xác định được cường độ kéo khi uốn của mẫu thí nghiệm tại các tuổi khác nhau. Tốc độ gia tải là 50 N/s.
+ Có thể xác định được cường độ nén của bê tông dựa vào các nửa viên mẫu đã bị uốn gãy ở trên. Tốc độ gia tải là 500 N/s.
- Phương pháp xác định khả năng in của hỗn hợp bê tông.
Một thiết bị in bê tông đơn giản được sử dụng trong phòng thí nghiệm để kiểm tra khả năng in của các hỗn hợp bê tông. Thiết bị được dựa vào cơ chế đùn ép dạng trục pít tông với thể tích 100 ml. Đầu ra là vòi in có chiều dài 150 mm, đường kính 10 mm (Hình 3).
Hình 3. Thiết bị kiểm tra khả năng in của hỗn hợp bê tông.
Trong đó, khả năng in đánh giá qua việc hỗn hợp bê tông phải được đùn ra từ vòi in và duy trì hình dạng dưới tải trọng bản thân và tải trọng do các lớp tiếp theo xếp chồng lên nhau [13, 14]. Trong nghiên cứu này, khả năng in của hỗn hợp bê tông được đánh giá dựa vào hai tiêu chí sau:
- Sợi bê tông in ra phải đảm bảo đùn liên tục không bị đứt đoạn, ngắt quãng trong suốt quá trình in, được đánh giá thông qua một đoạn vữa in liên tục có độ dài 120 cm.
- Khả năng giữ nguyên hình dạng thiết kế của các lớp in khi đùn chồng lên nhau được kiểm tra qua thí nghiệm in mẫu có chiều dài 120 cm với chiều cao hai hoặc ba lớp vật liệu in.
ximang.vn (TH/ KHCN Xây dựng)
