Trên cơ sở các nghiên cứu về tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông nhẹ polystyrol (BPS) thực hiện trong khuôn khổ đề tài RDN 06-01 đã thiết lập dây chuyền sản xuất và triển khai áp dụng BPS trên các công trình xây dựng. Kết quả áp dụng thực tế khẳng định hiệu quả của BPS như một loại vật liệu nhẹ đầy tiềm năng cho nhà và công trình xây dựng .
TS. Hoàng Minh Đức
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
Tóm tắt: Trên cơ sở các nghiên cứu về tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông nhẹ polystyrol (BPS) thực hiện trong khuôn khổ đề tài RDN 06-01 đã thiết lập dây chuyền sản xuất và triển khai áp dụng BPS trên các công trình xây dựng. Kết quả áp dụng thực tế khẳng định hiệu quả của BPS như một loại vật liệu nhẹ đầy tiềm năng cho nhà và công trình xây dựng .
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bê tông nhẹ trên cở sở cốt liệu hạt polystyrol trương nở (BPS) đã được nghiên cứu và áp dụng tại một số nước tiên tiến trên thế giới. Tại LB Nga, CH Pháp, CH Séc, CH Italia, LB Đức... BPS được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu cách nhiệt và chịu lực - cách nhiệt dưới dạng đúc sẵn cũng như thi công đổ tại chỗ. Tại mỗi nước, công nghệ sản xuất và các yêu cầu kỹ thuật đối với BPS có khác nhau, nhưng nhìn chung BPS hiện nay được chế tạo với khối lượng thể tích từ 150 cho đến 1200 kg/m3, cường độ chịu nén từ 2 cho đến trên 100 daN/cm2 [1, 2, 3, 4].
Để tạo tiền đề áp dụng BPS tại Việt Nam, Viện KHCN XD trong khuôn khổ đề tài RDN 06-01 đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản về hỗn hợp bê tông và bê tông BPS. Kết quả nghiên cứu BPS với khối lượng thể tích từ 400 đến 700kg/m3 cho thấy cường độ chịu nén của BPS ở tuổi 28 ngày đạt từ 10 đến 65 daN/cm2. Các nghiên cứu về phát triển cường độ theo thời gian trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau, độ co ngót, môđun đàn hồi, độ hút nước, hệ số hóa mềm, khả năng liên kết bám dính, các đặc tính cách âm, cách nhiệt đã thực hiện, cho phép kết luận BPS phù hợp cho các kết cấu cách nhiệt và cách nhiệt - chịu tải cho các công trình xây dựng.
Trên cơ sở các nghiên cứu cơ bản trên đã tiến hành thiết lập danh mục sản phẩm và quy trình công nghệ sản xuất các sản phẩm BPS phục vụ nhu cầu của ngành.
2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM BPS
2.1 Danh mục sản phẩm
BPS tùy theo khối lượng thể tích được sử dụng trong các kết cấu cách nhiệt (400-500kg/m3) và cách nhiệt - chịu tải (600-700kg/m3) dưới dạng các sản phẩm sau:
a, Tấm lát cánh nhiệt
Tấm lát cách nhiệt cho mái được chế tạo từ BPS với khối lượng thể tích 400-500kg/m3, kích thước 300x400mm, độ dày tối thiểu 100mm. Chiều dài và chiều rộng của tấm lát có thể thay đổi theo yêu cầu của khách hàng.
Tấm lát chống nồm cho sàn được chế tạo từ BPS có khối lượng thể tích 500-600 kg/m3 với độ dày tối thiểu 80mm, kích thước tương tự như tấm lát cách nhiệt.
b, Gạch, viên xây
Gạch nhẹ, viên xây nhẹ được chế tạo từ BPS có khối lượng thể tích 600-700 kg/m3. Kích thước gạch nhẹ tuân thủ theo TCVN 1451 : 1998.
c, Panel tường lắp nhanh
Panel tường lắp nhanh được chế tạo từ BPS có khối lượng thể tích D700 kg/m3. Cốt thép cho tấm panel được chỉ định bởi thiết kế kết cấu. Panel lắp nhanh có thể sử dụng làm vách ngăn hoặc vách tường ngoài. Kích thước panel tùy thuộc vào yêu cầu của công trình.
d, Kết cấu đổ tại chỗ
BPS được dùng thi công các kết cấu thi công tại chỗ như các lớp cách nhiệt, chống nồm cho sàn. Để chống nóng cho mái, BPS được thi dưới dạng lớp cách nhiệt đổ toàn khối không cốt thép, hoặc dưới dạng mái dốc có cốt thép. Phía trên lớp BPS cách nhiệt mái có thể dán ngói (với mái dốc) hoặc thi công các lớp hoàn thiện thông thường (đối với mái bằng).
2.2 Vật liệu đầu vào
- Chất kết dính để sản xuất BPS là các lọai xi măng pooclăng, ximăng pooclăng hỗn hợp, đáp ứng yêu cầu của TCVN 2682 : 1992
- Cốt liệu polystyrol sử dụng chế tạo BPS là sản phẩm quá trình phồng nở hạt polystyrol nguyên liệu. Khối lượng thể tích của cốt liệu polystyrol nằm trong khoảng 20-40kg/m3, độ rỗng của hỗn hợp cốt liệu không lớn hơn 42%. Kích thước tối đa của hạt cốt liệu 20mm.
Việc lựa chọn kích thước hạt và khối lượng thể tích của cốt liệu phụ thuộc vào các yêu cầu về cường độ và khối lượng thể tích cần đạt được và các yêu cầu khác, được cụ thể hóa trong yêu cầu kỹ thuật cho từng chủng loại sản phẩm cụ thể.
- Phụ gia khoáng được sử dụng để thay thế một phần ximăng. Yêu cầu kỹ thuật đối với phụ gia khoáng dùng cho bê tông polystyrene tương tự như đối với bê tông nặng. Có thể sử dụng các loại phụ gia khoáng như tro bay, tro xỉ, silicafume, vôi, bột đá,... trong chế tạo BPS.
- Phụ gia hóa học được sử dụng theo yêu cầu của thiết kế . Có thể sử dụng các loại phụ gia dẻo hóa, phụ gia tạo khí, phụ gia polimer trong chế tạo BPS. Chủng loại và lượng dùng phụ gia được chỉ định trong từng trường hợp cụ thể.
- Nước trộn hỗn hợp BPS phải thỏa mãn yêu cầu của TCVN 4506 : 1987.
2.3 Thiết kế thành phần bê tông
BPS loại bê tông mới được nghiên cứu, các dữ liệu phục vụ thiết kế thành phần theo phương pháp tra bảng như đối với bê tông nhẹ cốt liệu rỗng còn thiếu nên trong quá trình thiết kế thành phần cấp phối đã sử dụng cách tiếp cận khác. Mặc dù vậy với theo thời gian và quá trình tích luỹ số liệu, có thể tiến tới xác lập các bảng tính sẵn phục vụ thiết kế thành phần bê tông.
Thành phần hỗn hợp BPS được thiết kế sao cho ngoài việc thoả mãn yêu cầu về khối lượng thể tích, cường độ nén của bê tông, tính công tác của hỗn hợp bê tông phải đáp ứng được các yêu cầu cho trước. Việc thiết kế tiến hành dựa trên các hàm liên quan giữa tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông với tính chất của pha vữa, cốt liệu và hệ số điền đầy.
Trong đó:
gBPS : khối lượng thể tích của BPS, kg/m3;
PS : lượng dùng cốt liệu polystyrol, kg/m3;
KD : lượng dùng chất kết dính trong bê tông, kg/m3 bao gồm khối lượng chất kết dính và các chất độn, phụ gia khoáng (nếu có);
a : hệ số, phụ thuộc vào lượng nước liên kết hoá học với chất kết dính. Khi dùng chất kết dính là ximăng không có chất độn ta có hệ số a = 0,15.
rKD : khối lượng riêng chất kết dính, g/cm3;
N : lượng dùng nước, kg/m3;
gPSH : khối lượng thể tích hạt cốt liệu polystyrol, g/cm3
Kd : hệ số điền đầy ; Kdth : hệ số điền đầy tới hạn tương ứng với thời điểm sảy ra sự chuyển đổi dạng cấu trúc bê tông;
r : độ rỗng của cốt liệu polystyrol;
gPS : khối lượng thể tích xốp của cốt liệu polystyrol, kg/m3.
TCT : tính công tác của hỗn hợp bê tông;
RKD : cường độ của vữa kết dính;
DXKD : độ xoè của hỗn hợp vữa kết dính.
Các hàm số f1, f2, f3, và f4 là các hàm thực nghiệm được xác định bằng phương pháp toán. Việc thiết kế cấp phối được quy về giải hệ phương trình trên với sự hỗ trợ của các phần mềm toán học như Maple 6 của Waterloo Maple Inc.
Sau khi xác định được cấp phối định hướng, tiến hành đổ thêm các cấp phối với lượng dùng xi măng dao động ±10% để xác định cấp phối thực tế.
2.4 Công nghệ sản xuất các sản phẩm BPS
Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ sản xuất các sản phẩm BPS trình bày tại hình 1.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ sản xuất các sản phẩm BPS
a. Chế tạo hỗn hợp bê tông
- Định lượng ximăng, phụ gia khoáng và nước theo khối lượng với sai số ±1%, cốt liệu polystyrol theo thể tích sai số ±2%. Phụ gia dạng lỏng (nếu có) được trộn trước vào nước theo tỷ lệ thiết kế.
- Hỗn hợp BPS được trộn bằng các máy trộn bêtông và vữa. Trong quá trình trộn không được để mất vữa ximăng, do đó các loại máy trộn có cửa xả phía dưới không thích hợp để trộn BPS. Để trộn hỗn hợp BPS nên sử dụng máy trộn cưỡng bức có các cánh trộn nằm ngang. Sử dụng máy trộn loại này sẽ giúp hỗn hợp BPS đạt được độ đồng nhất cao, đồng thời giảm thời gian trộn. Thử nghiệm thực tế sản xuất cho thấy sử dụng máy trộn cưỡng bức giúp giảm thời gian trộn xuống còn một nửa cho mỗi mẻ trộn so với khi sử dụng máy trộn rơi tự do.
- Tiến hành trộn xi măng, phụ gia khoáng và nước trước. Khi hỗn hợp vữa đạt độ đồng nhất, cho thêm cốt liệu polystyrol vào và trộn tiếp. Thời gian trộn trung bình để hỗn hợp BPS đạt được độ đồng nhất phụ thuộc vào cấp phối bê tông, loại máy trộn và các yếu tố khác, nằm trong khoảng 3 ¸ 10 phút.
b. Tạo hình sản phẩm
- Có thể sử dụng khuôn gỗ, nhựa hoặc kim loại để chế tạo các sản phẩm BPS.
- Thép cốt (nếu có) được gia công sẵn và lắp vào khuôn tại khu vực tạo hình sản phẩm. Đối với các cấu kiện BPS có khối lượng thể tích nhỏ hơn 700 kg/m3, việc chống gỉ cho cốt thép phụ thuộc vào điều kiện sử dụng và cần được thống nhất với thiết kế. Các con kê dùng để kê cốt thép được chế tạo từ bêtông hạt mịn có cường độ không nhỏ hơn cường độ BPS.
- Hỗn hợp BPS được san đều và đầm chặt bằng các biện pháp thủ công. Nếu cấu kiện có chiều dày lớn hơn 10cm, hỗn hợp bê tông cần được rải thành từng lớp, mỗi lớp không dày quá 10cm. Trong một số trường hợp có thể sử dụng đầm rung để tạo hình sản phẩm. Khi đó cấp phối bê tông cũng như quy trình đầm được thiết kế chỉ định.
- Thời điểm dỡ khuôn thích hợp phụ thuộc vào mác bê tông, điều kiện thi công và bảo dưỡng cũng như đặc điểm của kết cấu và được xác định cho từng trường hợp riêng nhưng không sớm hơn 8 giờ kể từ khi đổ.
c. Bảo dưỡng ẩm
- Bảo dưỡng ẩm cho bê tông cần được tiến hành ngay sau khi kết thúc quá trình tạo hình sản phẩm bao gồm hai giai đoạn: bảo dưỡng ban đầu và bảo dưỡng tiếp theo.
- Trong quá trình bảo dưỡng ban đầu sản phẩm được che phủ bằng nylon hoặc vật liệu phủ ẩm khác. Bảo dưỡng ban đầu được tiến hành ngay sau khi kết thúc quá trình tạo hình sản phẩm.
- Quá trình bảo dưỡng tiếp theo thực hiện bằng tưới nước định kỳ 2 ¸ 4 lần trong ngày. Quá trình bảo dưỡng tiếp theo kéo dài từ 2 ¸ 3 ngày tùy theo mùa trong năm.
3. SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CÁC SẢN PHẨM BPS
Trên cơ sở quy trình công nghệ nêu trên, đã tiến hành thiết kế lắp đặt và vận hành dây chuyền pilot sản xuất thử nghiệm các sản phẩm BPS với công suất 5000 m3/năm. Dây chuyền được thiết kế với nguyên tắc đơn giản hóa tối đa các công đoạn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Phần lớn các công đoạn sản xuất đều tiến hành thủ công ngoại trừ trộn hỗn hợp bê tông tiến hành bằng máy. Các sản phẩm chính là gạch nhẹ, viên xây, tấm lát và panel tường lắp nhanh.
Trộn hỗn hợp BPS dược tiến hành bằng máy trộn rơi tự do (Hình 2, a) và máy trộn cưỡng bức (Hình 2, b). Qua đó có thể so sánh được hiệu quả sử dụng của hai loại máy trộn trên. Với cùng một thể tích chứa của máy, sử dụng máy trộn cưỡng bức có thể tăng năng suất lên gần gấp đôi.
|
a,
 |
b,
 |
|
Hình 2. Trộn hỗn hợp BPS bằng máy trộn cưỡng bức (a) và máy trộn rơi tự do (b) |
Khuôn đúc sản phẩm được thiết kế theo yêu cầu của sản phẩm, có tính đến khả năng chuyển sang sử dụng chế tạo nhiều loại sản phẩm một cách linh hoạt. Sản xuất tấm panel lắp nhanh (Hình 2, a) và tấm lát cánh nhiệt (Hình 2, b) có thể tiến hành trên cùng một chủng loại khuôn với một vài thay đổi nhỏ
|
a,
 |
b,
 |
|
Hình 3. Sản xuất tấm panel lắp nhanh (a) và tấm lát cách nhiệt (b) |
Thời điểm dỡ khuôn được xác định cho từng trường hợp cụ thể. Để tăng cường quay vòng sử dụng khuôn có thể dỡ khuôn sơ bộ nhưng không vận chuyển sản phẩm khỏi vị trí tạo hình. Khi đó thời điểm dỡ khuôn có thể sớm hơn quy định từ 1-4 giờ tùy theo từng mác bê tông và dạng sản phẩm cụ thể.
Các sản phẩm sau khi đạt cường độ, được vận chuyển vào khu vực lưu giữ, xếp đống và bảo dưỡng theo quy định (Hình 4).
|
|
|
Hình 4. Sản phẩm tấm lát cách nhiệt |
Thi công lắp ráp các sản phẩm BPS trên công trường được tiến hành tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành TCVN 4085:1985, TCVN 4452:1987 và TCVN 4453:1995, .... Mặt khác, một số đặc điểm riêng của các sản phẩm nhẹ BPS liên quan đến khối lượng thể tích, cường độ và độ biến dạng, ... cũng cần được tính đến nhằm đảm bảo chất lượng cho sản phẩm cuối cùng.
Các sản phẩm BPS đã được áp dụng thử vào các công trình xây dựng trên địa bàn Hà Nội. Tấm panel lắp nhanh được sử dụng làm vách tường trong cho nhà cao tầng khung bê tông cốt thép (Hình 5).
a,
 |
b,
 |
|
Hình 5. Thi công vách ngăn bằng tấm panel lắp nhanh.
Lắp dựng tấm (a) và trát vữa chèn các mối hàn (b) |
Các tấm panel sau khi lắp dựng (Hình 4, a) được định vị bằng liên kết hàn với kết cấu cột, dầm, sàn và với nhau tạo thành vách cứng. Các mối hàn được chèn đầy bằng vữa ximăng M100 (Hình 4,b). Bề mặt tường sau đó được trát và lăn sơn hoàn thiện như đối với tường gạch.
|
a,
 |
b,
 |
|
Hình 6. Thi công chống nồm cho nền (a) và xây tường bao che (b) bằng sản phẩm BPS |
Thi công lát tấm cách nhiệt cho mái và chống nồm cho nền (Hình 6, a) được tiến hành theo quy trình như đối với các sản phẩm gạch lát khác. Các lớp bảo vệ và hoàn thiện bên trên có thể là lớp vữa ximăng hoặc gạch lát thông thường.
Tường xây bằng gạch nhẹ BPS rất phù hợp cho các công trình cải tạo, nâng cấp trong trường hợp cần hạn chế tải trọng (Hình 6, b). Trong một số trường hợp, dể tăng độ ổn định của tường có thể thi công các giằng ngang bổ xung.
|
b,
 |
|
Hình 7. Lớp chống nóng mái bằng BPS thi công đổ tại chỗ. |
Một phương án khác chống nóng cho mái là sử dụng BPS đổ tại chỗ (Hình 7). BPS có thể thi công song song với quá trình đổ bê tông kết câu mái hoặc thi công sau khi bê tông kết cấu mái đã đạt cường độ. Tùy theo đặc điểm hình dạng, kích thước mái tiến hành chia các khe co giãn cho lớp chống nóng BPS . Vật liệu chèn khe có thể là tấm xốp hoặc các loại keo xảm mạch.
Lớp chống nóng mái BPS với khối lượng thể tích dưới 600 kg/m3 nên được bảo vệ bằng lớp láng hoặc các lớp lát.
4. KẾT LUẬN
1. Bê tông nhẹ cốt liệu polystyrol là một loại vật liệu nhẹ có hiệu quả cao cho các công trình xây dựng. Kinh nghiệm của nước ngoài và các nghiên cứu đã tiến hành cho thấy hoàn toàn có thể làm chủ công nghệ chế tạo và ứng dụng BPS trong điều kiện Việt Nam.
2. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, đã thiết lập danh mục các sản phẩm BPS cho nhà và công trình bao gồm các sản phẩm cách nhiệt với khối lượng thể tích 400-500 kg/m3 và cách nhiệt - chịu tự tải với khối lượng thể tích 600-700kg/m3 dưới dạng tấm lát cách nhiệt, gạch nhẹ, viên xây và panel lắp nhanh.
3. Đã thiết lập quy trình công nghệ sản xuất các sản phẩm BPS từ khâu lựa chọn vật liệu đầu vào, thiết kế cấp phối đến khâu trộn hỗn hợp BPS, tạo hình và bảo dưỡng sản phẩm. Dây chuyền sản xuất thử nghiệm vận hành theo quy trình trên hoạt động ổn định, cho ra các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng và có thể chuyển giao vào sản xuất đại trà.
4. Các sản phẩm BPS ứng dụng trong các công trình xây dựng trên địa bàn thành phố Hà Nội đã chứng minh sự thích ứng trong điều kiện Việt Nam và khả năng cách nhiệt và giảm tải đáng kể của BPS cho công trình.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Довжик В.Г., Россовский В.Н., Савельева Г.С., Иванова Ю.В., Хаймов И.С., Семенова Т.Д., Сафонов А.А. Технология и свойства полистиролбетона для стеновых конструкций. Бетон и железобетон, 1997, № 2, стр.5-9
2. ГОСТ Р 51263-99 "Полистиролбетон. Технические условия."
3. http://www.bstechnologies.fr/
4. http://prostyren.sro.cz/