Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu chức năng là SAP và Vs đến tính chất hút nước của SCC có cấu tạo hai lớp. Ảnh hưởng của hàm lượng SAP và Vs đến các tính chất liên quan đến nước của từng lớp bê tông đã được nghiên cứu. Ngày nhận bài: 29/11/2025; ngày sửa bài: 20/12/2025; ngày chấp nhận đăng: 27/12/2025
Tóm tắt
Để chế tạo gạch bê tông có tính năng tự làm mát (self-cooling concrete pavers - SCCP) trên cơ sở nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi của nước, trước hết bê tông phải có độ hút nước đủ lớn và sau đó lượng nước này phải hóa hơi vào môi trường trong điều kiện tự nhiên. Theo đó, bên cạnh các vật liệu như xi măng, cốt liệu và nước, cần sử dụng thêm vật liệu chức năng với đặc tính hút nước mạnh và mao dẫn tốt như polymer siêu thấm (super absorbent polymer - SAP), sợi cellulose biến tính như viscose (Vs)…
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu chức năng là SAP và Vs đến tính chất hút nước của SCC có cấu tạo hai lớp. Ảnh hưởng của hàm lượng SAP và Vs đến các tính chất liên quan đến nước của từng lớp bê tông đã được nghiên cứu. Bột SAP thể hiện hiệu quả tốt hơn về hút và trữ nước cho lớp bê tông đáy, trong khi sợi Vs cho hiệu quả tăng độ hút nước mao quản tốt hơn cho lớp bê tông mặt. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có thể chế tạo SCCP đạt độ hút nước lớn hơn 0,15 g/cm³ và độ hút nước mao quản trên 70% từ tổ hợp hai lớp bê tông rỗng được bổ sung vật liệu chức năng tương ứng là SAP và Vs.
Từ khóa: Gạch bê tông tự làm mát, độ hút nước, độ hút nước mao quản, polymer siêu thấm, sợi viscose.
Abstract
To manufacture self-cooling concrete pavers (SCCP) based on the principle of liquid-vapor phase transition of water, first of all, the concrete must have a sufficiently large water absorption and then this amount of water must evaporate into the environment under natural conditions. Accordingly, in addition to materials such as cement, aggregates and water, it is necessary to use additional functional materials with strong water absorption and good capillary properties such as super absorbent polymer (SAP), modified cellulose fibers such as viscose (Vs)...
This paper presents the results of the study on the influence of two types of functional materials, SAP and Vs, in the manufacture of SCCP with a two-layer structure. The influence of SAP and Vs content on the water-related properties of each concrete layer was studied. SAP powder showed better efficiency in absorbing and storing water for the bottom concrete layer, while Vs fibers gave better efficiency in increasing capillary water absorption for the surface concrete layer. The research results also show that it is possible to manufacture SCCP with water absorption greater than 0,15g/cm3 and capillary water absorption of over 70%, from a combination of two layers of hollow concrete supplemented with functional materials SAP and Vs, respectively.
Keywords: Self-cooling concrete pavers, water absorption, capillary water absorption, super absorbent polymer, viscose fiber.
1. Giới thiệu
Hiện tượng biến đổi khí hậu nói chung là vấn đề đang được quan tâm toàn cầu. Hiện nay, hơn 50% dân số thế giới sống ở các thành phố và khu vực đô thị, dự báo con số này sẽ tăng lên tới 75% vào năm 2050 [3]. Đi cùng sự phát triển xây dựng cơ bản, người ta đã quan sát thấy rằng các khu vực đô thị lớn có nhiệt độ cao hơn đáng kể so với các khu vực nông thôn xung quanh [1].
Hiệu ứng này được gọi là Đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island - UHI). Kết quả điều tra tại các khu vực đô thị trên tất cả các châu lục cũng cho thấy sự khác biệt về hiệu ứng UHI, tùy thuộc vào thời điểm trong năm cũng như thời gian trong ngày [1], [2].
Chi phí liên quan đến UHI là rất đáng kể. Các nghiên cứu từ năm 1982 cho Los Angeles đã chỉ ra rằng UHI đã dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tăng 1 - 1,5 GW, chi phí phát sinh là hơn 100 triệu đô la Mỹ mỗi năm. Theo đó, nhiều quốc gia, chẳng hạn như Hoa Kỳ, sẽ phải chi hàng tỷ đô la mỗi năm [3].
Trong vài chục năm gần đây, đã xác định UHI tăng từ 0,05°C đến 0,1°C cho mỗi thập kỷ [3], [4]. Theo cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và Uỷ ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu của Liên Hợp quốc (IPCC), lĩnh vực xây dựng là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng UHI chiếm đến 70%.
Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm; hiện tượng UHI ngày càng thể hiện rõ về tần suất và quy mô, và đã đến lúc chúng ta buộc phải quan tâm để tìm giải pháp ứng phó. Thực tế cho thấy, trong nhiều năm qua, hiện tượng “bê tông hóa” đô thị, thu hẹp diện tích sông hồ, kết hợp với mức tiêu thụ năng lượng lớn của các tòa nhà và phương tiện giao thông với mật độ ngày càng cao là nguyên nhân làm cho UHI tại các thành phố lớn ở nước ta ngày càng tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường cũng như kinh tế.
Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng, TP.HCM không ít thời điểm nhiệt độ không khí cao hơn 40°C, ngoài trời có thời điểm lên tới 50°C, cao hơn đáng kể so với khu vực nông thôn lân cận.
Để ứng phó với những tiêu cực do UHI gây ra, bên cạnh các giải pháp quy hoạch và quản lý đô thị như tăng diện tích cây xanh và sông hồ, giảm tiêu hao năng lượng và phát thải từ phương tiện giao thông…, cần nghiên cứu phát triển các loại vật liệu xây dựng có tính năng mới thân thiện với môi trường.
Trong lĩnh vực xây dựng, cho đến hiện tại, chúng ta mới chỉ quan tâm nghiên cứu và sử dụng các loại vật liệu có tính cách nhiệt tốt, hệ số phản xạ cao (bức xạ mặt trời) để tiết kiệm năng lượng điều hòa không khí cho không gian ở. Tuy nhiên, các giải pháp này không những không hạn chế mà thậm chí còn có thể làm gia tăng hiệu ứng UHI.
Vật liệu tự làm mát nói chung và gạch bê tông tự làm mát nói riêng là những loại vật liệu có khả năng hấp thụ nhiều nước khi gặp nguồn và sau đó phần lớn lượng nước này chuyển từ pha lỏng sang pha khí mà động lực của quá trình là năng lượng hấp thụ từ bản thân vật liệu và môi trường tiếp xúc.
Kết quả của quá trình này là nhiệt độ của vật liệu và môi trường không khí xung quanh giảm xuống. Theo đó có thể gọi tên loại vật liệu này theo hiệu quả làm việc là “gạch bê tông tự làm mát" (SCCP).
Cơ chế hoạt động của SCCP tương tự như hoạt động của cây xanh. Quá trình chuyển pha của nước dưới tác động của bức xạ mặt trời qua lá cây sẽ làm giảm nhiệt độ bề mặt, và cây xanh như những chiếc máy điều hòa không khí thiên nhiên.
Tương tự cơ chế này là sự hấp thụ nước dạng lỏng vào vật liệu, sau đó nhờ năng lượng bức xạ từ mặt trời và sự khuếch tán mà nước chuyển sang dạng hơi. Nhờ quá trình tuần hoàn này mà nhiệt độ của vật liệu cũng như không khí sẽ giảm xuống và kết cấu hoạt động như những tán cây xanh hay thảm thực vật, qua đó có thể góp phần giúp chúng ta ứng phó với hiệu ứng UHI.
Thực tế cho thấy, một phần lớn diện tích của đô thị là vỉa hè và đường bộ, sân bãi, nhà ở và công trình công cộng được xây dựng chủ yếu từ bê tông và gạch ngói thông thường… đặc biệt là những khu vực có tiềm năng thương mại [4].
Nếu bề mặt của những công trình đó được cấu tạo bởi lớp bê tông tự làm mát sẽ có thể giảm nhiệt độ của kết cấu xây dựng và điều hòa môi trường không khí xung quanh, góp phần giảm hiệu ứng UHI.
Để chế tạo gạch bê tông tự làm mát, về nguyên tắc là tạo cấu trúc xốp rỗng trong nó với đặc tính hút và giữ nước của vật liệu và khả năng chuyển nước từ pha lỏng sang pha hơi trong điều kiện thời tiết nhất định.
Các vật liệu có tính năng trao đổi nước rất mạnh như hạt polyme siêu hút nước, cốt liệu rỗng vô cơ, cốt liệu tái chế từ các thải phẩm… có thể ứng dụng cho mục đích này. Một cách tiếp cận có cơ sở khoa học và thực tiễn để chế tạo SCCP là dựa trên công nghệ bê tông rỗng thoát nước, biến đổi cấu trúc và bổ sung vật liệu chức năng.
Thật vậy, để hút được nước mưa hay nước tưới trong khoảng thời gian hạn chế và để lượng nước đó hoá hơi thực hiện chức năng tự làm mát, SCCP cần có cấu tạo rỗng phù hợp; bê tông rỗng thường có hệ số đối lưu nhiệt lớn hơn nên nó có thể mát tốt hơn trong thời tiết có gió và hoặc khi gradient nhiệt độ đủ lớn so với bê tông thông thường.
Tuy bê tông rỗng thoát nước có lợi thế là thu được nhiều nước hơn trong một trận mưa, nhưng nhược điểm là sự vận chuyển chất lỏng lên bề mặt bị hạn chế bởi tác dụng của trọng lực. Nếu sử dụng cốt liệu mịn hơn, hệ thống lỗ rỗng nhỏ và xốp mịn hơn sẽ cho bê tông hút ít nước hơn trong cơn mưa nhưng có thể duy trì vận chuyển chất lỏng từ lớp dưới lên bề mặt trong thời gian dài hơn và tăng hiệu quả tự làm mát.
Vì vậy, theo tiêu chuẩn JIS A5731 - 2016 của Nhật Bản, chỉ số độ hút nước mao quản yêu cầu không thấp hơn 70% [5]. Thông thường, chỉ số này rất khó đạt được với bê tông rỗng thoát nước sử dụng cốt liệu từ 5 - 10 mm hoặc lớn hơn.
Như vậy, để chế tạo SCCP, cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp, trong đó quan tâm sử dụng các vật liệu chức năng để tăng khả năng thấm hút nước, tính toán lựa chọn cấp phối cũng như thiết kế kết cấu phù hợp cho từng loại sản phẩm bê tông tự làm mát.
Phạm vi của bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vật liệu chức năng có khả năng thấm hút mạnh là bột polymer siêu thấm (SAP) và sợi viscose (Vs) đến độ hút nước, độ hút nước mao quản, độ rỗng, khối lượng thể tích của bê tông tự làm mát, trên cơ sở đó lựa chọn được vật liệu và thành phần phù hợp chế tạo SCCP đạt khả năng giữ nước không nhỏ hơn 0,15g/cm3, độ hút nước mao quản không thấp hơn 70% theo JIS A5731-2016 [5] và cường độ chịu nén không thấp hơn 15MPa (mác B15,0) theo TCVN 6477:2016 đối với gạch bê tông [6].
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu sử dụng
2.1.1. Xi măng
Trong nghiên cứu, xi măng PCB40 Nghi Sơn đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 6260:2020 được sử dụng. Bên cạnh đó, xi măng trắng PCW40-I đạt yêu cầu theo TCVN 5691:2000 cũng được sử dụng, kết hợp cùng bột màu vô cơ cho lớp mặt của SCCP nhằm tăng tính thẩm mỹ.
Trong các nghiên cứu tiếp theo, ảnh hưởng của màu sắc bề mặt đến hiệu quả tự làm mát của SCCP dưới bức xạ hồng ngoại sẽ được khảo sát. Tính chất của hai loại xi măng được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Tính chất cơ lý của xi măng PCB40 và xi măng trắng PCW40-I.
2.1.2. Cốt liệu
Tương tụ như đối với bê tông thường, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực của bê tông tự làm mát (Self-cooling concrete - SCC). Phương pháp tiếp cận để chế tạo SCC là dựa trên cơ sở hình thành cấu trúc của bê tông rỗng thoát nước.
Theo cách tiếp cận này, hệ thống lỗ rỗng thông nhau trong bê tông rỗng sẽ là không gian dành cho các vật liệu bổ sung - “vật liệu chức năng” tăng vai trò hút và giữ nước chính cho SCC. Như vậy, khí chưa có mặt vật liệu chức năng, nên lựa chọn cốt liệu cho SCC có thành phần hạt gián đoạn, một hoặc hai cấp hạt, để có được độ rỗng xốp cao của nó [7].
Hơn nữa cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu cũng cần đủ nhỏ để hệ thống lỗ rỗng xốp trong chúng có kích thước đủ nhỏ nhằm tạo sự phân bố đồng nhất của vật liệu chức năng cũng như hệ thống mao quản xốp mịn hơn nhằm tăng cường khả năng hút nước mao dẫn giữa các vùng trong SCC, từ đó phát huy được tính năng tự làm mát của sản phẩm.
Với mục đích chế tạo SCCP có lớp mặt không quá thô liên quan đến tính thẩm mỹ và đạt hiệu quả hút nước mao quản, lớp đế có độ rỗng lớn tăng khả năng hút và giữ nước, trong nghiên cứu này đã lựa chọn hai nhóm cốt liệu với thành phần hạt gián đoạn.
Nhóm có 4,75 - 9,5 mm (D10) dùng cho lớp đế, nhóm 1,18 - 4,75 mm (D5) dùng cho lớp mặt của SCCP. Để có được hai loại cốt liệu này, từ cốt liệu cho bê tông đạt yêu cầu theo ASTM C33 (cốt liệu số 8 theo ASTM C33 [8]) đã sàng lấy nhóm hạt sót trên sàng 1,18 mm và lọt qua sàng 4,75 mm đối với nhóm D5; sót sàng 4,75 mm và lọt sàng 9,5 mm đối với nhóm D10. Tính chất của cốt liệu trình bày trong Bảng 2.
Bảng 2. Tính chất cơ bản của cốt liệu.
2.1.3. Nước trộn
Sử dụng nước máy sinh hoạt để trộn hỗn hợp và bảo dưỡng mẫu bê tông, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 4506:2012.
2.1.4. Vật liệu chức năng
Sử dụng hai loại vật liệu chức năng (với vai trò tăng độ hút và giữ nước):
(1) bột polymer tổng hợp gốc Acrylic thuộc nhóm ưa nước, ký hiệu SAP, độ hút nước 157 lần khối lượng khô, cỡ hạt chủ yếu từ 0,3 - 0,15 mm, thành phần hạt và độ hút nước của SAP như trong bảng 3;
(2) sợi viscose, ký hiệu Vs, được biến tính từ cellulose, là sản phẩm dùng chủ yếu trong dệt may, ổn định trong môi trường đá xi măng, khối lượng riêng 1,52 g/cm3, có độ hút ẩm 13% (trong không khí có độ ẩm tương đối 65% và nhiệt độ 25°C), độ hút nước bão hoà 40%, chỉ số Ne30/1 (50 m/g, 20Tex) (TCVN 4181), độ bền kéo đứt 348 cN, độ giãn đứt 15,6% [9], được cắt thành sợi có chiều dài 5 - 8 mm. Sợi viscose dùng trong bê tông lớp mặt của SCCP với hàm lượng 2 - 3% tính theo thể tích bê tông [1].
Bảng 3. Một số tính chất của SAP.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Tính chất của xi măng và nước được thử nghiệm theo hệ TCVN. Đối với các tính chất của cốt liệu, do lựa chọn thành phần bê tông rỗng trên cơ sở ACI 522R [7] nên đã thử nghiệm các tính chất theo hệ tiêu chuẩn ASTM tương ứng và đánh giá chất lượng cốt liệu theo ASTM C33.
Tính chất liên quan đến nước của SCCP được thử nghiệm theo tiêu chuẩn của Nhật Bản, cụ thể: độ hút nước và độ hút nước mao quản: Theo JIS A 5371:2016 (tương tự DIN EN 13057); hệ số bay hơi - theo JSTM H 1001:2015. Cường độ chịu nén của gạch được xác định theo TCVN 6477 không thấp hơn 15 MPa (mác không thấp hơn M15,0).
Quy trình nghiên cứu như sau: Chuẩn bị hai loại cốt liệu D10 và D5 theo 2.1.2; tính toán cấp phối sơ bộ bê tông rỗng theo ACI 522R, trộn thử nghiệm kiểm tra tính chất yêu cầu của SCC (cường độ chịu nén không nhỏ hơn 10MPa; độ rỗng 20 - 30%) và hiệu chỉnh thành phần; chọn cấp phối bê tông đạt yêu cầu, trên cơ sở đó bổ sung vật liệu chức năng khác nhau với hàm lượng thay đổi, tiến hành tạo mẫu SCC với kích thước mẫu lập phương cạnh 100 mm và/hoặc mẫu trụ đường kính 100 mm chiều cao 200 mm để kiểm tra cường độ chịu nén, độ hút nước, độ hút nước mao quản.
Trong quá trình trộn thử lượng nước được hiệu chỉnh để đảm bảo hỗn hợp đạt yêu cầu về tính công tác tạo hình các mẫu thử bằng phương pháp đầm nhẹ (theo [7]), bảo dưỡng mẫu ngâm trong nước sạch, nhiệt độ 27±2°C.
Từ kết quả thực nghiệm đánh giá và lựa chọn loại vật liệu và thành phần phù hợp cho SCC, trên cơ sở đó chế tạo mẫu SCCP cấu tạo 2 lớp, kích thước 200 x 200 mm: lớp mặt có chiều dày 20 mm, dùng cốt liệu D5 bổ sung sợi viscose (hàm lượng đến (2 - 3)% theo thể tích); lớp đáy với chiều dày 45 mm dùng cốt liệu D10, bổ sung SAP (hàm lượng 3% theo thể tích).
Gạch được đúc trong khuôn thép, theo thứ tự lớp mặt trước, lớp đáy sau, tạo hình đầm nhẹ theo [7]. Mẫu được phủ nilon lên bề mặt hở bảo dưỡng 1 ngày trong khuôn, sau đó được tháo khuôn và ngâm trong nước ở nhiệt độ phòng đến tuổi thí nghiệm.
3. Kết quả nghiên cứu và luận bàn
3.1. Nguyên tắc lựa chọn thành phần cho bê tông rỗng
Như đã phân tích, có thể chế tạo SCC trên cơ sở bê tông rỗng. Lựa chọn các thông số như sau đối với bê tông rỗng: Tính công tác phù hợp với tạo hình đầm nhẹ (theo [7]); độ rỗng thiết kế, r = 20% và cường độ chịu nén yêu cầu (mẫu trụ 100 x 200 mm) không nhỏ hơn 10 MPa, có thể chế tạo gạch bê tông lát vỉa hè theo TCVN 6477.
Nguyên tắc tính toán sơ bộ thành phần bê tông rỗng dựa trên quan điểm thể tích của bê tông là tổng thể thích của các pha trong hỗn hợp, theo đó có phương trình:
Trong đó:
Vcl - Thể tích cốt liệu trong 1m3 bê tông;
Mcl - Khối lượng cốt liệu trong 1m3 bê tông, kg;
Dcl - Khối lượng thể tích của cốt liệu (kg/m3);
Pcl - Khối lượng thể tích chọc chặt của cốt liệu (kg/m3);
b/b0 - Hệ số điều chỉnh lượng cốt liệu, tùy theo loại cốt liệu lớn và hàm lượng cốt liệu nhỏ (Bảng 4);
b - Thể tích đặc của cốt liệu trong một đơn vị thể tích bê tông;
b0 - Thể tích đặc của cốt liệu trong một đơn vị thể tích cốt liệu xốp;
Vh - Thể tích hồ chất kết dính trong bê tông (m3):
CKD - Lượng dùng hỗn hợp chất kết dính (kg);
Dckd - Khối lượng riêng của chất kết dính (kg/m3);
N - Lượng dùng nước (kg); Dn - Khối lượng riêng của nước (≈1000 kg/m3)
Hệ số hiệu chỉnh b/b0 được chọn, và nếu cần có thể nội suy, từ bảng 4 [7].
Bảng 4. Các giá trị hệ số b/bo theo [7].
Cần lưu ý rằng, Bảng 4 được thiết lập trên cơ sở bê tông rỗng sử dụng cốt liệu theo ASTM C33, theo đó hàm lượng cốt liệu nhỏ (m) tính theo khối lượng. Khi lựa chọn thành phần cho SCC, để tăng độ hút nước thường phải sử dụng thêm vật liệu chức năng như SAP hay sợi viscose, xét về phương diện thành phần hạt, có thể giả thiết rằng những vật liệu chức năng này đóng vai trò chiếm chỗ như cốt liệu nhỏ trong bê tông rỗng, từ đó có thể sử dụng được số liệu bảng 4 để hiệu chỉnh lượng cốt liệu.
Tuy nhiên khi đó cần xét trị số m tính theo thể tích. Lưu ý rằng trong cách tiếp cận này, để tránh những sai lệch có thể có do các hạt SAP hay sợi viscose thay đổi thể tích khi hút nước trong quá trình trộn hỗn hợp, cần tính toán thể tích của chúng theo trạng thái bão hoà (trong hồ xi măng).
Vai trò của SAP và sợi trong SCC không hoàn toàn giống nhau, tuy nhiên việc lựa chọn hàm lượng sơ bộ vật liệu chức năng này có thể theo cùng một quy trình như SCC sử dụng SAP được trình bày dưới đây.
Trong hồ xi măng, độ bão hoà nước của SAP thường đạt khoảng 10 - 30 lần theo khối lượng khô, thấp hơn nhiều so với trong nước sạch [10]. Để xác định giá trị b/b0 từ bảng 4, cần tính theo thể tích đối với hàm lượng cốt liệu nhỏ.
Khi SAP ở trạng thái hút nước bão hoà, kể cả trong hồ xi măng, thể tích chiếm chỗ trong bê tông là đáng kể. Theo đó, nếu coi SAP như cốt liệu nhỏ, có thể tính toán sơ bộ thể tích của nó ở trạng thái bão hoà trong hồ xi măng theo (5) và khối lượng khô của nó theo (6).
Trong đó:
Vsap(bh) - Thể tích SAP ở trạng thái bão hoà trong hồ xi măng;
Msap - Khối lượng SAP khô;
Vcl, Mcl, Dcl - Tường ứng là thể tích, khối lượng, khối lượng thể tích của cốt liệu lớn, tính theo (2) và (3);
m - Hàm lượng cốt liệu nhỏ (theo bảng 4);
n - Độ bão hoà nước của SAP trong hồ xi măng;
Dn - Khối lượng riêng của nước (≈ 1kg/L).
Để đơn giản trong tính toán, có thể coi rằng Vsap(bh) là thể tích của nước mà SAP đã hấp thụ từ dung dịch mô phỏng tương đương như trong hồ xi măng.
Tính toán sơ bộ theo các công thức từ (1) đến (6) có thể đảm bảo độ rỗng thiết kế cho bê tông rỗng. Tuy nhiên, ứng xử hút nước của SAP trong nước sạch và trong môi trường hồ xi măng có sự khác biệt. Mặt khác một phần SAP nằm sâu trong hồ xi măng sẽ chịu ảnh hưởng biến đổi cấu trúc mạnh hơn phần SAP nằm gần mặt ngoài hồ xi măng trên bề mặt cốt liệu.
Nếu xem thể tích SAP ở trạng thái bão hoà đủ lấp đầy thể tích rỗng trong bê tông thì sẽ xác định được lượng dùng SAP tối đa khi biết độ rỗng trong SCC và độ bão hoà của SAP - một hệ số phụ thuộc nhiều yếu tố, khó xác định chính xác.
Để thiết kế thành phần cho SCC cần điều chỉnh lượng dùng SAP bằng thực nghiệm sao cho thể tích nước mà nó hấp thụ được chiếm tỷ lệ đủ lớn so với thể tích rỗng còn lại trong SCC sau khi bão hoà nước.
Theo ACI 522R [7], lượng dùng nước và chất kết dính có thể tính toán sơ bộ từ thể tích hồ tìm được trên đồ thị thể hiện quan hệ độ rỗng thiết kế và hàm lượng hồ có xét đến loại cốt liệu. Tỷ lệ N/CKD được xác định bằng thực nghiệm, phù hợp tạo hình mẫu bê tông bằng phương pháp đầm.
Từ các phương trình (1) đến (4) tính toán sơ bộ thành phần bê tông rỗng, tiến hành thí nghiệm và hiệu chỉnh cấp phối theo định hướng đảm bảo khả năng tạo hình, độ rỗng và cường độ thiết kế. Từ cấp phối bê tông rỗng, tính toán chọn sơ bộ lượng dùng SAP (lớp đáy của SCCP), hoặc sợi viscose (lớp mặt của SCCP) theo (5) và (6).
Thử nghiệm các tính chất liên quan đến nước của bê tông với một số cấp phối định hướng có điều chỉnh lượng dùng SAP hoặc sợi viscose, nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến các tính chất mục tiêu của bê tông, từ đó có thể lựa chọn được cấp phối phù hợp.
3.2. Kết quả thực nghiệm thành phần và tính chất liên quan đến nước của bê tông
3.2.1. Nghiên cứu thành phần và tính chất của bê tông lớp đáy cho SCC
Kết quả tính toán và lựa chọn thành phần định hướng bê tông rỗng (độ rỗng 20%) và bê tông lớp đáy (B) của SCCP thể hiện trong Bảng 5. Hình ảnh một số mẫu chuẩn bị cho các thử nghiệm khối lượng thể tích và các tính chất liên quan đến nước thể hiện trên Hình 1.
Bảng 5. Thành phần và các tính chất của bê tông đáy.
Từ số liệu trong Bảng 5, xây dựng các biểu đồ biểu thị ảnh hưởng của hàm lượng SAP đến các tính chất của bê tông lớp đáy. Hình 2 thể hiện quy luật ảnh hưởng của lượng dùng SAP đến khối lượng thể tích của bê tông đáy (B).
Kết quả thể hiện trên Hình 2 cho thấy quan hệ tỷ lệ nghịch của hàm lượng SAP đến khối lượng thể tích của bê tông rỗng. Điều này phù hợp với thành phần cấp phối và khối lượng thể tích của vật liệu cấu thành bê tông.
Hàm lượng SAP tăng đồng nghĩa với hàm lượng xi măng và cốt liệu giảm, do đó khối lượng thể tích của bê tông giảm như thể hiện của phương trình hồi quy tuyến tính có hệ số tương quan 0,95.
Hình 3 mô tả độ hút nước theo khối lượng và theo thể tích của các cấp phối từ B1 đến B5. Kết quả cho thấy B5 có độ hút nước cao nhất do có hàm lượng SAP lớn nhất. Hình 4 thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng SAP đến độ rỗng toàn phần (r, %) và các tính chất liên quan đến nước của bê tông: độ hút nước theo khối lượng (Hp, %); độ hút nước mao quản (Ha, %).
Những quan hệ thể hiện trên Hình 4 theo các phương trình hồi quy tuyến tính với hệ số tương quan R2 = 0,86 - 0,96. Điều này thể hiện đúng vai trò của SAP là vật liệu chức năng hút và giữ nước mạnh hơn các thành phần rắn trong bê tông. Theo nguyên tắc tính toán thành phần như trình bày ở 3.1 thì độ rỗng thiết kế là không đổi.
Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy khi hàm lượng SAP tăng, độ rỗng của bê tông có xu hướng tăng. Điều này là do thí nghiệm xác định độ rỗng toàn phần, bao gồm độ rỗng hở (độ rỗng thiết kế) và độ rỗng bên trong các hạt vật liệu.
Khi lượng SAP tăng, dĩ nhiên sẽ làm tăng đáng kể độ rỗng bên trong các hạt, do cấu trúc và đặc tính hút nước mạnh của nó. Xu hướng này cũng phù hợp với quy luật giảm khối lượng thể tích của bê tông khi tăng lượng SAP.
Hình 5 mô tả ảnh hưởng của hàm lượng SAP đến hệ số thấm (Ks) và độ rỗng theo thể tích (Hv). Hình 4 và Hình 5 thể hiện rõ quy luật: tăng hàm lượng SAP dẫn đến tăng độ hút nước, tuy nhiên hệ số thấm của bê tông giảm đáng kể.
Sự có mặt của SAP làm tăng tổng độ rỗng của bê tông; tuy nhiên, bản thân SAP có khả năng thấm hút nước cao, dẫn đến trương nở thể tích, từ đó làm giảm độ rỗng hiệu dụng đối với quá trình thấm nước. Kết quả là hệ số thấm giảm nhanh từ 9 mm/s xuống còn 3 mm/s khi hàm lượng SAP tăng từ 0% lên 3%.
Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm như trên cho phép lựa chọn được thành phần hợp lý cho bê tông rỗng có khả năng hút và giữ nước đủ lớn, từ đó phát huy hiệu quả tự làm mát. Theo [5], bê tông tự làm mát cần có độ giữ nước không nhỏ hơn 0,15 g/cm³ và độ hút nước mao quản đạt trên 70%.
Kết quả thực nghiệm cho thấy bê tông lớp nền, với hàm lượng SAP đến 3%, đều có độ hút nước mao quản thấp hơn 70%. Điều này có thể là do hệ thống mao quản trong bê tông chưa đủ xốp mịn, mặc dù tổng độ rỗng tương đối lớn. Để hình thành hệ lỗ rỗng mao quản theo hướng gia tăng độ hút nước mao quản, cần áp dụng các giải pháp vật liệu và công nghệ SCCP phù hợp.
Trong nghiên cứu tiếp theo, SCCP được cấu tạo theo dạng hai lớp, trong đó lớp đáy sử dụng cấp phối B4 với chức năng chứa nước, còn lớp mặt đảm nhiệm chức năng vận chuyển nước mao quản và tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm.
3.2.1. Thành phần và tính chất của bê tông lớp mặt cho SCC
Lớp mặt của SCC được chế tạo từ cốt liệu D5 và xi măng PCB40 hoặc xi măng trắng PCW40 (XT) cùng bột màu vô cơ, có bổ sung thêm sợi viscose với tỷ lệ (2 - 3)% theo thể tích bê tông [1], mục đích là tăng khả năng hút nước mao quản để dẫn nước từ lớp dưới lên bề mặt để khuếch tán vào không khí, thực hiện chức năng tự làm mát.
Việc chế tạo lớp mặt dùng xi măng thông thường hoặc xi măng trắng kết hợp bột màu vô cơ (oxit Crom, oxit Sắt) để tạo màu trang trí cho SCC đồng thời cũng là để nghiên cứu ảnh hưởng của màu sắc đến tính chất hấp thụ và tỏa nhiệt bức xạ, liên quan đến hiệu ứng tự làm mát của SCC mà nội dung sẽ được trình bày trong bài báo khác.
Thành phần của bê tông lớp mặt (S) được tính toán sơ bộ tương tự như bê tông lớp đáy với độ rỗng thiết kế 20%. Lựa chọn hàm lượng bột màu 5% theo khối lượng xi măng để có được chất lượng màu sắc cho bê tông lớp mặt. Thành phần và một số tính chất của bê tông lớp mặt sau khi hiệu chỉnh bằng thực nghiệm được trình bày trong Bảng 6.
Bảng 6. Thành phần và tính chất của bê tông lớp mặt.
Kết quả thực nghiệm cho thấy khi trộn thêm sợi viscose ở trạng thái khô vào hỗn hợp, do sợi có tính hút nước cao nên cần thêm nước so với tính toán để hỗn hợp đạt khả năng tạo hình. Mặt khác, do tính chất khác nhau giữa các loại bột màu nên cũng ảnh hưởng đến lượng dùng nước.
Mặc dù vậy, bê tông lớp mặt chế tạo từ các cấp phối như Bảng 5 có các tính chất gần tương tự nhau; các tính chất liên quan đến nước thể hiện chất lượng tốt hơn bê tông đáy xét theo mục đích ứng dụng của SCC, trong đó độ hút nước theo khối lượng đạt 16% và độ hút nước mao quản đạt trên 70%, cao hơn đáng kể so với bê tông lớp đáy.
3.3. Nghiên cứu tính chất liên quan đến nước của SCC dạng tấm cấu tạo hai lớp
Nghiên cứu đã chế tạo mẫu tấm SCC cấu tạo hai lớp: Lớp đáy có cấp phối B5, dày 45 mm; lớp mặt dày 20 mm là một trong ba loại bê tông với các cấp phối So, Sg và Sr như Bảng 5. Sau 28 ngày bảo dưỡng tiêu chuẩn (1 ngày trong khuôn, phủ khăn ẩm; 27 ngày ngâm nước), từ 2 tấm cùng màu tiến hành cắt theo chiều rộng chia mỗi tấm làm 4 viên tiết diện hình vuông cạnh xấp xỉ 9 mm, sau đó chọn từ mỗi tấm đã cắt 2 viên đối xứng qua tâm của tấm để thử hệ số thấm nước, kết quả của phép thử là giá trị trung bình từ 4 kết quả cho mỗi viên.
Các tính chất độ hút nước mao quản và cường độ chịu nén được xác định từ 2 tấm cho từng màu và lấy giá trị trung bình. Khi thử, mẫu được nhúng nước và đặt theo phương làm việc của gạch. Ảnh chụp một số mẫu SCC thử nghiệm thể hiện trên Hình 6. Kết quả thí nghiệm trình bày trong Bảng 6.
Bảng 7. Tính chất liên quan đến nước của các tấm SCC.
Kết quả thực nghiệm cho thấy độ hút nước của tấm SCC tương đương với bê tông mặt và cao hơn đáng kể so với bê tông lớp đáy. Điều này có thể do SCC phát huy được tính trội khi kết hợp lớp đáy và lớp mặt để tạo nên một vật liệu “composite, theo đó khả năng giữ nước tăng lên dưới tác dụng thấm hút của lớp mặt có sợi viscose và lớp đáy có SAP.
Tuy nhiên độ hút nước mao quản của SCC giảm so với lớp mặt khi thử nghiệm riêng biệt, nguyên nhân có thể do trong quá trình thử nghiệm phần bê tông lớp mặt không tiếp xúc trực tiếp với nước.
4. Kết luận
Nghiên cứu đã đề xuất phương pháp tính toán sơ bộ cấp phối SCC trên cơ sở phương pháp chọn thành phần bê tông rỗng của ACI 522R [7]; lựa chọn được các vật liệu và thành phần phù hợp, trong đó có sử dụng các vật liệu chức năng như SAP và sợi viscose với mục tiêu chế tạo được bê tông có độ hút nước cao - điều kiện cần đối với SCC.
Bê tông lớp đáy sử dụng cốt liệu D10 kết hợp SAP với tỷ lệ hợp lý theo thểa tích là 3% đạt độ hút nước theo khối lượng xấp xỉ 14% (gần 22% theo thể tích). Bê tông lớp mặt sử dụng cốt liệu D5 bổ sung sợi viscose với hàm lượng 2,5% theo thể tích đạt độ hút nước 16%, độ hút nước mao quản đạt 74 - 78%. Các mẫu SCCP tổ hợp từ hai lớp bê tông này với các ba màu của lớp mặt đạt độ hút nước hơn 16%, độ hút nước mao quản trên 70%, khả năng giữ nước lớn hơn 200 kg/m3 bê tông, đạt yêu cầu cho bê tông tự làm mát theo [5].
Về số liệu thực nghiệm, phạm vi của bài báo chỉ trình bày kết quả độ hút nước của SCCP. Hiệu quả tự làm mát cần được kiểm chứng qua các thử nghiệm đo hệ số bay hơi và mức giảm nhiệt độ bề mặt sản phẩm cũng như môi trường không khí lân cận, từ đó đánh giá được tác động giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Những nghiên cứu đó sẽ được công bố trên bài báo tiếp theo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Maria Barthel, Wolfram Schmidt, Hans-Carsten Kühne (2013), Mitigation of the Urban Heat Island Effect by Self-Cooling Concrete Pavers, https://www.researchgate.net/publication/268075480.
[2]. Qunfang Huang, Yuqi Lu (2015), The Effect of Urban Heat Island on Climate Warming in the Yangtze River Delta Urban Agglomeration in China, International Journal of Environmental Research and Public Health 12; pp. 8773-8789.
[3]. Akbari, H; Pomerantz, M; Taha, H, (2001), Cool surfaces and shade trees to reduce energy use and improve air quality in urban areas, Solar Energy Vol. 70, No. 3 (2001); pp. 295-310
[4]. Santamouris, M; (2013), Using cool pavements as a mitigation strategy to fight urban heat island-A review of the actual developments; Renewable and Sustainable Energy Reviews 26 (2013); pp. 224-240
[5]. JIS A5731-2016 Precast Unreinforced Concrete Products.
[6]. TCVN 6477:2016 Gạch bê tông
[7]. ACI 522R-10 (2010): Report on Pervious Concrete.
[8]. ASTM C33/C33M-18 (2018), Standard Specification for Concrete Aggregates.
[9]. Nguyễn Nhật Trinh (2019), Nghiên cứu so sánh tính chất của sợi visco và tre, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 50/2019, trang 86-90.
[10]. Nguyễn Duy Hiếu (2018), Nghiên cứu và ứng dụng nội bảo dưỡng để giảm co ngót và nứt kết cấu bê tông cường độ cao, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ, Bộ Xây dựng.
