Đề tài nghiên cứu khoa học: Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ vữa phục vụ công nghệ in 3D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối vữa có sử dụng các loại phụ gia khoáng khác nhau phục vụ cho công nghệ in 3D. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng tận dụng, phối trộn các loại phụ gia khoáng như tro bay, nano silica cho cấp phối vật liệu in. Từ đó hướng đến giảm thiểu ô nhiễm môi trường nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về vật liệu in 3D như tính công tác, độ lưu động, khả năng xây, giữ hình dáng khối in và các yêu cầu về cường độ phục vụ cho công nghệ in 3D trong xây dựng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ vữa phục vụ công nghệ in 3D

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ IN 3D MÃ SỐ: SV2020-164 SKC 0 0 7 3 6 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ IN 3D Mã số đề tài: SV2020-164 Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nhật Quân Thuộc nhóm ngành khoa học: QUI HOẠCH – KIẾN TRÚC – XÂY DỰNG TP Hồ Chí Minh, 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ IN 3D Mã số đề tài: SV2020-164 Thuộc nhóm ngành khoa học: QUI HOẠCH – KIẾN TRÚC –XÂY DỰNG SV thực hiện: Trần Hữu Thanh - Mã số SV: 18149162 Hoàng Nhật Quân - Mã số SV: 18149152 Nguyễn Duy Quang - Mã số SV: 18149151 Hà Tấn Quang - Mã số SV: 18149150 Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Lớp 18149CL1, khoa: Đào tạo CLC Năm thứ: 2/Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ kĩ thuật công trình xây dựng Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đức Hùng TP Hồ Chí Minh, 10/2020
MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU 6 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Tình hình nghiên cứu 12 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 12 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15 1.3 Tính cấp thiết của đề tài 15 1.3.1 Vấn đề về môi trường 15 1.3.2 Ứng dụng các phụ gia khoáng vào thành phần cấp phối vật liệu in 3D 17 1.4 Mục tiêu của đề tài 18 1.5 Nhiệm vụ của đề tài 18 1.6 Phương pháp nghiên cứu 19 1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 19 1.7.1 Ý nghĩa khoa học 19 1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 Tổng quan về công nghệ in 3D và công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng 21 2.1.1 Công nghệ in 3D 21 1
2.1.1.1 Khái niệm công nghệ in 3D 20 2.1.1.2 Lợi ích của công nghệ in 3D 21 2.1.1.3 Ứng dụng công nghệ in 3D 22 2.1.2 Công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng 23 2.1.2.1 In nhà 3D trong xây dựng 25 2.1.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ in 3D trong xây dựng 27 2.2 Thành phần cấp phối vữa dùng cho in 3D 29 2.3 Phụ gia cho cấp phối vữa phục vụ công nghệ in 3D 30 2.3.1 Phụ gia tro bay 30 2.3.2 Phụ gia Nano Silica 33 2.3.2.1 Hợp chất silica 33 2.3.2.2 Nano silica 35 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và tính công tác của cấp phối 38 2.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ 38 2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đến tính công tác 37 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 39 3.1 Nguyên vật liệu 39 3.1.1 Xi măng 39 3.1.2 Phụ gia tro bay 41 3.1.3 Phụ gia Nano Silica (NaSiO2) 42 3.1.4 Cốt liệu Cát 42 3.1.5 Nước sạch 45 3.2 Thành phần cấp phối 45 3.3 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm 47 3.3.1 Phương pháp tạo mẫu 47 2
3.3.2 Phương pháp thí nghiệm 48 3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu 47 3.3.2.2 Thí nghiệm xác định độ lưu động của cấp phối 49 3.3.2.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn 50 3.3.2.4 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 52 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 55 4.1 Ảnh hưởng của độ lưu động và tỷ lệ Nước/Chất kết dính đến khả năng xây của hỗn hợp vữa tươi 55 4.2 Xác định cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén và khối lượng thể tích của mẫu vữa 57 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác, khả năng giữ hình dạng, cường độ của khối in 3D. 59 4.3.1 Hàm lượng chất kết dính có trong cấp phối 61 4.3.2 Tỷ lệ Nước/Chất kết dính có trong cấp phối 61 4.3.3 Tốc độ rải từng lớp in 3D 62 4.3.4 Thời gian rải từng lớp in 3D 63 4.3.5 Vệ sinh đường ống và thiết bị in 3D 63 4.4 Áp dụng công nghệ in 3D để tạo kết cấu tường chịu lực 64 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 66 5.1 Kết luận 66 5.2 Hướng phát triển của đề tài. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.1 Công nghệ in 3D trong chế tạo các sản phẩm có cấu trúc phức tạp 9 Hình 1.2 Render mô phỏng công nghệ in 3D cho các ngôi nhà nhỏ 11 Hình 1.3 Thí nghiệm kiểm tra khả năng giữ ổn định hình dáng của khối in 13 Hình 1.4 Máy in (trái) và mẫu khối in (phải) trong nghiên cứu của Maleab 14 Hình 1.5 Bãi xử lý tro bay 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Tạo ra vật thể biến hình từ công nghệ in 3D 21 Hình 2.2 Ngôi nhà văn phòng 3D ở Dubai được xây từ hỗn hợp xi măng và các loại phụ gia 23 Hình 2.3 Ứng dụng công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng 25 Hình 2.4 Ngôi nhà in 3D trong 24 giờ tại Nga trong bang tuyết năm 2018 26 Hình 2.5 Biệt thự xây bằng công nghệ in 3D-Winsun 28 Hình 2.6 Ảnh hưởng của khả năng xây của các lớp vữa cho công nghệ in 3D 30 Hình 2.7 Các dạng tồn tại của silica 34 Hình 2.8 Bột Nano silica 35 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Hình 3.1 Xi măng PCB 40- Phúc Sơn 39 Hình 3.2 Tro bay loại F – Formosa 41 Hình 3.3 Nano silica (Nano SiO2) 41 Hình 3.4 Cát sử dụng thí nghiệm 42 Hình 3.5 Biểu đồ thành phần hạt cát dụng trong thí nghiệm 43 Hình 3.6 Thiết bị đùn ép vữa rải phục vụ cho in 3D 46 Hình 3.7 Hình dáng lớp in 46 Hình 3.8 Quá trình đẩy vữa ra khỏi đầu in tạo nên lớp in 3D 47 Hình 3.9 Các lớp in được rải chồng chất lên nhau 48 4
Hình 3.10 Khối in sau khi đóng rắn 49 Hình 3.11 Thí nghiệm xác định độ lưu động của hỗn hợp 50 Hình 3.12 Mẫu vữa thí nghiệm uốn nén 51 Hình 3.13 Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn 51 Hình 3.14 Thí ngiệm xác định cường độ chịu nén 52 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Hình 4.1 Độ lưu động và tyt lệ Nước/Chất kết dính cho từng cấp phối 54 Hình 4.2 Cường độ chịu nén theo từng cấp phối 56 Hình 4.3 Cường đọ chịu uốn theo từng cấp phối 57 Hình 4.4 Khối lượng thể tích theo từng cấp phối 58 Hình 4.5 Hỗn hợp vữa bị khô tạo nhiều vết nứt đứt đoạn trên bề mặt lớp in 60 Hình 4.6 Các điểm đùn vữa khí tốc độ rải không đều 61 Hình 4.7 Chiều cao lớp từng chịu lực in 3D 62 Hình 4.8 Kết cấu tường chịu lực in 3D sau khi in 62 Hình 4.9 Kết cấu tường chịu lực in 3D sau khi đã đóng rắn 63 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1 Thành phần vật lý của tro bay 32 Bảng 2.2 Thành phần hóa học của tro bay 33 Bảng 2.3 Thành phần vật lý của Nano Silica (Nano SiO2) 36 Bảng 2.4 Thành phần hóa học của Nano Silica (Nano SiO2) 36 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Bảng 3.1 Thông số ký thuật của xi măng Phúc Sơn PCB 40 40 Bảng 3.2 Số lượng tích lũy thành phần hạt cát sử dụng trong thí nghiệm 43 Bảng 3.3 Thành phần cấp phối in 3D có sử dụng tro bay và nano silica 44 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Bảng 4.1 Kết quả độ lưu động và tỷ lệ Nước/Chất kết dính của hỗn hợp vữa tươi 53 Bảng 4.2 Kết quả cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và khối lượng thể tích vữa tươi theo từng cấp độ 55 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 6
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung - Tên đề tài: Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ vữa phục vụ công nghệ in 3D - Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nhật Quân Mã số SV: 18149152 - Lớp: 18149CL1B Khoa: Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Hoàng Nhật Quân 18149152 18149CL1B Chất lượng cao 2 Trần Hữu Thanh 18149162 18149CL1B Chất lượng cao 3 Hà Tấn Quang 18149150 18149CL1B Chất lượng cao 4 Nguyễn Duy Quang 18149151 18149CL1B Chất lượng cao - Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đức Hùng 2. Mục tiêu đề tài Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông có sử dụng các loại phụ gia khoáng khác nhau phục vụ cho công nghệ in 3D. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng tận dụng, phối trộn các loại phụ gia khoáng như tro bay, nano silica cho cấp phối vật liệu in. Từ đó hướng đến giảm thiểu ô nhiễm môi trường nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về vật liệu in 3D như tính công tác, độ lưu động, khả năng xây, giữ hình dáng khối in và các yêu cầu về cường độ phục vụ cho công nghệ in 3D trong xây dựng. Bên cạnh đó các cấp phối có sử dụng phụ gia có thể cải thiện khả năng chịu lực cho các lớp in, rút ngắn thời gian in và hạn chế lỗ rỗng bên trong lớp in, giúp cho khối in đặc chắc hơn. 7
3. Tính mới và sáng tạo Không phụ thuộc vào hình dạng ván khuôn, tạo ra cơ hội sáng tạo cho các công trình, cấu kiện có nhiều hình dạng phức tạp mà phương pháp truyền thống khó hoặc không thực hiện được 4. Kết quả nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng như tro bay và nano silica bên trong cấp phối vật liệu in 3D. Kết quả cho thấy cấp phối giảm 20% xi măng và thay thế 5% tro bay, 5% nano silica thì khả năng dễ chảy của hỗn hợp cấp phối CP3 dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung động trong quá trình đúc mẫu là cao nhất. Hỗn hợp được tạo ra đảm bảo tính công tác tốt, nhào trộn tốt, luân chuyển qua các thiết bị, máy móc in 3D dễ dàng và sản phẩm đóng rắn tốt khi thi công chế tạo. Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của cấp phối này cũng đạt giá trị cao nhất chứng tỏ sự tác động của phụ gia tro bay kết hợp phụ gia nano silica trong cấp phối đạt hiệu quả cao. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài Đóng góp vào nguồn nguyên liệu cho công nghệ in 3D khi xét về tổng thể lợi ích mà công nghệ in 3D áp dụng cho xây dựng với nhiều lợi ích thiết thực. Đóng góp các kết quả thực nghiệm vào nguồn tài liệu, hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong lĩnh vực này. Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài 8
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài: Ngày tháng năm Người hướng dẫn 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Đi cùng với sự phát triển xã hội hiện đại ngày nay, công cuộc đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển khoa học kỹ thuật đa ngành nghề trên toàn cầu đã tạo nên rất nhiều thành tựu có ý nghĩa quan trọng. Trong đó, các thành tựu từ công nghệ in 3D có thể áp dụng một cách hiệu quả ở đa ngành nghề. Các sản phẩm in 3D rất đa dạng về vật liệu cấu tạo, kích thước và hình dáng hình học từ đơn giản đến phức tạp. Trong ngành công nghiệp xây dựng, công nghệ in 3D hiện nay đã và đang được đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo và áp dụng tại nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới. Hình 1.1. Công nghệ in 3D trong chế tạo các sản phẩm có cấu trúc phức tạp [1] Theo Wikipedia thuật ngữ “In 3D trong xây dựng” có khái niệm rất đa dạng. In 3D Xây dựng (C3DP) hoặc In Xây dựng 3D (3DCP) đề cập đến các công nghệ khác nhau sử dụng in 3D 10
làm phương pháp cốt lõi để chế tạo các tòa nhà hoặc các cấu kiện xây dựng. Các thuật ngữ thay thế cũng được sử dụng, chẳng hạn như Sản xuất đắp dần quy mô lớn (LSAM), hoặc Xây dựng tự do (FC), cũng liên quan đến các nhóm phụ như 'Bê tông 3D', được sử dụng để chỉ các công nghệ ép đùn bê tông. [2] Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để khái niệm về Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ sản xuất đắp dần, Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp, ... Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) thì “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Các ứng dụng của công nghệ 3D ngày càng được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau, từ các lĩnh vực vĩ mô như hàng không, vũ trụ, quốc phòng đến các ngành nghề cơ bản như y tế, giáo dục, nghệ thuật, thời trang hay cả ẩm thực, đồ dùng sinh hoạt gia đình, … Trong đó công nghệ in 3D trong ngành xây dựng hiện nay tuy chỉ mới nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn đầu nhưng đã cho một số kết quả khả quan. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng có thể in ra các mô hình kiến trúc, thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế. Vật liệu áp dụng phổ biến nhất cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay chủ yếu là nhựa, cát hoặc bê tông. Với rất nhiều nỗ lực nghiên cứu để nâng cao về chất lượng, tốc độ, chi phí vật liệu, chi phí lao động và cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động đến môi trường thì công nghệ in 3D đã và đang dần chứng minh tính hiệu quả cao trong lĩnh vực xây dựng hiện nay. Bên cạnh những nghiên cứu áp dụng cho công nghệ in 3D trong xây dựng thì nghiên cứu về vật liệu xây dựng phục vụ cho in 3D đang được chú trọng và ứng dụng đa dạng nhiều loại vật liệu khác nhau. Để đáp ứng được tính công tác của cấp phối trong quá trình in, để đạt được giá trị cường độ chịu lực cao thì sử dụng các loại phụ gia bổ sung vào cấp phối đang là giải pháp được 11
lựa chọn rất nhiều trong các cấp phối bê tông dành cho công nghệ in 3D hiện nay. Với từng loại phụ gia cũng như hàm lượng phối trộn mà cấp phối thành phẩm đạt được các yêu cầu khác nhau của người sử dụng và góp phần hoàn thiện hơn cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay. Ngoài những nguồn vật liệu truyền thống như chất kết dính là xi măng, cốt liệu là cát đá thì các loại phụ gia có thể được nghiên cứu và áp dụng phối trộn vào trong thành phần cấp phối như phụ gia khoáng hoặc các loại phụ gia hóa học. Thành phần các loại phụ gia khoáng thông thường có thể là các phụ phẩm trong các ngành công nghiệp khác như phụ phẩm tro bay trong ngành công nghiệp nhiệt đện, … Khi các loại phụ phẩm này được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi sẽ mang lại lợi ích rất lớn về việc giảm lượng chất thải gây ô nhiễm môi trường và góp phần đa dạng các nguồn nguyên vật liệu in, phù hợp với từng địa phương, vùng, lãnh thổ, v.v … Hình 1.2. Render mô phỏng công nghệ in 3D cho các ngôi nhà nhỏ [3] 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Xuất phát từ các ứng dụng y tế đến hàng không, vũ trụ cũng như thành tựu cho các sự phát triển của rất nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác trong đời sống, Fatemeh Hamidi và Farhad Aslani [4] đã nghiên cứu về công nghệ sản xuất bồi đắp (AM), thường được gọi là in 3D, đã cách mạng hóa các ngành công nghiệp sản xuất và xây dựng. Bên cạnh nhiều ưu điểm và lợi ích, Fatemeh 12
Hamidi và Farhad Aslani đã chỉ ra đối với khoa học vật liệu xây dựng, nhiều thách thức được đặt ra đòi hỏi phải được giải quyết. Các yếu tố then chốt khi sử dụng công nghệ này là phát triển vật liệu xi măng tổng hợp thông minh sao cho thích hợp cho quá trình in kết cấu 3D. Sử dụng phụ gia cho xi măng là một trong những giải pháp đảm bảo chất lượng trong quá trình in 3D. Peng Wu đã đánh giá về tầm quan trọng của công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng. Tác giả phân tích và đưa ra đánh giá về khả năng tùy biến được tăng lên, thời gian xây dựng, nhân lực và chi phí xây dựng giảm đi. Bên cạnh đó tác giả cũng chỉ ra về một số lưu ý cần khắc phục là các thử nghiệm và cải tiến công nghệ còn rời rạc, mức độ hiểu biết về công nghệ chưa được tối ưu, tiềm năng triển khai các dự án xây dựng sử dụng công nghệ in 3D bị hạn chế, … Do đó cần phải hiểu rõ về công nghệ để khắc phục khuyết điểm và ứng dụng tốt hơn trong tương lai. [5] So sánh với phương pháp thi công truyền thống, sản phẩm in 3D giảm được lượng vật liệu thừa, chi phí ván khuôn và tối thiểu hóa nguồn nhân lực. Với kết quả đạt được trong nghiên cứu của Rouhana [6] đã chỉ ra rằng chi phí có thể giảm đến 40% tổng ngân sách cho quá trình xây dựng. Peng Feng và các cộng sự đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D sử dụng vữa gốc xi măng. Tác giả thực hiện các thí thí nghiệm nén và uốn mẫu để xác định các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D và dát mỏng các lớp in với độ định hướng rõ ràng. Kết quả thu được là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cũng như mức độ hỏng hóc và phá hủy của sản phẩm chịu sự ảnh hưởng rất lớn từ hướng in (in theo chiều dài hoặc in theo chiều rộng của sản phẩm in)[7]. Yi Wei Tay cùng các cộng sự [8] đã thêm các thành phần phụ gia khoáng như Tro bay, Silica Fume theo các hàm lượng và tỷ lệ khác nhau trong cấp phối vữa cho công nghệ in 3D. Kết quả cho thấy trong sáu cấp phối, các tác giả đã đưa ra cấp phối thứ tư là cấp phối tối ưu nhất về khả năng chịu lực, cụ thể là lực cắt. Cấp phối được lựa chọn có hàm lượng tro bay và phụ gia Silicafume lần lượt chiếm 7% và 3.6% trên tổng khối lượng cấp phối. Độ bền chống cắt đạt trong phạm vi từ 0.5-1.0 kPa và theo các tác giả đây là độ bền phù hợp khi phải tạo mẫu in thành công 13
mà không gặp bất kỳ khó khăn về tính công tác cũng như không gây hư hỏng, các khuyết tật cho sản phẩm. Ngoài ra các tác giả còn làm thí nghiệm kiểm tra khả năng xây dựng của các cấp phối khi liên tục rải các lớp in theo từng mốc thời gian giống nhau. Hình 1.3. Thí nghiệm kiểm tra khả năng giữ ổn định hình dáng của khối in [8] S. Lim, R. Buswell cùng các cộng sự [9] đã thực hiện phối trộn vữa xi măng và thạch cao làm nguồn vật liệu in 3D, cường độ chịu nén của cấp phối có sử dụng kết hợp thạch cao mang lại kết quả rất khả quan, đạt từ 100-110 MPa. Vòi in hình tròn được thay đổi linh hoạt với đường kính dao động từ 4-22 mm, khối lượng riêng của bê tông in 3D của các tác giả thí nghiệm là 2300kg/m3. Sản phẩm được tạo ra có độ bền cao, cường độ chịu uốn có thể dẻo dai gấp ba lần so với các cấp phối vữa thông thường và sản phẩm cũng đạt cường độ chịu nén tốt. S.Lim cũng chỉ ra đối với những cấp phối càng có nhiều lỗ rỗng bên trong các lớp in sẽ gây giảm đến 20% cường độ chịu lực của các lớp in. Malaeb cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo đến tính chảy và khả năng xây dựng của vữa gốc xi măng. Theo báo cáo, trong hỗn hợp có tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn, hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao (0,95% đến 2,5% so với trọng lượng nước) sẽ làm tăng cường độ nén và độ chảy của hỗn hợp nhưng nó làm giảm khả năng xây dựng các lớp in một cách đáng kể. Tỷ lệ nước-xi măng và hàm lượng phụ gia siêu dẻo tối ưu (khả năng chảy tốt hơn và khả 14
năng xây dựng) được tìm thấy lần lượt là khoảng 0,39 và 1,9% dành cho máy in 3D có đường kính vòi phun 2 cm, được sử dụng để xây tường cao 10cm mà không có bất kỳ sự cố hỏng hóc nào. Hình 1.4. Máy in (trái) và mẫu khối in (phải) trong nghiên cứu của Malaeb [10] 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện chưa tìm thấy các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 1.3 Tính cấp thiết của đề tài 1.3.1 Vấn đề về môi trường Tính đến thời điểm hiện nay, nguồn thủy điện trên toàn quốc về cơ bản đã khai thác gần hết, chỉ còn một số dự án mở rộng và các công trình thủy điện vừa và nhỏ. Trong khi theo Quy hoạch phát triển điện lưới quốc gia năm 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII), dự báo tốc độ tăng trưởng sản lượng điện vẫn ở mức trên 10%/năm, gần gấp đôi so với tốc độ tăng trưởng GDP cả nước. [11] Do đó, để bảo đảm nguồn điện buộc phải phát triển các ngành công nghiệp nhiệt điện than, đồng nghĩa sẽ gây nguy cơ ô nhiễm môi trường là rất cao nếu không có sự quản lý chặt chẽ và đi kèm với những giải pháp khả thi, đặc biệt là các nghiên cứu tận dụng, tái chế, tái sử dụng các nguồn phế phẩm, phụ phẩm của ngành nhiệt điện như tro bay, tro xỉ, than xỉ, … 15
Trong quá trình đốt cháy than để sản xuất điện, khoảng 20% chất vô cơ không cháy và cả lượng than chưa cháy hết bị dính vón thành các hạt lớn và rơi xuống đáy lò gọi là xỉ than hay tro đáy. 80% chất vô cơ không cháy còn lại sẽ bay theo khói lò thoát ra ngoài thành tro bay. Tro bay xỉ than thường được thu hồi bằng hệ thống lọc bụi tĩnh điện. Theo báo cáo của Bộ Công thương, tro, xỉ, thạch cao hiện nay chủ yếu phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than. Các nhà máy này tiêu thụ khoảng 47,8 triệu tấn than/năm với lượng tro xỉ, thạch cao thải ra hàng năm hơn 16,4 triệu tấn/năm. Năm 2020 đã có thêm nhiều dự án nhiệt điện than được đưa vào hoạt động, tiêu thụ khoảng 60 triệu tấn than/năm và phát sinh khoảng 20,5 triệu tấn tro xỉ, thạch cao, … [12] Hình 1.5. Bãi xử lý tro bay Với thành phần hạt có trọng lượng nhẹ, kích thước hạt rất nhỏ (tương đương 1/3 hạt xi măng), tro xỉ có thể bay tự do trong không khí, phát tán khắp nơi. Đây là nỗi lo ngại của cư dân 16
gần nhà máy nhiệt điện và xung quanh nơi chôn lấp tro bay. Không chỉ phát tán trong không khí, chỉ cần có mạch nước ngầm nhỏ cũng có thể đem tro đi khắp mọi ngõ ngách trong lòng đất, với các thành phần của tro bao gồm những ô xít kim loại nặng như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, NaO, TiO2, ... gây ô nhiễm nguồn nước, gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm. Tuy nhiên, loại chất thải này lại hoàn toàn có thể tái sử dụng làm phụ gia cho bê tông, làm nguyên liệu sản xuất xi măng cũng như và nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng. Ở nhiều nước trên thế giới, tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện được sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xây dựng. Việc sử dụng rác thải công nghiệp như tro xỉ than trong xây dựng đường giao thông luôn được khuyến khích và đôi khi là một điều kiện bắt buộc. Tại Pháp, 99% tro xỉ than được tái sử dụng, tại Nhật Bản con số này là 80% và Hàn Quốc là 85%. Trong công nghiệp xi măng, tro thô được dùng để thay thế đất sét, một trong những nguyên liệu chính để sản xuất xi măng, vì tro có thành phần hóa học gần như tương tự đất sét. Chính vì vậy, ở các nước tiên tiến, bên cạnh nhà máy nhiệt điện luôn có các nhà máy xi măng để sử dụng tro xỉ than tại chỗ. Ngoài ra, tro, xỉ, thạch cao còn có thể được sử dụng để làm chất liên kết, gia cố các công trình giao thông, sản xuất gạch không nung, bê tông nhẹ, làm tấm trần, tường thạch cao, gốm sứ,… 1.3.2 Ứng dụng các phụ gia khoáng vào thành phần cấp phối vật liệu in 3D Xuất phát từ khả năng ứng dụng đa dạng các loại phụ gia khoáng khác nhau như tro bay, nano silica vào cấp phối in 3D trong xây dựng, đề tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến vật liệu xây dựng phục vụ cho công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng, góp phần đa dạng hóa tính ứng dụng của công nghệ này. Các vật liệu được nghiên cứu là các thành phần phụ gia khoáng như tro bay và nano silica được phối trộn vào cấp phối vữa sao cho hỗn hợp đảm bảo tính công tác tốt, đóng rắn tốt khi thi công chế tạo, phù hợp với công nghệ in 3D trong xây dựng. Với sự phối trộn các nguồn nguyên vật liệu với các loại phụ gia, phụ phẩm khác nhau dành cho bê tông và vữa vào cấp phối, sản phẩm vữa được tạo ra đạt các yêu cầu về tính công tác, độ 17