Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
nNgày nhận bài: 24/5/2022 nNgày sửa bài: 13/6/2022 nNgày chấp nhận đăng: 13/7/2022
Đánh giá khả năng thấm nước của
tường bê tông in 3D
Evaluation of water penetration of 3D printed concrete wall
> TRẦN VĂN MIỀN1,2*, NGUYỄN THỊ HẢI YẾN3, CÙ THỊ HỒNG YẾN1,2
1
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM.
2
Đại học Quốc gia TP. HCM.
3
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM.
*
Email: tvmien@hcmut.edu.vn
TÓM TẮT ABSTRACT
In bê tông 3D trong xây dựng là quá trình tạo hình các đối tượng (vật thể 3D concrete printing construction is an additive manufacturing
công trình) ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu bê tông lên nhau technique, in which, a structure is built by adding concrete
và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể đã được layer by layer under CAD software control. 3D printing
vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer-Aided Design). Với ưu việt về khả techonology is used to print amazing concrete walls which are
năng tạo hình, công nghệ in 3D thường được ứng dụng để in tường công trình
exposed to environment, then water penetration resistance
xây dựng. Trong công trình xây dựng, cấu kiện tường có tác dụng bao che và
becomes one of the most important properties to 3D concrete
một trong các chỉ tiêu quan trọng đối với cấu kiện này là khả năng chống
thấm. Bài báo này trình bày phương pháp đánh giá khả năng thấm nước của wall. This paper presented a evaluation of water penetration of
tường bê tông in 3D theo tiêu chuẩn ASTM E514. Mô hình thí nghiệm thấm 3D concrete wall by ASTM E514. In this test, concrete walls
được thực hiện trên tường bê tông sau khi in 3D ở 7 ngày tuổi, khối tường bê whose dimensions of 1100x1600 mm (width and height) were
tông in 3D có kích thước 1100x1600mm (rộngxcao). Kết quả nghiên cứu cho printed and wet cured up to 7 days before testing. Results
thấy, mức độ thấm và hệ số thấm nước của tường bê tông in 3D thấp hơn so showed that water penetrated through at interface between 2
với tường gạch đất sét nung, tường bê tông in 3D xuất hiện thấm chủ yếu tại printed concrete layers, whereas water did not penetrate
vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông in 3D kế cận nhau, nước không thấm qua vật through each concrete layer, therefore, it is necessary to
liệu bê tông ở từng lớp in, vì vậy, cần phải có giải pháp chống thấm cho lớp apply water proof layer to 3D concrete wall in case that this
tường bê tông in 3D khi lớp tường bê tông này là tường ngoài. concrete wall is an external wall.
Từ khóa: Bê tông, in 3D, thấm tường. Key words: Concrete, 3D printing, water penetration
1. GIỚI THIỆU dựng cũng không ngoại lệ. Công nghệ bê tông in 3D dùng cho
Quá trình tạo hình vật thể bằng công nghệ in 3D có nét độc ngành Xây dựng là một xu hướng công nghệ hướng đến phát triển
đáo là có thể tạo ra vật thể với bất kỳ hình dáng nào, và nhanh mà xây dựng bền vững khi có thể giảm được đáng kể chất thải xây
không cần khuôn, quá trình xây dựng được thực hiện tự động hóa dựng, giảm nhân công lao động, tăng độ an toàn làm việc cho
với tốc độ cao, ít lao động, và đặc biệt là loại bỏ đáng kể chất thải công nhân xây dựng, tăng tốc độ xây dựng và gia tăng tính độc
vật liệu trong quá trình xây dựng do thi công công trình không cần đáo về kiến trúc cho công trình xây dựng [1, 2, 3].
ván khuôn. Bằng việc áp dụng công nghệ in bê tông 3D sẽ có thể Đối với in bê tông 3D, chất lượng của khối in được đánh giá
giảm đáng kể chất thải xây dựng khi không cần ván khuôn để tạo thông qua tính đồng đều về kích thước, hình dạng, cường độ, bám
hình cấu kiện xây dựng, lượng bê tông trộn được kiểm soát cẩn dính và sự đặc chắc giữa hai lớp bê tông liền kề nhau [4, 5, 6].
thận trong hệ thống tự động và nguyên liệu chế tạo mực in bê Trong quá trình in bê tông, không khí có thể bị cuốn vào và tạo
tông có thể tận dụng các chất thải rắn (tro xỉ nhiệt điện, xà bần xây thành khuyết tật lỗ rỗng tại vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp in, từ đó làm
dựng, thạch cao...), các cấu trúc bê tông in 3D có khả năng tiết giảm liên kết bám dính và tăng nguy cơ thấm nước xuyên qua khối
kiệm đáng kể chi phí xây dựng, cải thiện năng suất và trên hết, có bê tông in 3D [7, 8]. Một số nghiên cứu cho thấy rằng, để gia tăng
thể hạn chế đáng kể tác động môi trường bằng cách sử dụng ít vật liên kết bám dính và tăng khả năng chống thấm nước cho khối bê
liệu hơn và tạo ra ít chất thải hơn. Hiện nay, tất cả các ngành sản tông in 3D, thêm vào thành phần hỗn hợp bê tông in 3D một hàm
xuất của Việt Nam chúng ta đang hướng đến việc ứng dụng thành lượng phù hợp của các loại phụ gia khoáng như tro bay, silicafume
quả của cách mạng công nghiệp 4.0, và ngành công nghiệp xây hoặc khoáng sét. Ngoài ra, các chất có tác dụng gia tăng dưỡng hộ
70 8.2022 ISSN 2734-9888
- nội sinh cho bê tông cũng có tác dụng gia tăng bám dính và giảm 3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THẤM NƯỚC CỦA
thấm nước cho khối bê tông in 3D [9, 10]. TƯỜNG
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về đánh giá khả năng Thí nghiệm đánh giá khả năng thấm nước của bê tông in 3D
thấm nước của khối tường bê tông in 3D theo ASTM E514 [11]. Kết được đánh giá theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ASTM E514. Mô
quả nghiên cứu có ý nghĩa nhận xét khả năng chống thấm nước, vị hình thí nghiệm này được thực hiện trên tường bê tông sau khi in
trí thấm nước của tường bê tông in 3D so với tường xây bằng gạch 3D ở 7 ngày tuổi, khối tường bê tông in 3D có kích thước
đất sét nung. 1100x1600x50 mm (rộng x cao x dày), mô hình thí nghiệm này thể
hiện ở hình 3, 4 và 5. Ngoài ra, thí nghiệm này cũng được thực hiện
2. IN 3D TẠO HÌNH KHỐI TƯỜNG BÊ TÔNG với khối xây bằng gạch đất sét nung tô một mặt để so sánh với
Khối tường bê tông được tạo hình bằng máy in 3D, tường có tường bê tông in 3D. Gạch đất sét nung Mác 75, có kích thước
chiều dày 50 mm, rộng 1100 mm và cao 1500 mm. Bê tông in 3D 80x80x180 mm, tường gạch đất sét nung được xây và tô bằng vữa
thiết kế đạt M500 ở 28 ngày, cấp phối bê tông dùng trong nghiên xi măng Poóclăng M100.
cứu thể hiện ở bảng 1. Các thiết bị và dụng cụ cần có để thực hiện thí nghiệm này bao
Bảng 1: Cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu gồm: Máy bơm nước, hệ thống ống phun tia nước lên mặt tường,
Xi măng Cát sông Phụ gia Nước Phụ gia Phụ gia hệ thống tuần hoàn nước, máy nén khí tạo áp suất và thiết bị đo áp
PC50 (kg/m3) khoáng (Lit/m3) siêu hóa điều chỉnh suất.
(kg/m3) (kg/m3) dẻo độ nhớt Trình tự thí nghiệm đánh giá khả năng thấm nước qua tường
(Lit/m3) (Lit/m3) bê tông in 3D thực hiện theo ASTM E514 như sau:
595 1190 240 179 8,9 1,8 - In bê tông 3D tạo hình tường, hoặc xây khối xây bằng gạch
Máy in bê tông 3D hoạt động theo nguyên lý cần trục được sử đất sét nung (gạch 8x8x18 cm), một mặt để hở, mặt còn lại tô bằng
dụng để in tường bê tông dùng để thí nghiệm thấm nước của vữa xi măng hỗn hợp PCB40 nếu là tường gạch đất sét nung. Khối
tường bê tông (hình 1). Trước khi in 3D, hỗn hợp bê tông sẽ được xây được lưu trong phòng thí nghiệm 14 ngày, thời gian này là tối
kiểm tra tính liên tục của dải bê tông trong quá trình đùn ra khỏi thiểu 7 ngày đối với tường bê tông in 3D.
vòi in, nếu dải bê tông đùn ra liên tục thì sẽ chuyển sang bước in - Lắp đặt các thiết bị: hộp mica, ống tuần hoàn phun nước và
3D liên tục của máy in. Thí nghiệm đánh giá khả năng đùn tạo thu hồi nước, vòi phun khí vào hộp mica.
thành dải in bê tông liên tục được thực hiện khi máy in 3D đứng im - Tiến hành thí nghiệm liên tục 72 giờ: khí bơm vào trong hộp
một chỗ trong khi vít đùn vật liệu bê tông ra khỏi vòi in tương ứng mica với áp lực 0,7 kgf/cm2, nước bơm vào ống và phun liên tục lên
(vòi in vuông, cạnh 20 mm) với lưu lượng là 25 ml/s. Các thông số bề mặt khối xây với lưu lượng 150 lít/giờ.
của quá trình in 3D bê tông tạo hình mô hình tường nhà ở được - Quan sát, ghi nhận các hiện tượng ở mặt khối xây có tô vữa xi
lựa chọn thử nghiệm như sau: măng hỗn hợp PCB40 hoặc mặt sau của tường bê tông in 3D, và
- Tốc độ in (tốc độ di chuyển của vòi in): 60 mm/s. thu hồi lượng nước thấm qua khối xây/tường bê tông.
- Kích thước vòi in: vòi in hình vuông có kích thước cạnh là 20 mm. - Dựa vào lượng nước thấm qua khối xây/tường bê tông, tính
- Chiều cao của lớp in: 10 mm. toán hệ số thấm nước của khối xây/tường bê tông in 3D theo công
thức sau:
V
K
t.S
K: hệ số thấm nước (ml/cm2.s)
t: thời gian thí nghiệm (s)
S: diện tích khối xây nằm trong hộp mica có phun nước (cm2)
V: thể tích nước thấm xuyên qua tường (ml)
Hình 1. In 3D tạo hình các khối tường bê tông để thí nghiệm thấm nước
Hình 2. Kiểm tra khả năng đùn bê tông qua vòi in trước khi thực hiện in 3D Hình 3. Mô hình thí nghiệm thấm tường bê tông in 3D thực hiện theo ASTM E514
ISSN 2734-9888 8.2022 71
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Bảng 2: Kết quả thí nghiệm thấm tường gạch đất sét nung thực hiện theo ASTM E514
Mẫu thí Lượng nước thấm
Hiện tượng Thời Hệ số thấm
nghiệm qua thu được
gian (ml/cm2.s)
(ml)
Khối xây gạch - Xuất hiện vết nước thấm ở mặt sau khối xây. 5 phút 0 0
đất sét nung
- Toàn bộ mặt sau khối xây bị thấm ướt, 2 cạnh tường xuất hiện vết thấm nước. 4 giờ 0 0
- Xuất hiện giọt nước bám trên tường ở mặt sau khối xây. 24 giờ 0 0
- Xuất hiện nhiều giọt nước bám trên tường ở mặt sau khối xây. Các giọt nước 48 giờ 0 0
chảy thành dòng từ trên xuống dưới chân khối xây.
- Xuất hiện nhiều giọt nước bám trên tường ở mặt sau khối xây. Các giọt nước 72 giờ 22 78,6*10-10
chảy thành dòng từ trên xuống dưới chân khối xây và chảy ra máng thu nước.
Bảng 3: Kết quả thí nghiệm thấm tường bê tông in 3D thực hiện theo ASTM E514
Mẫu thí Lượng nước thấm
Hiện tượng Thời gian Hệ số thấm
nghiệm qua thu được
(ml/cm2.s)
(ml)
Tường bê - Xuất hiện vết nước thấm ở mặt tường bê tông. 4 giờ 0 0
tông in 3D
- Toàn bộ mặt sau tường bị thấm ướt, 2 cạnh tường xuất hiện vết thấm nước. 10 giờ 0 0
- Xuất hiện giọt nước bám trên mặt sau và 2 cạnh của tường. 24 giờ 0 0
- Xuất hiện nhiều giọt nước bám trên mặt sau và 2 cạnh của tường. Các giọt 48 giờ 0 0
nước chảy thành dòng tại vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông in 3D.
- Xuất hiện nhiều giọt nước bám trên mặt sau và 2 cạnh của tường. Các giọt 72 giờ 15 53,6*10-10
nước chảy thành dòng tại vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông in 3D và chảy ra
máng thu nước.
xuất hiện thấm nước ở mặt sau của tường và thể tích nước thấm
xuyên qua tường sau khi kết thúc quá trình thí nghiệm.
Kết quả thí nghiệm thấm tường xây bằng gạch đất sét nung và
tô một mặt bằng vữa xi măng, và tường bê tông in 3D được thể
hiện lần lượt ở bảng 2 và 3. Hiện tượng thấm nước trong quá trình
thí nghiệm tường bê tông in 3D và tường xây bằng gạch đất sét
nung được thể hiện lần lượt ở hình 6 và 7.
Hình 4. Thí nghiệm thấm tường của khối Hình 5. Thí nghiệm thấm tường bê tông in
xây bằng gạch đất sét nung thực hiện theo 3D thực hiện theo ASTM E514
ASTM E514
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Thí nghiệm thấm tường được thực hiện theo quy trình của mục
3 ở trên đối với tường bê tông in 3D và tường xây sử dụng gạch
đất sét nung được tô một mặt bằng vữa xi măng, thời gian thí Hình 6. Nước thấm qua tường bê tông in Hình 7. Nước thấm sang mặt sau của khối
nghiệm tiến hành liên tục 72 tiếng. Trong quá trình thí nghiệm, 3D trong quá trình thí nghiệm thực hiện xây bằng gạch đất sét nung trong thí
tiến hành quan sát hiện tượng thấm, vị trí thấm, thời điểm bắt đầu theo ASTM E514 nghiệm thấm thực hiện theo ASTM E514
72 8.2022 ISSN 2734-9888
- Kết quả thí nghiệm thể hiện ở bảng 1 và 2 cho thấy rằng, khả LỜI CẢM ƠN
năng kháng thấm nước của tường bê tông in 3D tốt hơn so với Nghiên cứu này được tài trợ bởi Qũy Phát triển khoa học và
tường gạch đất sét nung tô vữa xi măng một mặt. Hệ số thấm công nghệ TP.HCM – Sở khoa học và công nghệ TP.HCM trong
nước của tường bê tông in 3D thấp hơn đáng kể so với tường gạch khuôn khổ hợp đồng số 07/2021/HĐ-QKHCN. Chúng tôi xin cảm
đất sét nung. Thí nghiệm thấm tường thực hiện theo ASTM E514 là ơn Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG – HCM đã hỗ trợ thời gian và
thí nghiệm mô phỏng điều kiện thấm của tường biên (tường phương tiện vật chất cho nghiên cứu này.
ngoài) của công trình, trong đó khả năng nước thấm xuyên tường
được thúc đẩy bằng hệ thống phun tia nước liên tục trong điều TÀI LIỆU THAM KHẢO
kiện áp suất 0,7 kgf/cm2 được duy trì tác dụng lên tường suốt [1] G.D.Schutter, K.Lesage, V.Mechtcherine, V.N.Nerella, G.Habert, I.Agusti-Juan,
trong quá trình thí nghiệm. Trong điều kiện thí nghiệm như vậy, “Vision of 3D printing with concrete — Technical, economic and environmental potentials,
tường gạch đất sét nung tô một mặt (ở mặt sau) bị thấm xuyên ”Cement and Concrete Research journal, pp. 25–36,2018. Doi:
nước rất nhanh, ngay sau 5 phút thí nghiệm thì vệt thấm nước đã 10.1016/j.cemconres.2018.06.001.
xuất hiện ở mặt sau của tường, đến 4 giờ sau khi thí nghiệm thì [2] T.Wangler, E.LIoret, L.Reiter, N.Hack, F.Gramazio, M.Kohler, M. Bernhard,
toàn bộ mặt sau tường đã thấm đẫm nước, nước thấm xuyên qua B.Dillenburger, J. Buchli, N.Roussel and R.Flatt, “Digital Concrete: Opportunities and
khối xây và tạo thành dòng chảy nhỏ có xu hướng chảy từ trên Challenges,” RILEM Technical Letters, pp. 1: 67 – 75, 2016, Doi:
phần đỉnh cao của tường và xuống chân rồi đi vào máng thu nước, 10.21809/rilemtechlett.2016.16.
hiện tượng này xuất hiện rõ bắt đầu từ thời điểm 48 giờ sau khi thí [3] Trần Văn Miền, Huỳnh Công Tâm, Lê Hoàng Giang, Nguyễn Quốc Cường, “Cải thiện
nghiệm. Qua quan sát trong quá trình thí nghiệm, nước thấm bám dính giữa các lớp in 3D bê tông bằng hồ xi măng biến tính” Tạp chí Vật liệu và Xây
xuyên tường gạch đất sét nung chủ yếu qua vị trí mạch vữa liên kết dựng, Tập 11. Số 6: Trang 8 – 14, 2021.
giữa các lớp gạch xây, mạch vữa liên kết này có độ kín khít không [4] Y. Zhang, Y. Zhang, W. She, L. Yang, G. Liu, Y. Yang, “Rheological and harden
đồng đều và nước dễ thấm xuy ên qua tường tại vị trí mạch vữa có properties of the high-thixotropy 3D printing Concrete,” Construction and Building
nhiều khuyết tật; lỗ rỗng. Materials, 201 (2019), pp.278-285.
Đối với tường bê tông in 3D, hiện tượng thấm xuyên nước vẫn [5] A. Perrot, D. Rangeard, A. Pierre, “Structural built-up of cement-based materials
xuất hiện, tuy nhiên, mức độ thấm và hệ số thấm nước của tường used for 3D-printing extrusion techniques,” Materials and Structures, 49 (2016), pp.1213-
bê tông in 3D thấp hơn so với tường gạch đất sét nung. Trong quá 1220.
trình thí nghiệm, các hiện tượng thấm của tường bê tông in 3D [6] J.G.Sanjayan, B.Nematollahi, M.Xia and T.Marchment, “Effect of surface moisture
cũng gần giống với tường gạch đất sét nung. Tường bê tông in 3D on inter-layer strength of 3D printed concrete,” Construction and Building Materials, vol.
bị thấm nước và bắt đầu xuất hiện vệt thấm nước tại mặt sau ngay 172. pp. 468–475, 2018, Doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.232.
sau 4 giờ thí nghiệm, toàn bộ mặt sau tường bị thấm ướt và 2 cạnh [7] T.T.Le, S.A.Austin, S.Lim, R.A.Buswell, A.G.F.Gibb and T.Thorpe, “Mix design and
tường bắt đầu xuất hiện vết thấm nước tại thời điểm 10 giờ sau khi fresh properties for high-performance printing concrete,” Materials and Structures, pp.
thí nghiệm, sau 48 giờ thí nghiệm, nước thấm xuyên qua tường bê 45:1221–1232, 2012, Doi: 10.1617/s11527-012-9828-z.
tông, tích tụ và tạo thành dòng chảy nhỏ có xu hướng chảy men [8] E.Keitaa, H.Bessaies-Beyb, W.Zuoa, P.Belina and N.Roussel, “Weak bond strength
theo mạch tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông in 3D và chảy xuống chân between successive layers in extrusion-based additive manufacturing: measurement and
tường rồi đi vào máng thu nước. Tương tự như tường xây bằng physical origin,” Cement and Concrete Research, 2019, Doi:
gạch đất sét nung, nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ 0.1016/j.cemconres.2019.105787.
yếu tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D, điều này có nghĩa là, [9] Y.W.D.Tay, G.H.A.Ting, Y.Qian, B.Panda, L.He and M.J.Tan,“Time gap effect on
tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D không đủ đặc chắc, có bond strength of 3D-printed concrete,” Virtual and Physical Prototyping, pp. 1-10, 2018,
tồn tại khuyết tật và lỗ rỗng đủ lớn để nước thấm xuyên qua. Vì Doi:10.1080/17452759.2018.1500420.
vậy, để gia tăng khả năng chống thấm cho tường bê tông in 3D [10] G.Li, “A new way to increase the long-term bond strength of new-to-old
trong công trình xây dựng, cần phải có biện pháp để cải thiện, gia concrete by the use of fly ash,” Cement and Concrete Research, vol. 33, no. 6. pp. 799-806,
tăng độ đồng nhất tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D. 2003, Doi: 10.1016/S0008-8846(02)01064-5.
[11] ASTM E514 - 08: Standard test method for water penetration and leakage
through masonry.
5. KẾT LUẬN
Từ kết quả thực nghiệm đánh giá khả năng thấm nước của
tường bê tông in 3D được tạo hình bằng thiết bị và quy trình in 3D
của nghiên cứu này và so sánh với tường xây bằng gạch đất sét
nung, tác giả rút ra những kết luận như sau:
Thí nghiệm thấm tường thực hiện theo ASTM E514 là thí
nghiệm phù hợp để mô phỏng điều kiện thấm của tường biên
(tường ngoài) của công trình, trong đó khả năng nước thấm xuyên
tường được thúc đẩy bằng hệ thống phun tia nước liên tục trong
điều kiện áp suất được duy trì tác dụng lên tường suốt trong quá
trình thí nghiệm;
Mức độ thấm và hệ số thấm nước của tường bê tông in 3D
thấp hơn so với tường gạch đất sét nung. Các hiện tượng thấm của
tường bê tông in 3D cũng gần giống với tường gạch đất sét nung;
Nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ yếu tại vị trí
tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D. Cần phải có biện pháp để cải
thiện, gia tăng độ đồng nhất tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in
3D nhằm giảm độ thấm nước cho tường.
ISSN 2734-9888 8.2022 73
nguon tai.lieu . vn
