Trong tiến trình phát triển, hàng loạt tiến bộ công nghệ lớn đã góp phần nâng cấp và cải tiến các loại vật liệu có độ bền và hiệu suất cao, đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực kinh tế-xã hội. Tuy nhiên, hầu hết các dạng vật liệu đó đều sản sinh chất thải làm suy thoái môi trường sau thời gian sử dụng. Tình trạng này đã tạo ra một cuộc khủng hoảng môi trường có quy mô toàn cầu. Để thúc đẩy phát triển bền vững và giảm ô nhiễm môi trường, các nhà nghiên cứu đã không ngừng đưa ra các quy trình và công nghệ sạch nhằm xử lý số lượng chất thải đó. Trong số các công nghệ đó, bức xạ Gamma nổi lên như một lựa chọn tối ưu cho việc tái tái chế các vật liệu phế thải và đưa vào sử dụng trong sản xuất bê-tông.
Bê-tông là vật liệu kết cấu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Tuy nhiên, những thiệt hại về môi trường gây ra trong quá trình khai thác nguyên liệu thô hay trong quá trình sản xuất xi-măng gây phát thải khí nhà kính đang là vấn đề nghiêm trọng, tác động trực tiếp đến sự phát triển bền vững ở các quốc gia trên thế giới. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu về các dạng vật liệu có thể thay thế xi-măng trong bê-tông. Giải pháp thay thế này là kết hợp các vật liệu cao phân tử, liên kết tốt với cốt liệu khoáng là thành phần chính của bê-tông.
Hiện nay, do các quy định và yêu cầu nghiêm ngặt liên quan đến môi trường, cũng như nhu cầu của thị trường đối với các sản phẩm thân thiện với môi trường, các nhà sản xuất đã quan tâm đến việc phát triển các phương pháp tiếp cận nhằm giảm tác động môi trường của các quy trình công nghiệp thông qua việc giảm lượng dư lượng tạo ra hoặc xử lý những chất thải trong quá trình sản xuất và sử dụng bê-tông. Những thiệt hại về môi trường gây ra trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, cũng như chi phí cho các phương pháp chiết xuất đã tạo động lực cho việc sử dụng các phụ phẩm công nghiệp làm chất thay thế hoặc bổ sung cho nguyên liệu tươi trong một số lĩnh vực sản xuất.
Trong những năm gần đây, nhiều công cụ và chiến lược đã được đưa ra để giải quyết các thách thức về môi trường trong ngành xây dựng, bao gồm: (a) tăng cường sử dụng các vật liệu phế thải, đặc biệt là những vật liệu phụ từ quá trình công nghiệp; (b) sử dụng vật liệu tái chế; và (c) cải thiện độ bền cũng như các đặc tính cơ học và các đặc tính khác cho bê-tông. Về nguyên tắc, cấu trúc phân tử của vật liệu composite có thể được thay đổi bằng cách sử dụng bức xạ gamma. Liên kết chéo và sự suy giảm polyme (bằng cách cắt chuỗi) có thể xảy ra dưới tác động của bức xạ. Do đó, vật liệu có các đặc tính ưu việt có thể được sản xuất từ polyme phế liệu. Việc áp dụng công nghệ bức xạ trong tái chế polyme là lựa chọn tốt, đáp ứng yêu cầu về kinh tế và sinh thái.
Một trong những vật liệu phổ biến nhất có thể giải quyết những yêu cầu trên là polyethylene terephthalate (PET). Vật liệu này đóng vai trò là chất kết dính cho bê-tông polyme (PC) có cường độ nén cao và với tỷ lệ PET/glycol là 2:1, hoàn toàn có thể thu được bê-tông cường độ nén cao hơn dạng PC. Bức xạ gamma có thể cải thiện các tính chất cơ học của PET để bổ sung vào bê-tông, làm thay đổi độ biến dạng, độ nén và cường độ va đập, mô-đun đàn hồi. Bức xạ gamma cũng làm tăng tốc độ bắt đầu quá trình trùng hợp monomer, tăng độ bám dính giữa các sợi polyme và chất nền.
Vật liệu tái chế và phế thải được sử dụng trong bê tông.
Thu hồi và tái chế chất thải rắn từ lâu đã trở thành chủ đề của các nghiên cứu trên thế giới. Việc sử dụng các chất tái chế trong xây dựng, làm nhựa đường và vật liệu lát đường giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và như một giải pháp cho các vấn đề xử lý chất thải. Chất thải rắn được phân loại theo bản chất hóa học là hữu cơ và vô cơ. Thủy tinh, gốm sứ và kim loại như nhôm được sử dụng trong vật liệu đóng gói là thành phần chính của chất thải rắn vô cơ. Trong trường hợp chất thải rắn hữu cơ, thành phần phổ biến nhất là PET. Mức tiêu thụ PET hàng năm của thế giới là 250.000 triệu sản phẩm (~10 triệu tấn chất thải). Vì chất thải PET không thể phân hủy sinh học nên có thể tồn tại trong môi trường hàng trăm năm. Một giải pháp thay thế quan trọng để tái chế vật liệu PET là sử dụng làm chất thay thế cốt liệu bê-tông. Với nhu cầu công nghệ trong lĩnh vực xây dựng, các nghiên cứu đang khám phá khả năng tạo ra các vật liệu thay thế với chức năng ngày càng cao, chi phí thấp và các tính chất vật lý, hóa học và cơ học tốt hơn so với các vật liệu thông thường.
Bê-tông được sản xuất với 3% sợi PET tái chế. Trong nghiên cứu so sánh giữa PET với các loại sợi khác, mức độ ẩm của sợi PET thấp hơn so với sợi polyvinyl alcohol (PVA) nhưng cao hơn sợi polypropylene (PP). Để giảm các vết nứt trên bê tông, các nhà sản xuất đã thêm vào các hạt PET thu được từ vật liệu tái chế, có chiều dài 10, 15 và 20 mm và nồng độ 0,05, 0,18 và 0,30% theo thể tích. Cường độ nén của bê tông phụ thuộc vào nồng độ PET. Đối với bê tông không có hạt PET, các hạt phân tán của cốt liệu khoáng (cát và sỏi) có bề mặt gồ ghề (0% PET). Ở nồng độ thấp hơn, hạt PET bao phủ các tập hợp khoáng chất và có bề mặt gồ ghề hơn (1,5% PET). Hình thái bề mặt bê tông thay đổi khi nồng độ hạt PET tăng lên và hỗn hợp tạo ra bề mặt đồng nhất hơn với một số vùng đặc (2,5% PET).
Bê tông với các nồng độ hạt PET khác nhau.
Biến đổi cấu trúc phế thải bằng bức xạ gamma
Bức xạ tia gamma có bước sóng ngắn và photon có năng lượng lớn hàng chục nghìn eV. Ảnh hưởng của bức xạ gamma lên polyme thường được đánh giá thông qua những thay đổi trong cấu trúc hóa học và đặc tính cơ học của chúng. Những biến đổi này xảy ra do sự tổ chức lại các liên kết hóa học, cho phép tăng mức độ trùng hợp hoặc tạo lưới cấu trúc. Polyme được biến đổi với mục đích tối ưu hóa các đặc tính và tăng khả năng tương thích trong vật liệu composite.
Bức xạ gamma hiện được sử dụng để tái chế nhựa. Công nghệ này mang nhiều lợi thế từ cả sinh thái và kinh tế. Một số lợi thế điển hình là: (a) cải thiện tính chất cơ học và hiệu suất thu hồi polyme hoặc hỗn hợp polyme; (b) phân hủy polyme nhanh hơn, tạo ra khối lượng phân tử thấp có thể được sử dụng làm phụ gia hoặc nguyên liệu trong một số quy trình; (c) sản xuất vật liệu cao phân tử, được thiết kế đặc biệt để tương thích với môi trường. Ảnh hưởng của bức xạ gamma lên PET đã được đánh giá trong một số nghiên cứu. Màng PET được chiếu xạ ở nhiệt độ -196 ° C trong bóng tối. Sau khi được chiếu xạ, màng phim chuyển sang màu đỏ tía. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của bức xạ gamma trên bao bì màng PET trong dải liều 0-200 kGy chứng minh rằng hàm lượng diethylene glycol tăng ở liều thấp (5–10 kGy) nhưng giảm ở liều cao (30–200 kGy). Trong khi khối lượng phân tử, độ nhớt và các nhóm cacboxyl đầu cuối giảm nhẹ ở liều lớn hơn 60 kGy, tính thấm, tính chất nhiệt, màu sắc và điện trở suất bề mặt không bị ảnh hưởng đáng kể.
Hình ảnh của các hạt PET tái chế không chiếu xạ và chiếu xạ
Ảnh hưởng của bức xạ gamma đến các tính chất cơ học và nhiệt của hỗn hợp PET tái chế với polyetylen mật độ thấp (LDPE) và etylen vinyl axetat (EVA) đã được đánh giá ở liều lượng áp dụng là 25, 50 và 100 kGy. Kết quả cho thấy các chuỗi liên kết chéo xuất hiện tối đa 10% PET tái chế được chiếu xạ ở 100 kGy. Monome ethylene – metyl acrylate – glycidyl methacrylate được ghép vào PET thông qua chiếu xạ gamma. Chất đàn hồi tạo thành cho cường độ va đập tăng 30%, chỉ với 0,1% khối lượng terpolymer, so với hỗn hợp không được chiếu xạ. Bức xạ gamma là kỹ thuật rất thích hợp để cải thiện tính tương thích của các polyme trong vật liệu tổng hợp.
Bê tông với chất thải và vật liệu tái chế: Ảnh hưởng của bức xạ gamma
Bê-tông hoạt động như một chất kết dính trộn với cao su vụn có thể tạo ra các khối bê tông dẻo hơn, bề mặt mềm hơn. Một trong những ảnh hưởng rõ ràng nhất của việc chiếu xạ hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo / đàn hồi là sự thay đổi độ bền kéo do liên kết chéo và sự suy giảm của chúng. Các giá trị này tăng lên với liều lên đến 150 kGy và sau đó giảm khi tăng liều lên 250 kGy. Tuy nhiên, ở bất kỳ liều lượng nào, giá trị độ bền kéo giảm khi tỷ lệ cao su trong hỗn hợp tăng lên.
Độ kéo dài của các hỗn hợp có thành phần khác nhau giảm khi tăng liều lượng. Với liều lượng lớn hơn, nhiều liên kết chéo hơn được tạo ra trong mẫu, điều này ngăn cản sự tái tổ chức cấu trúc trong quá trình kéo và làm giảm tính linh động, độ giãn dài của chuỗi bên trong. Ngoài ra, bê-tông không có cellulose tái chế được chiếu xạ đóng rắn ở 28 ngày có giá trị cường độ nén cao nhất 21,7 MPa. Các giá trị đó sẽ giảm dần khi tăng nồng độ xenlulozơ. Bê-tông có 3% trọng lượng xenluloza tái chế được chiếu xạ có sự khác biệt (ít nhất 5%) so với bê tông không có xenluloza.
Bê-tông có giá trị cường độ nén và mô đun đàn hồi đều đạt cực đại khi được bổ sung các hạt PET tái chế 0,5 mm. Một lượng nhỏ PET (5,0%) thay thế cho cốt liệu mịn trong thiết kế hỗn hợp có thể tăng cường độ lên tới 23% và giảm độ căng lên đến 26%. Các mẫu được chiếu xạ ở liều 100 kGy thể hiện độ nén lớn (từ 15 đến 35%) so với các mẫu không được chiếu xạ. Ngoài ra, cường độ nén giảm khi kích thước hạt PET tăng lên, bất kể tỷ lệ được sử dụng là bao nhiêu. Trong trường hợp các mẫu được chiếu xạ ở 150 và 200 kGy, độ bền cơ học tăng 50% so với các mẫu được chiếu xạ ở 100 kGy. Vì vậy, chiếu xạ là một công cụ hữu ích và phương pháp thích hợp để tái chế PET phế thải.
Biến đổi các polyme sử dụng xử lý bức xạ
Sự giảm giá trị biến dạng nén là do tác động chiếu xạ ở cả hồ xi măng và hạt PET. Sự chiếu xạ gây ra sự cắt đứt chuỗi và tạo ra các gốc tự do, do đó tạo ra một vật liệu cứng hơn. Bức xạ gamma và xenluloza thải cũng đã được đưa ra như giải pháp để cải thiện các tính chất cơ học của xi măng. Giá trị cường độ nén của bê-tông có xenlulo không qua chiếu xạ sau 28 ngày đóng rắn có giá trị cường độ nén cao nhất. Các giá trị giảm dần khi tăng nồng độ xenlulozơ. Bê tông có 3% trọng lượng xenluloza thải có sự khác biệt (5%) so với bê tông không có xenluloza.
Sự hình thành liên kết ngang của các chuỗi polyme trong xenluloza dưới tác dụng của liều chiếu xạ có ý nghĩa rất lớn, tác động đến xi măng và các phân tử nước. Liên kết chéo là tác dụng quan trọng nhất của chiếu xạ polyme, vì nó thường cải thiện các tính chất cơ học, nhiệt và hóa học của bê-tông. Hơn nữa, ứng dụng chiếu xạ năng lượng cao vào xenluloza tạo ra các gốc tự do bằng cách cắt các liên kết yếu nhất; các gốc như vậy có thể phản ứng với các phân tử trong ma trận xi măng. Sự tương tác giữa canxi silicat hydrat (được hình thành trong quá trình hydrat hóa) và xenluloza có trong các lỗ xốp trong quá trình trùng hợp chiếu xạ giúp tăng cường liên kết giữa các pha, dẫn đến cải thiện độ bền cơ học.
Từ khóa: xử lý bức xạ; gamma; bê-tông; xi măng; polymer; xenluloza
– CMD&DND –
