Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hơn 3.260 km bờ biển cùng hệ thống hàng nghìn đảo lớn nhỏ, đặt ra nhu cầu xây dựng hạ tầng kỹ thuật vô cùng to lớn nhằm phục vụ phát triển kinh tế và bảo vệ an ninh quốc phòng. Tại huyện Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh – khu vực có 71.361,05 ha diện tích tự nhiên và hơn 14 km bờ biển – việc thi công các công trình đê kè bảo vệ bờ đối mặt với thách thức nghiêm trọng về nguồn vật liệu xây dựng. Nguồn cát sông và nước ngọt ngày càng cạn kiệt, việc khai thác quá mức gây sạt lở bờ sông nghiêm trọng, đồng thời chi phí vận chuyển vật liệu truyền thống từ đất liền ra khu vực ngập mặn làm gia tăng giá thành xây dựng từ 30% đến 50%.

Đề tài tập trung giải quyết vấn đề sử dụng nguồn tài nguyên sẵn có tại địa phương gồm cát biển và nước mặn kết hợp chế phẩm phụ gia khoáng hóa học CSSB theo công nghệ Miclayco trong sản xuất bê tông. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá các chỉ tiêu cơ lý, cường độ chịu nén của bê tông cát biển nước mặn, phân tích cơ cấu giá thành trực tiếp và xây dựng mô hình quản lý chất lượng toàn diện trong thi công công trình đê kè tại vùng đất nhiễm mặn Cần Giờ.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại dải đê kè và mỏ hàn chắn sóng từ K1 đến K5 thuộc khu vực mũi Đồng Hòa - vịnh Đồng Tranh, xã Long Hòa, huyện Cần Giờ giai đoạn 2004 - 2015. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc chủ động hoàn toàn nguồn vật liệu tại chỗ, cắt giảm từ 15% đến 25% chi phí sản xuất bê tông, đồng thời giảm thiểu áp lực khai thác cát lòng sông và nước ngầm theo định hướng phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết vật liệu composite vô cơ và động học quá trình thủy hóa xi măng pooclăng. Bản chất của bê tông là hệ vật liệu đa pha, trong đó cường độ chịu nén chịu sự chi phối chặt chẽ bởi tỷ lệ nước trên xi măng và mức độ liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu. Khi sử dụng cát biển và nước mặn, sự hiện diện của các ion clo cùng gốc sunfat hòa tan có xu hướng làm thay đổi tốc độ đông kết và cấu trúc rỗng của đá xi măng.

Để khắc phục hiện tượng ăn mòn và suy giảm độ bền lâu, nghiên cứu áp dụng lý thuyết công nghệ Miclayco sử dụng phụ gia hóa dẻo vô cơ CSSB. Chế phẩm này đóng vai trò bao bọc, vô hiệu hóa tác hại của muối khoáng, đồng thời thúc đẩy phản ứng tạo gel khoáng đặc chắc, lấp đầy các vi lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông. Song song đó, khung lý thuyết Quản lý chất lượng toàn diện được ứng dụng nhằm kiểm soát mọi khâu từ nguyên vật liệu đầu vào, quá trình trộn, vận chuyển, đổ khuôn, đầm nén cho đến bảo dưỡng sản phẩm.

Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: tính công tác của hỗn hợp bê tông (đo bằng độ sụt và độ cứng theo TCVN 3106:1993), cường độ nén quy ước ở tuổi 28 ngày (xác định mác theo TCVN 6025:1995), tỷ lệ nước trên xi măng tối ưu, và độ bền chống xâm thực của bê tông trong môi trường nước biển theo tiêu chuẩn TCVN 9139:2012 và TCVN 7570:2006.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hơn 60 tổ mẫu bê tông lập phương kích thước chuẩn 150 x 150 x 150 mm đúc trực tiếp tại công trường đê kè mũi Đồng Hòa và phòng thí nghiệm chuyên ngành. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm khảo sát các cấp phối Mác M200 và M250, sử dụng 100% cát biển địa phương có mô đun độ lớn từ 1,8 đến 2,2 kết hợp nguồn nước mặt vịnh Đồng Tranh có độ mặn dao động từ 24‰ đến 30‰.

Nghiên cứu kết hợp phương pháp hóa nghiệm phân tích hàm lượng ion theo TCVN 6494-1:2011 và phương pháp cơ học nén phá hoại mẫu trên máy nén thủy lực theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 tại các mốc thời gian 7, 28, 60 và 180 ngày. Lý do lựa chọn phương pháp nén tiêu chuẩn nhằm xác định hệ số chuyển đổi cường độ chính xác, loại bỏ các sai số hình học và so sánh trực tiếp với mẫu đối chứng sử dụng cát vàng Đồng Nai và nước ngọt. Quá trình theo dõi hiện trường được thực hiện liên tục qua các giai đoạn triều cường và mùa mưa nắng đặc thù của huyện Cần Giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả thử nghiệm cơ lý cho thấy các mẫu bê tông mác M200 và M250 sử dụng cát biển, nước mặn có bổ sung phụ gia CSSB đạt sự gia tăng cường độ nén vượt trội. Ở tuổi 28 ngày, cường độ nén trung bình của mẫu M200 đạt 21,8 MPa và mẫu M250 đạt 26,5 MPa, vượt từ 7,5% đến 9,0% so với mác thiết kế yêu cầu. Sự phát triển cường độ ở tuổi 60 ngày tiếp tục tăng thêm từ 12% đến 15%, không xuất hiện hiện tượng thoái hóa cấu trúc hay suy giảm cường độ do tác động của muối mặn.

Về tính công tác, hỗn hợp bê tông công nghệ mới đạt độ sụt ổn định từ 6 cm đến 8 cm, thời gian đông kết kéo dài hợp lý giúp quá trình vận chuyển và đầm nén đạt độ đặc chắc cao mà không bị phân tầng. Phân tích kinh tế cho thấy cơ cấu giá thành trực tiếp để sản xuất 1m3 bê tông tại Cần Giờ bằng cát biển và nước mặn giảm từ 18,2% đến 22,6% so với bê tông truyền thống, do triệt tiêu hoàn toàn chi phí vận chuyển cát sông từ cự ly trên 60 km và chi phí mua nước ngọt sinh hoạt để nhào trộn.

Thảo luận kết quả

Khi mô tả diễn biến phát triển cường độ qua biểu đồ đường xu hướng thời gian, đường cong cường độ của bê tông cát biển nước mặn có phụ gia CSSB thể hiện tốc độ phát triển ban đầu nhanh hơn mẫu đối chứng khoảng 10% trong 7 ngày đầu. Nguyên nhân do một lượng nhỏ muối khoáng trong nước biển đóng vai trò như chất xúc tác tăng tốc quá trình thủy hóa khoáng xi măng. Bảng ma trận so sánh thành phần cho thấy việc tích hợp phụ gia CSSB đã tạo ra mạng lưới tinh thể bù rỗng, ngăn chặn hiện tượng clo tự do di chuyển tự do trong mao quản.

So với các kết quả nghiên cứu trước đây của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (1977) hay các công trình của Đại học Giao thông Vận tải (2002) – vốn ghi nhận cường độ bê tông cát biển không dùng phụ gia bị suy giảm từ 10% đến 15% ở tuổi 48 - 60 ngày – nghiên cứu này khẳng định vai trò quyết định của phụ gia CSSB trong việc ổn định cấu trúc đá xi măng. Giải pháp không chỉ giúp các hạng mục đê kè mỏ hàn K1 - K5 đứng vững trước sóng gió ven biển Cần Giờ mà còn tạo ra bước tiến lớn trong công tác quản lý chất lượng công trình hạ tầng miền duyên hải.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa việc ứng dụng rộng rãi bê tông cát biển nước mặn vào thực tiễn xây dựng, các giải pháp trọng tâm cần được triển khai đồng bộ:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình thiết kế cấp phối và định mức dự toán chuyên ngành cho bê tông sử dụng cát biển và nước mặn có phụ gia CSSB. Bộ Xây dựng phối hợp với Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cần sớm ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật trong vòng 12 đến 18 tháng tới, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa 100% định mức xây dựng cho các công trình đê kè biển cấp III và cấp IV.

Thứ hai, thiết lập hệ thống quản lý chất lượng toàn diện TQM tại các công trường ven biển. Đơn vị thi công và tư vấn giám sát cần áp dụng ngay quy trình kiểm tra 3 bước nghiêm ngặt: phân tích độ mặn và tạp chất cát nước đầu vào, giám sát tự động hóa tỷ lệ nạp phụ gia CSSB, và đúc lưu mẫu thử nén định kỳ 100% các mẻ trộn nhằm giảm thiểu tỷ lệ lỗi kỹ thuật xuống dưới mức 1,0%.

Thứ ba, triển khai hệ thống quan trắc ăn mòn và độ bền xâm thực dài hạn. Ban quản lý dự án công trình thủy lợi Cần Giờ cần phối hợp với các viện chuyên ngành thực hiện đo đạc định kỳ 6 tháng một lần trong suốt vòng đời 10 năm đầu vận hành của tuyến đê kè, nhằm thu thập dữ liệu biến thiên độ sâu cacbonat hóa và độ rỉ của bê tông khối lớn.

Thứ tư, thương mại hóa và mở rộng chuỗi cung ứng phụ gia khoáng đa năng CSSB. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng cần đầu tư dây chuyền sản xuất quy mô công nghiệp trong giai đoạn 2026 - 2030, đáp ứng đủ nhu cầu cho ít nhất 70% các dự án kè biển, đường giao thông nông thôn ven biển tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và Đông Nam Bộ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư xây dựng, chỉ huy trưởng công trình phụ trách thi công hạ tầng ven biển và hải đảo. Luận văn cung cấp hướng dẫn chi tiết về kỹ thuật trộn, tỷ lệ cấp phối phụ gia CSSB, biện pháp đầm lèn và bảo dưỡng bê tông sử dụng vật liệu tại chỗ nhằm rút ngắn 20% tiến độ thi công.

Nhóm thứ hai là các giám đốc quản lý dự án và chủ đầu tư công trình thủy lợi, giao thông duyên hải. Nghiên cứu cung cấp bài toán phân tích cơ cấu đơn giá trực tiếp và bảng ma trận quản trị rủi ro chất lượng theo chuẩn TQM, giúp tiết kiệm từ 15% đến 25% tổng mức đầu tư vật liệu.

Nhóm thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Quản lý Xây dựng và Công nghệ Vật liệu. Tài liệu mang đến hệ thống dữ liệu thực nghiệm phong phú, các quy chuẩn viện dẫn TCVN hiện hành và phương pháp luận đánh giá khoa học về vật liệu chịu mặn.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước, chuyên viên hoạch định chính sách thuộc Sở Xây dựng và Sở Tài nguyên và Môi trường. Luận văn là cơ sở tham khảo vững chắc để xây dựng khung chính sách khuyến khích vật liệu xanh, giảm phát thải và quản lý bền vững tài nguyên cát sông.

Câu hỏi thường gặp

Bê tông sử dụng cát biển và nước mặn có đảm bảo được cường độ chịu nén lâu dài không?
Hoàn toàn đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật. Nhờ cơ chế hoạt hóa và bịt kín lỗ rỗng của phụ gia CSSB, mẫu bê tông M200 và M250 tại kè Cần Giờ đạt cường độ nén 28 ngày từ 21,8 MPa đến 26,5 MPa, cao hơn mác thiết kế từ 7,5% đến 9,0% và duy trì ổn định qua nhiều năm khai thác.

Phụ gia CSSB đóng vai trò kỹ thuật then chốt nào trong công nghệ Miclayco?
Phụ gia CSSB là chế phẩm khoáng hóa học đa năng giúp trung hòa các phản ứng có hại của ion clo và gốc sunfat trong nước mặn. Phụ gia này tăng cường khả năng giữ nước, giảm phân tầng hỗn hợp và hình thành cấu trúc tinh thể liên kết đặc khít, ngăn ngừa xâm thực ion mặn từ bên ngoài.

Mức độ tiết kiệm chi phí xây dựng khi sử dụng giải pháp này tại Cần Giờ là bao nhiêu?
Nghiên cứu chỉ ra rằng giải pháp mới giúp cắt giảm trực tiếp từ 18,2% đến 22,6% chi phí sản xuất mỗi mét khối bê tông. Việc tận dụng cát biển và nước biển tại chỗ giúp loại bỏ chi phí mua và vận chuyển cát ngọt cự ly 60 km cùng chi phí cấp nước sạch ra công trường.

Công nghệ bê tông cát biển nước mặn có thể áp dụng cho các cấu kiện bê tông cốt thép chịu lực chính không?
Trong giai đoạn hiện nay, công nghệ này được khuyến nghị ưu tiên áp dụng cho các kết cấu bê tông khối lớn không đặt cốt thép như đê kè biển, đê chắn sóng, mỏ hàn kè đá hoặc gia cố nền móng. Đối với kết cấu cốt thép, cần kết hợp thêm các giải pháp bọc thanh cốt thép chống gỉ chuyên dụng.

Khâu nào trong quy trình quản lý chất lượng TQM cần được kiểm soát chặt chẽ nhất?
Khâu định lượng chính xác tỷ lệ phụ gia CSSB và kiểm soát độ sạch của cát biển (hàm lượng bùn bụi hữu cơ dưới 3%) là hai yếu tố then chốt nhất. Việc tuân thủ nghiêm ngặt chỉ dẫn cấp phối ngay tại máy trộn đảm bảo 100% các mẻ bê tông đạt đồng nhất về độ sụt và cường độ.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật toàn diện của việc dùng cát biển và nước mặn kết hợp phụ gia CSSB để sản xuất bê tông mác M200 - M250 đạt cường độ thực tế trên 21,8 MPa.
  • Đã xây dựng thành công mô hình phân tích chi phí trực tiếp, chứng minh hiệu quả giảm giá thành sản xuất bê tông từ 18,2% đến 22,6% tại vùng nhiễm mặn Cần Giờ.
  • Hoàn thiện khung quy trình quản lý chất lượng TQM ứng dụng thực tiễn cho các công trình đê kè bảo vệ bờ biển, hạn chế sai sót kỹ thuật dưới 1,0%.
  • Đóng góp giải pháp khoa học mang tính chiến lược trong việc giảm thiểu khai thác tài nguyên cát sông và nước ngọt, thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu.
  • Kế hoạch tiếp theo cần tập trung hoàn thiện bộ tiêu chuẩn định mức cấp phối trong vòng 12 đến 24 tháng tới để chuyển giao công nghệ trên quy mô toàn quốc.

Các cơ quan quản lý, chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng cần chủ động đẩy mạnh ứng dụng giải pháp bê tông cát biển nước mặn có phụ gia CSSB vào các dự án hạ tầng duyên hải và hải đảo nhằm tối ưu hóa chi phí và phát triển hạ tầng bền vững.