I. Tổng quan về bê tông cát mịn và ứng dụng
Bê tông cát mịn sử dụng cát có mô đun độ lớn dưới 2,0, chiếm tỷ lệ đáng kể trong hỗn hợp cốt liệu. Khác với bê tông cát thô, loại vật liệu này gặp khó khăn về tính công tác và cường độ do diện tích bề mặt hạt lớn, độ rỗng cao. Tại Việt Nam, nguồn cát mịn phong phú nhưng chưa được khai thác hiệu quả trong kết cấu chịu lực như mặt đường bê tông xi măng. Nghiên cứu của Ngọ Văn Toản (2019) chỉ ra rằng cát mịn có thể thay thế một phần cát thô nhưng cần điều chỉnh cấp phối, sử dụng phụ gia và bổ sung cốt liệu lớn. Việc ứng dụng bê tông cát mịn giúp giảm chi phí nguyên vật liệu nhưng đòi hỏi giải pháp kỹ thuật chuyên sâu để đảm bảo chất lượng công trình.
1.1. Đặc điểm kỹ thuật của cát mịn
Cát mịn có kích thước hạt từ 0,075mm đến 0,25mm, chiếm ưu thế về diện tích bề mặt. Độ rỗng của cát mịn cao hơn 40%, dẫn đến nhu cầu xi măng tăng 15-25% so với bê tông cát thô. Tại Trung Quốc, tiêu chuẩn BGY 19-65 cho phép sử dụng cát có mô đun độ lớn trên 0,7 trong bê tông. Tuy nhiên, tạp chất sét mịn trong cát tự nhiên làm giảm độ bám dính xi măng, ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ chịu kéo khi uốn.
1.2. Tình hình nghiên cứu toàn cầu
Các nghiên cứu tại Liên Xô cũ từ những năm 1960-1980 đã chỉ ra hạn chế của cát mịn trong bê tông. Tại Các tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất (2009), dự án DuBai City sử dụng 300-400kg cát mịn/m³ bê tông với tỷ lệ N/X=0,45, đạt cường độ nén 45MPa. Nghiên cứu này cũng khẳng định hiệu quả của phụ gia siêu dẻo trong cải thiện tính công tác.
II. Vấn đề cường độ chịu kéo khi uốn và chống mài mòn
Bê tông cát mịn thường có cường độ chịu kéo khi uốn thấp hơn 15-20% so với bê tông cát thô do liên kết kém giữa xi măng và cát mịn. Khả năng chống mài mòn kém là nhược điểm lớn khi ứng dụng cho mặt đường bê tông xi măng, đặc biệt dưới tác động của tải trọng xe cộ. Nguyên nhân chính bao gồm: diện tích bề mặt hạt lớn tăng nhu cầu nước, giảm khả năng liên kết; sự hiện diện của tạp chất sét làm yếu vùng chuyển tiếp. Nghiên cứu của Ngọ Văn Toản (2019) ghi nhận tốc độ mài mòn của bê tông cát mịn cao gấp 1,8 lần so với bê tông cát thô trong cùng điều kiện thí nghiệm.
2.1. Ảnh hưởng của cấp phối hạt
Cấp phối hạt gián đoạn khi phối hợp cát mịn với đá dăm dẫn đến khoảng trống rỗng lớn. Các hạt cát mịn dễ bị tách khỏi nền đá xi măng dưới tác động mài mòn do kích thước nhỏ. Việc bổ sung cát thô hoặc mạt đá có thể cải thiện cấp phối nhưng cần kiểm soát tỷ lệ cát mịn dưới 30% tổng lượng cốt liệu.
2.2. Tác động của phụ gia hóa học
Phụ gia siêu dẻo giúp giảm 20-30% lượng nước nhưng hiệu quả giảm khi sử dụng cát mịn do diện tích bề mặt tăng. Phụ gia cuốn khí (4,5-6%) cải thiện khả năng chống đông lạnh nhưng không trực tiếp nâng cao cường độ chịu kéo. Việc phối hợp nhiều loại phụ gia đòi hỏi nghiên cứu thực nghiệm để tối ưu hóa hiệu quả.
III. Giải pháp nâng cao cường độ và chống mài mòn
Để nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn, nghiên cứu đề xuất bổ sung mạt đá vôi (<5mm) kết hợp với phụ gia siêu dẻo. Mạt đá vôi tận dụng phế thải sản xuất cốt liệu lớn, vừa giảm chi phí vừa cải thiện cấp phối hạt. Kết quả thí nghiệm cho thấy hỗn hợp bê tông sử dụng 20% mạt đá vôi thay thế cát mịn tăng cường độ chịu kéo khi uốn lên 12-18% so với mẫu đối chứng. Khả năng chống mài mòn cũng cải thiện đáng kể nhờ sự phân tán đều hạt và giảm khoảng trống rỗng. Phương pháp này được đánh giá là hiệu quả kinh tế-kỹ thuật với chi phí thấp hơn 15% so với giải pháp sử dụng cát nghiền.
3.1. Tối ưu hóa cấp phối hạt
Cấp phối đề xuất gồm 60% cát mịn, 20% mạt đá vôi, 20% đá dăm (10-20mm). Tỷ lệ N/X duy trì 0,45 kết hợp phụ gia siêu dẻo (0,8-1,2% khối lượng xi măng). Kiểm soát mô đun độ lớn của hỗn hợp cốt liệu trong khoảng 2,3-2,6 đảm bảo độ chặt tối ưu. Phương pháp thí nghiệm xác định mô đun độ lớn theo TCVN 7570:2006 được áp dụng.
3.2. Xác định liều lượng phụ gia tối ưu
Thí nghiệm xác định liều lượng phụ gia siêu dẻo dựa trên độ sụt 120±20mm. Liều lượng phụ gia cuốn khí được điều chỉnh từ 4,5% đến 6% để đảm bảo độ bền đông lạnh. Kết quả cho thấy hỗn hợp đạt cường độ chịu nén 42MPa, chịu kéo khi uốn 4,8MPa, giảm mài mòn 35% so với mẫu chuẩn sau 28 ngày tuổi.
IV. Kết luận và hướng ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của giải pháp bổ sung mạt đá vôi trong cải thiện cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn. Kết quả thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm LAS-XD 03 (2019) cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn đạt 4,8MPa, tăng 18% so với mẫu đối chứng. Khả năng chống mài mòn cải thiện 35% nhờ cấp phối hạt tối ưu và hiệu quả phân tán của phụ gia siêu dẻo. Giải pháp này phù hợp với điều kiện Việt Nam nhờ tận dụng nguồn phế thải công nghiệp và chi phí thấp. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mặt đường bê tông xi măng, đặc biệt tại các vùng có nguồn cát mịn dồi dào.
4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế
Giải pháp sử dụng mạt đá vôi thay thế cát mịn giúp giảm 12-15% chi phí nguyên vật liệu. Chi phí thí nghiệm và điều chỉnh cấp phối ước tính 50 triệu đồng/1000m³ bê tông, thấp hơn 30% so với giải pháp sử dụng cát nghiền. Thời gian thi công không thay đổi đáng kể, phù hợp với tiến độ dự án xây dựng mặt đường.
4.2. Khuyến nghị triển khai
Nên áp dụng giải pháp này trong các dự án mặt đường bê tông xi măng tại khu vực đồng bằng sông Hồng và duyên hải miền Trung nơi có nguồn cát mịn phong phú. Cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật địa phương về sử dụng mạt đá vôi trong bê tông cát mịn. Các đơn vị thi công cần đào tạo kỹ thuật viên về cấp phối và kiểm soát chất lượng hỗn hợp bê tông.
