Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu dùng cát đồi vùng Đông Tam Kỳ thay thế cát sông

Tài liệu luận văn nghiên cứu sử dụng cát đồi thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông. Phân tích cường độ nén, đặc tính cơ lý vật liệu.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận Văn Thạc Sĩ

2019

102
0
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan luận văn dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông

Bối cảnh ngành xây dựng tại tỉnh Quảng Nam đang đối mặt với những thách thức lớn về nguồn cung vật liệu, đặc biệt là cát sông. Theo Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Quảng Nam đến năm 2020, tầm nhìn 2030, tốc độ tăng trưởng GRDP dự kiến đạt 9-10%/năm, kéo theo nhu cầu xây dựng hạ tầng tăng vọt. Nhu cầu vật liệu xây dựng theo đó cũng trở nên cấp thiết. Bê tông là vật liệu chủ chốt, chiếm tới 60% kết cấu xây dựng, và cát sông là thành phần cốt liệu nhỏ không thể thiếu. Tuy nhiên, nguồn cát sông đang dần cạn kiệt, việc khai thác quá mức gây ra nhiều hệ lụy môi trường nghiêm trọng như sạt lở bờ sông. Tình trạng khan hiếm đẩy giá thành xây dựng lên cao và ảnh hưởng đến tiến độ các công trình. Trước thực trạng đó, việc tìm kiếm một nguồn vật liệu thay thế bền vững là yêu cầu sống còn. Luận văn này tập trung vào giải pháp dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông, một hướng đi đầy tiềm năng. Cát đồi, với trữ lượng dồi dào tại các xã vùng Đông thành phố Tam Kỳ (Quảng Nam), trở thành đối tượng nghiên cứu chính. Đề tài không chỉ giải quyết bài toán kinh tế bằng cách tận dụng tài nguyên địa phương, mà còn hướng tới mục tiêu phát triển bền vững, giảm áp lực khai thác lên hệ sinh thái sông ngòi. Nghiên cứu này mở ra một chương mới cho ngành vật liệu xây dựng địa phương, hứa hẹn cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả và thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của tỉnh Quảng Nam trong tương lai.

1.1. Bối cảnh cấp thiết của việc tìm kiếm vật liệu thay thế cát sông

Thành phố Tam Kỳ, trung tâm tỉnh lỵ của Quảng Nam, đang trải qua quá trình đô thị hóa nhanh chóng, dẫn đến nhu cầu xây dựng tăng cao. Tuy nhiên, địa phương này lại đối mặt với tình trạng khan hiếm nghiêm trọng nguồn cát sông dùng cho chế tạo bê tông. Trữ lượng cát tại chỗ ít ỏi, buộc các công trình phải phụ thuộc vào nguồn cung từ các địa phương khác, thậm chí từ ngoại tỉnh. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận chuyển mà còn khiến chất lượng cát ngày càng suy giảm, đặc biệt là sự gia tăng của hàm lượng bùn, bụi bẩn. Quan trọng hơn, việc khai thác cát sông quá mức đã và đang gây ra những hậu quả tiêu cực cho môi trường, điển hình là tình trạng sạt lở bờ sông ngày càng nghiêm trọng. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng một nguồn vật liệu thay thế là cực kỳ cấp bách. Giải pháp sử dụng cát đồi trong bê tông là một hướng đi chiến lược, giúp giải quyết đồng thời nhiều vấn đề: giảm phụ thuộc vào nguồn cung bên ngoài, hạ giá thành xây dựng, và quan trọng nhất là bảo vệ môi trường.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài bê tông cát đồi

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu cường độ chịu nén của bê tông khi dùng cát đồi thay cát sông tại các xã vùng Đông Tam Kỳ (Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) theo các tỷ lệ thay thế nhất định. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào bê tông có cấp độ bền B20, khảo sát sự phát triển cường độ ở các mốc thời gian 3, 7, 14, 28 và 60 ngày. Đối tượng nghiên cứu là các hỗn hợp bê tông với ba cấp phối thay thế: 15%, 25% và 35% cát đồi. Các vật liệu sử dụng trong thí nghiệm đều có nguồn gốc tại địa phương, bao gồm xi măng PCB 40 Sông Gianh, cát vàng sông Tam Kỳ, cát đồi Tam Kỳ (khu vực xã Tam Phú), và đá dăm 1x2 cm từ mỏ Chu Lai. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, trong đó trọng tâm là các thí nghiệm để xác định tính chất cơ lý, hóa học của cát đồi và đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu này. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế thành phần cấp phối chính xác, góp phần thúc đẩy việc sử dụng hiệu quả tài nguyên địa phương.

II. Thách thức từ cát sông và tiềm năng của bê tông dùng cát đồi

Ngành xây dựng Việt Nam nói chung và Quảng Nam nói riêng đang phải đối mặt với một nghịch lý: nhu cầu xây dựng tăng cao nhưng nguồn cung cấp cát sông, một loại cốt liệu mịn thiết yếu, lại ngày càng cạn kiệt. Việc khai thác quá mức không chỉ làm suy giảm trữ lượng mà còn gây ra những tác động môi trường không thể khắc phục, như sạt lở bờ sông, thay đổi dòng chảy, và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh. Những hệ lụy này đặt ra yêu cầu cấp bách phải tìm kiếm các giải pháp vật liệu thay thế bền vững. Trong bối cảnh đó, cát đồi nổi lên như một ứng cử viên sáng giá. Cát đồi, hay còn gọi là cát cồn, có nguồn gốc từ quá trình biển thoái, được hình thành từ lâu đời và đã được rửa mặn tự nhiên theo thời gian. Đặc biệt tại khu vực ven biển miền Trung, bao gồm các xã vùng Đông - Tam Kỳ, trữ lượng cát đồi là vô cùng lớn, ước tính lên đến hàng trăm triệu mét khối. Đây là nguồn tài nguyên tại chỗ, chưa được khai thác hiệu quả. Việc dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông không chỉ là một giải pháp tình thế mà còn là một chiến lược dài hạn. Nó giúp giảm giá thành sản phẩm do chi phí khai thác và vận chuyển thấp, đồng thời giảm áp lực lên môi trường sông ngòi. Tuy nhiên, việc ứng dụng cát đồi cũng có những thách thức riêng, chủ yếu liên quan đến đặc tính hạt mịn và đồng đều của nó, đòi hỏi phải có những nghiên cứu kỹ lưỡng về thành phần cấp phối để đảm bảo chất lượng bê tông.

2.1. Hệ lụy môi trường từ việc khai thác cát sông quá mức

Việc khai thác cát sông một cách ồ ạt và thiếu kiểm soát đã để lại những hậu quả nặng nề cho môi trường. Vấn đề nhức nhối nhất là tình trạng sạt lở bờ sông, đe dọa trực tiếp đến đất đai, nhà cửa và tính mạng của người dân sống ven sông. Khi một lượng lớn cát bị lấy đi, lòng sông bị hạ thấp, làm thay đổi chế độ thủy văn và tăng tốc độ xói mòn. Hơn nữa, hoạt động này còn phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái dưới nước, làm mất đi nơi cư trú và sinh sản của nhiều loài thủy sinh, ảnh hưởng tiêu cực đến đa dạng sinh học. Chất lượng nước cũng bị suy giảm do quá trình khai thác làm khuấy đục, giải phóng các chất ô nhiễm tích tụ trong trầm tích. Những tác động tiêu cực này cho thấy sự phụ thuộc vào cát sông là không bền vững. Do đó, việc chuyển hướng sang các vật liệu thay thế như bê tông từ cát đồi là một xu hướng tất yếu để bảo vệ môi trường và phát triển ngành xây dựng một cách hài hòa.

2.2. Đặc điểm và trữ lượng dồi dào của cát đồi tại Tam Kỳ

Khu vực các xã vùng Đông Tam Kỳ (Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) sở hữu một nguồn tài nguyên quý giá là cát đồi với trữ lượng rất lớn, ước tính khoảng 250 triệu mét khối. Loại cát này có đặc điểm màu vàng nhạt, hạt mịn đến trung, cấu trúc rời rạc và chứa ít tạp chất bùn, bụi bẩn. Về mặt địa chất, đây là loại cát có nguồn gốc từ biển, được hình thành qua các thời kỳ biển thoái và đã được tự nhiên rửa mặn qua hàng ngàn năm. Một trong những ưu điểm lớn của cát đồi Tam Kỳ là hàm lượng muối (ion Clorua và Sunphat) trong giới hạn cho phép theo TCVN 7570:2006, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng để thay thế một phần cát sông trong sản xuất vật liệu xây dựng. Việc khai thác nguồn tài nguyên sẵn có này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn giải quyết được vấn đề cát bay, cát nhảy, vốn gây ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống và sản xuất nông nghiệp tại địa phương.

III. Phương pháp nghiên cứu đặc tính cơ lý của cát đồi Tam Kỳ

Để đánh giá khả năng dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các đặc tính cơ lý và hóa học của vật liệu là bước đi tiên quyết. Luận văn đã tiến hành một quy trình nghiên cứu thực nghiệm bài bản tại Phòng Thí nghiệm LAS –XD 1177. Các mẫu cát đồi được lấy từ nhiều vị trí khác nhau tại khu vực vùng Đông Tam Kỳ để đảm bảo tính đại diện. Các chỉ tiêu quan trọng được xác định bao gồm: thành phần hạt, mô đun độ lớn, khối lượng riêng, hàm lượng bùn bụi sét và đặc biệt là hàm lượng các ion có hại như Clorua (Cl-) và Sunphat (SO4 2-). Kết quả phân tích cho thấy cát đồi Tam Kỳ là loại cát mịn, có mô đun độ lớn khoảng 1.74, với thành phần hạt tập trung chủ yếu ở cỡ 0.14mm đến 0.315mm. Điều này cho thấy thành phần hạt của cát đồi nguyên bản không hoàn toàn đáp ứng đường cong cấp phối lý tưởng cho bê tông theo TCVN 7570:2006. Do đó, một giải pháp trọng tâm của nghiên cứu là tiến hành phối trộn cát đồi với cát sông theo các tỷ lệ khác nhau (15%, 25%, 35%) để tạo ra một hỗn hợp cốt liệu nhỏ có thành phần cấp phối tối ưu, vừa tận dụng được ưu điểm của cát đồi, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho chế tạo bê tông chất lượng cao.

3.1. Phân tích thành phần hạt và chỉ tiêu cơ bản của cát đồi

Nghiên cứu đã tiến hành phân tích chi tiết các mẫu cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ. Kết quả cho thấy đây là loại cát mịn, với mô đun độ lớn Mk = 1.74. Thành phần hạt của nó rất đồng đều, tập trung chủ yếu ở các cỡ hạt nhỏ, lọt qua sàng 1.25mm. Cụ thể, lượng sót tích lũy trên sàng 0.315mm chỉ là 22.1%, trong khi đó lượng lọt qua sàng 0.14mm lên tới 13.9%. Các chỉ tiêu cơ lý khác như khối lượng riêng (2.632 g/cm³), dung trọng xốp (1404 kg/m³), và hàm lượng bụi, bùn, sét (1.00%) đều nằm trong ngưỡng cho phép. Đặc biệt, hàm lượng ion Clorua (Cl-) và Sunphat (SO4 2-) được xác định ở mức thấp, đảm bảo không gây ăn mòn cốt thép. Tuy nhiên, chính đặc tính hạt quá mịn và đồng đều khiến thành phần hạt của cát đồi không thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu theo quy định tại TCVN 7570:2006 để sử dụng độc lập trong bê tông.

3.2. Giải pháp phối trộn cát đồi và cát sông để đạt tiêu chuẩn

Để khắc phục nhược điểm về thành phần hạt của cát đồi, giải pháp tối ưu được đưa ra là phối trộn nó với cát sông Tam Kỳ - một loại cát thô hơn (Mk = 2.3) có cấp phối hạt tốt. Nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm với ba hỗn hợp: hỗn hợp 01 (15% cát đồi), hỗn hợp 02 (25% cát đồi), và hỗn hợp 03 (35% cát đồi). Kết quả cho thấy, các hỗn hợp 01 (Mk = 2.38) và 02 (Mk = 2.31) đều có đường thành phần hạt nằm trong phạm vi cho phép của tiêu chuẩn vật liệu xây dựng (TCVN 7570:2006). Cụ thể, đường biểu diễn cấp phối hạt của hai hỗn hợp này đã được cải thiện đáng kể, trở nên liên tục và hợp lý hơn so với cát đồi nguyên bản. Điều này chứng tỏ việc phối trộn là một phương pháp hiệu quả để tạo ra một loại cốt liệu nhỏ đạt chuẩn, làm tiền đề vững chắc cho việc chế tạo bê tông đạt chất lượng mong muốn.

IV. Hướng dẫn thí nghiệm cường độ nén bê tông dùng cát đồi

Quy trình thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông được thực hiện một cách nghiêm ngặt theo các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hiện hành để đảm bảo tính chính xác và khách quan. Mục tiêu là so sánh và đánh giá hiệu quả của việc dùng cát đồi thay cát sông ở các tỷ lệ khác nhau. Bốn loại cấp phối bê tông đã được thiết kế, bao gồm một cấp phối đối chứng (sử dụng 100% cát sông) và ba cấp phối thí nghiệm với tỷ lệ thay thế cát đồi lần lượt là 15%, 25% và 35%. Tất cả các cấp phối đều được thiết kế cho bê tông cấp bền B20, sử dụng cùng một loại xi măng PCB 40 Sông Gianh, đá dăm 1x2 và tỷ lệ Nước/Xi măng. Quá trình thí nghiệm bắt đầu từ việc tính toán liều lượng vật liệu cho mỗi mẻ trộn, sau đó tiến hành trộn hỗn hợp bằng máy trộn tự do 300 lít. Độ sụt của bê tông tươi được kiểm tra ngay sau khi trộn để đánh giá tính công tác. Tiếp theo, các mẫu bê tông hình lập phương kích thước tiêu chuẩn 150x150x150 mm được đúc. Các mẫu này sau đó được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn (ngâm trong nước tại phòng thí nghiệm) và tiến hành nén để xác định cường độ nén ở các tuổi 3, 7, 14, 28 và 60 ngày. Kết quả thu được là cơ sở để phân tích sự phát triển cường độ và tìm ra tỷ lệ thay thế cát sông tối ưu.

4.1. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông với các tỷ lệ thay thế

Việc thiết kế thành phần cấp phối là yếu tố quyết định đến chất lượng bê tông. Trong nghiên cứu này, bốn cấp phối bê tông cấp bền B20 đã được tính toán. Cấp phối đối chứng (CP0) sử dụng 100% cát sông Tam Kỳ. Ba cấp phối còn lại có cùng lượng xi măng (375 kg/m³), đá dăm (1059 kg/m³) và nước (206 lít/m³), chỉ khác nhau ở thành phần cốt liệu nhỏ. Cụ thể: CP1 sử dụng hỗn hợp 85% cát sông và 15% cát đồi; CP2 sử dụng 75% cát sông và 25% cát đồi; và CP3 sử dụng 65% cát sông và 35% cát đồi. Việc giữ nguyên các thành phần khác nhằm mục đích cô lập và đánh giá chính xác ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cát sông bằng cát đồi đến các đặc tính của bê tông, đặc biệt là cường độ chịu nén. Thiết kế này cho phép so sánh trực tiếp hiệu quả của từng tỷ lệ, từ đó đưa ra kết luận khoa học về mức độ thay thế hợp lý.

4.2. Quy trình đúc mẫu bảo dưỡng và nén mẫu bê tông tiêu chuẩn

Quy trình thực nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn TCVN 3105:1993 và TCVN 3118:1993. Sau khi hỗn hợp bê tông được trộn đều, độ sụt được đo bằng bộ côn tiêu chuẩn. Tiếp theo, bê tông được đổ vào các khuôn thép lập phương (150x150x150 mm) và đầm chặt. Sau 24 giờ, các mẫu được tháo khuôn và đưa vào bể ngâm nước để bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn tại phòng thí nghiệm. Việc bảo dưỡng liên tục trong môi trường ẩm là rất quan trọng để đảm bảo quá trình thủy hóa xi măng diễn ra hoàn toàn. Đến các ngày tuổi quy định (3, 7, 14, 28, 60 ngày), các tổ mẫu (mỗi tổ 3 viên) được lấy ra và tiến hành nén trên máy nén thủy lực 2000 kN. Tốc độ gia tải được duy trì ổn định. Lực phá hoại được ghi lại để tính toán cường độ chịu nén của bê tông. Kết quả trung bình của mỗi tổ mẫu được sử dụng để vẽ biểu đồ phát triển cường độ theo thời gian.

V. Kết quả thực nghiệm Dùng cát đồi thay thế cát sông 25

Kết quả thí nghiệm thực tế đã cung cấp những bằng chứng khoa học thuyết phục về khả năng dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông. Phân tích sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông qua các ngày tuổi cho thấy một quy luật rõ ràng. Trong giai đoạn đầu (3 và 7 ngày), các cấp phối có sử dụng cát đồi (CP1, CP2, CP3) thể hiện sự phát triển cường độ ban đầu nhanh hơn so với mẫu đối chứng (CP0). Điều này có thể được giải thích là do các hạt cát mịn từ cát đồi đã lấp đầy các lỗ rỗng nhỏ, tạo ra cấu trúc đặc chắc hơn và thúc đẩy quá trình thủy hóa xi măng. Tuy nhiên, khi xét đến cường độ ở tuổi 28 ngày - mốc quan trọng để xác định mác bê tông - kết quả lại có sự khác biệt. Mẫu CP2, với tỷ lệ thay thế 25% cát đồi, đạt cường độ nén trung bình là 25.1 MPa, cao hơn so với mẫu đối chứng (24.7 MPa) và đáp ứng yêu cầu của bê tông cấp bền B20 (Ryc28 = 25.0 MPa). Trong khi đó, mẫu CP3 với tỷ lệ thay thế 35% lại cho cường độ thấp hơn (23.9 MPa). Điều này cho thấy tỷ lệ 25% là mức tối ưu, vừa đảm bảo cường độ thiết kế, vừa tận dụng được tối đa nguồn vật liệu xây dựng tại chỗ. Kết quả này khẳng định tính khả thi của giải pháp, mở đường cho việc ứng dụng bê tông từ cát đồi vào thực tiễn xây dựng tại Quảng Nam.

5.1. Phân tích sự phát triển cường độ chịu nén theo thời gian

Biểu đồ phát triển cường độ cho thấy tất cả các cấp phối đều có cường độ tăng dần theo thời gian, tuân theo quy luật phát triển tự nhiên của bê tông. Một điểm đáng chú ý là ở tuổi 3 và 7 ngày, cường độ của các mẫu sử dụng cát đồi cao hơn mẫu đối chứng. Ví dụ, ở tuổi 7 ngày, cường độ của CP1, CP2, CP3 lần lượt là 16.8, 17.1, và 16.5 MPa, trong khi CP0 chỉ đạt 16.2 MPa. Tuy nhiên, tốc độ tăng trưởng sau đó có sự phân hóa. Mẫu CP2 (25% cát đồi) tiếp tục phát triển mạnh và đạt cường độ cao nhất ở tuổi 28 và 60 ngày. Ngược lại, mẫu CP3 (35% cát đồi) có xu hướng phát triển chậm lại và cường độ cuối cùng thấp hơn cả mẫu đối chứng. Sự suy giảm cường độ ở tỷ lệ thay thế cao có thể do lượng hạt quá mịn tăng lên, dẫn đến nhu cầu nước lớn hơn và giảm liên kết trong cấu trúc bê tông.

5.2. So sánh hiệu quả giữa các tỷ lệ thay thế cát đồi khác nhau

Khi so sánh trực tiếp cường độ ở tuổi 28 ngày, tỷ lệ thay thế 25% cát đồi (CP2) là phương án hiệu quả nhất. Cường độ của CP2 (25.1 MPa) không chỉ đạt mà còn vượt nhẹ so với yêu cầu thiết kế của bê tông B20. Tỷ lệ này cao hơn 1.6% so với mẫu đối chứng (24.7 MPa). Tỷ lệ 15% (CP1) cũng cho kết quả tốt (24.9 MPa), gần tương đương với mẫu đối chứng. Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ thay thế lên 35% (CP3), cường độ giảm xuống chỉ còn 23.9 MPa, thấp hơn 3.2% so với mẫu đối chứng và không đạt yêu cầu thiết kế. Dựa trên các kết quả này, luận văn kết luận rằng có thể thay thế cát sông bằng cát đồi với tỷ lệ lên đến 25% để chế tạo bê tông cấp bền B20 mà vẫn đảm bảo, thậm chí cải thiện được cường độ chịu nén. Đây là một phát hiện quan trọng, cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng thực tiễn.

VI. Tương lai của bê tông cát đồi và các kiến nghị thực tiễn

Nghiên cứu về việc dùng cát đồi thay cát sông chế tạo bê tông đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này, mở ra một tương lai đầy hứa hẹn cho ngành vật liệu xây dựng tại Quảng Nam và các tỉnh duyên hải miền Trung. Việc ứng dụng thành công bê tông từ cát đồi sẽ mang lại những lợi ích to lớn về kinh tế, xã hội và môi trường. Về kinh tế, nó giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng nhờ tận dụng nguồn tài nguyên dồi dào, giá rẻ tại địa phương, giảm chi phí vận chuyển. Về mặt xã hội, nó tạo ra sự chủ động về nguồn cung vật liệu, góp phần đẩy nhanh tiến độ các công trình hạ tầng trọng điểm. Quan trọng nhất, về môi trường, giải pháp này giúp giảm áp lực khai thác lên các dòng sông, hạn chế sạt lở, bảo vệ hệ sinh thái và hướng tới sự phát triển bền vững. Từ những kết quả đạt được, luận văn đề xuất một số kiến nghị quan trọng. Cần xây dựng các tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật cụ thể cho việc sử dụng cát đồi trong bê tông. Các cơ quan quản lý nhà nước nên có chính sách khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ khai thác và xử lý cát đồi. Đồng thời, cần tiếp tục các nghiên cứu sâu hơn để mở rộng phạm vi ứng dụng của loại vật liệu này cho các loại bê tông có cường độ cao hơn hoặc các loại bê tông có tính năng đặc biệt.

6.1. Đánh giá tính khả thi và ý nghĩa của việc sử dụng cát đồi

Kết quả thực nghiệm đã khẳng định mạnh mẽ tính khả thi của việc sử dụng cát đồi trong bê tông. Với tỷ lệ thay thế hợp lý (lên đến 25%), bê tông vẫn đạt và vượt cường độ thiết kế, chứng tỏ đây không phải là giải pháp thay thế tạm thời mà là một lựa chọn kỹ thuật đáng tin cậy. Ý nghĩa của nghiên cứu vượt ra ngoài phạm vi một đề tài khoa học. Nó cung cấp một giải pháp thực tiễn cho bài toán thiếu hụt cát sông, một vấn đề nan giải của ngành xây dựng hiện nay. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên đang cạn kiệt mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu các tác động tiêu cực do khai thác cát sông gây ra. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới việc xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn, tận dụng tối đa nguồn lực tại chỗ để phát triển bền vững.

6.2. Đề xuất ứng dụng và hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

Dựa trên kết quả nghiên cứu, bê tông dùng cát đồi với tỷ lệ thay thế 25% hoàn toàn có thể được ứng dụng để chế tạo các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép thông thường cho các công trình dân dụng và công nghiệp có yêu cầu cấp bền B20. Để nhân rộng mô hình này, cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để xây dựng quy trình sản xuất chuẩn. Về hướng nghiên cứu trong tương lai, cần tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng cát đồi đến các tính chất khác của bê tông như tính chống thấm, độ co ngót và độ bền lâu dài trong các môi trường xâm thực. Ngoài ra, việc nghiên cứu kết hợp cát đồi với các loại phụ gia thế hệ mới để chế tạo bê tông cường độ cao hơn (B25, B30) cũng là một hướng đi đầy tiềm năng, giúp mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của nguồn tài nguyên quý giá này.

03/10/2025
Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng đông thành phố tam kỳ tỉnh quảng nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH 1. Tổng quan về bê tông và các vật liệu cấu thành 1. Tổng quan về bê tông Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước… Trong đó cát và đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước, ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết. Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên.

Mỗi thành phần cát, đá, xi măng … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau [3]. Phân loại bê tông a). Phân loại theo dạng chất kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt. Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt có r = 70 - 85%, bê tông thủy công r = 8 - 10%.

Phân loại theo công dụng: Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn). Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước. Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè. Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ).

Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ. Trong phạm vi chương trình ta chỉ chủ yếu nghiên cứu về bê tông nặng dùng chất kết dính xi măng. b)Phân loại theo dạng cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit). c) Phân loại theo khối lượng thể tích: 6 Bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500 kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt.

Bê tông nặng (ρv = 2200 ÷ 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực. Bê tông tương đối nặng (ρv = 1800 ÷ 2200 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực Bê tông nhẹ (ρv = 500 ÷ 1800 kg/m3), trong đó gồm có bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ). Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có ρv< 500 kg/m3. Cấu tạo và cấu trúc Hỗn hợp bê tông là hỗn hợp chứa các thành phần chủ yếu là xi măng, nước, cát, cốt liệu lớn (đá, sỏi).

Ngày nay khi đa số bê tông tươi đều có sử dụng các chất phụ gia thì phụ gia trở thành thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông, có tác động đến cấu trúc của hỗn hợp bê tông. Khi nhào trộn các thành phần khoáng vật của xi măng sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa, các chất cấu thành trên xi măng và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông và Ca(OH)2 và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông. Dung dịch liên kết các cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên dung dịch hồ kết dính vữa xi măng (đây là chất kết dính thứ cấp). Cuối cùng dung dịch hồ kết dính vữa xi măng chui vào kẽ hở của các hạt cốt liệu này và chúng tạo ra cấu trúc hỗn hợp bê tông hoàn chỉnh.

- Có thể phân cấu trúc hỗn hợp bê tông thành các cấu trúc con. - Cấu trúc xương của cốt liệu lớn. - Cấu trúc vi mô của hồ kết dính vữa xi măng (như là môi trường liên kết các hạt cốt liệu lớn trong cấu trúc bộ xương khung). Cấu trúc tiếp giáp giữa hồ xi măng và bề mặt cốt liệu lớn (vùng tiếp giáp cốt liệu): Với các khung xương cốt liệu lớn được biểu hiện qua lực dính vữa xi măng lên bề mặt các hạt cốt liệu lớn (lực dính này chỉ hình thành khi kết thúc quá trình ninh kết hỗn hợp bê tông có cấu trúc ổn định và mất hoàn toàn tính dẻo).

Vùng tiếp giáp này tồn tại các lỗ rỗng do nước tách ra để lại và là vùng yếu nhất trong cấu trúc bê tông. Tại đây có thể xuất hiện các vết nứt và các vùng ứng suất cục 7 bộ đầu tiên trong bê tông khi chịu lực và chịu tác động của các yếu tố môi trường gây ăn mòn với bê tông. Tính chất cơ học của bê tông Cường độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó.

Với bê tông, cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo [4]. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông. Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu để đo cường độ có kích thước 150x150x150 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28 ngày.

Bê tông thông thường có R = 5÷30 MPa. Bê tông có R > 40MPa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R ≥ 80MPa. Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang.

Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của nó. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh như hình 1. Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc để bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra như trên hình 1.

Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông có ma sát. Điều này có thể giải thích là do ma sát làm cản trở biến dạng ngang, với mẫu khối khi cạnh a tăng thì R giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông. Sự phá hoại mẫu thử 1 - Mẫu; 2 - Bàn máy nén; 3 - Ma sát; 4 - Bê tông bị ép vụn; 5 - Hình tháp phá hoại 6 - Vết nứt dọc trong mẫu. Cường độ chịu uốn Cường độ chịu uốn là một thông số đo cường độ chịu kéo của bê tông.

Nó được đo trên cơ sở uốn dầm bê tông. Thông thường cường độ chịu uốn bằng khoảng 10-20 phần trăm cường độ chịu nén của bê tông, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng của các loại cốt liệu. Tuy nhiên việc xác định mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông một cách chính xác nhất là thông qua việc thực hiện thí nghiệm mẫu. Co ngót của bê tông Co ngót là hiện tượng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí.

Hiện tượng co ngót liên quan đến quá trình thủy hóa xi măng, đến sự bốc hơi lượng hơi nước thừa khi bê tông khô cứng. Co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên của bê tông. Trong điều kiện bình thường, sau vài năm thì biến dạng tỉ đối do co -4 ngót có thể đạt đến (3÷5)10. Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kỳ đầu và giảm dần theo thời gian sau đó tắt hẳn [4].

Co ngót của bê tông có mấy dạng cơ bản sau: - Hiện tượng tự co (Autogenous shrinkage): Xảy ra do quá trình hydrat hóa của xi măng; - Co khô (Drying shrinkage): xảy ra do sự thiếu hụt độ ẩm trong bê tông trong quá trình bê tông cứng hóa; - Co ngót do quá trình các bô nát (Carbonation shrinkage): xảy ra do một vài sản phẩm của quá trình hydrat hóa tác dụng với CO2. Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel đá xi măng. Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông bị co. Quá trình cacbonat hóa hyđrôxi can xi trong đá xi măng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước.

Ngoài ra, độ co ngót còn phụ thuộc vào chế độ bảo dưỡng, khi bảo dưỡng nhiệt ẩm độ co ngót xảy ra mạnh và nhanh chóng hơn trong điều kiện thường nhưng trị số cuối cùng lại nhỏ hơn 10 - 15%; nhiệt độ chưng hấp càng cao, độ co ngót cuối cùng càng nhỏ. Sự co của mạng tinh thể bị cốt liệu cản trở gây ra ứng suất kéo ban đầu trong đá xi măng. Sự co không đều trong khối bê tông hoặc co ngót bị ngăn trở làm phát sinh ứng suất kéo và có thể làm bê tông bị nứt. Bê tông bị nứt làm giảm cường độ, độ 9 chống thấm trong môi trường xâm thực.Vì vậy đối với những kết cấu bê tông có chiều dài và diện tích lớn, để tránh nứt người ta phân đoạn để tạo thành các khe co giãn.

Để giảm co ngót cần chọn thành phần thích hợp, hạn chế lượng nước trộn, đầm chặt bê tông, giữ cho bê tông thường xuyên ẩm trong giai đoạn đầu (dưỡng hộ). Để khắc phục ảnh hưởng xấu của co ngót cần dùng những biện pháp cấu tạo thích hợp, đặt cốt thép ở những nơi cần thiết, làm các khe co giãn trong kết cấu và tạo mạch ngừng khi thi công [4]. Ghi chú: 1- Co ngót của đá xi măng 2- Co ngót của vữa 3- Co ngót của bê tông. Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông Trị số co ngót phụ thuộc vào lượng, loại xi măng, lượng nước, tỷ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu và chế độ bảo dưỡng.

Độ co ngót trong đá xi măng lớn hơn trong hỗn hợp và bê tông (Biểu đồ 1. Các vật liệu cấu thành 1. Xi măng Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bê tông.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ