Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt do khai thác quá mức, việc tìm kiếm vật liệu thay thế trong ngành xây dựng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, nhu cầu sử dụng cát xây dựng tại Việt Nam giai đoạn 2016-2020 đạt khoảng 2,3 tỷ m³ mỗi năm, dẫn đến tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng nguyên liệu này. Đồng thời, lượng tro xỉ than đá (coal bottom ash - CBA) phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than ngày càng tăng, với tổng khối lượng khoảng 47,8 triệu tấn tro xỉ được thải ra trong năm 2019 tại Việt Nam. Việc xử lý và tái sử dụng CBA không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng nguồn phế thải công nghiệp hiệu quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế cát sông bằng CBA ở trạng thái bão hòa bề mặt khô (saturated surface dry - SSD) đến các tính chất cơ lý của bê tông, bao gồm cường độ chịu nén, co ngót nội sinh và khả năng chống thấm ion clo. Mục tiêu cụ thể là xác định tỷ lệ thay thế CBA tối ưu trong bê tông mác B40, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện dưỡng hộ khác nhau (dưỡng hộ ngâm nước và dưỡng hộ kín bằng túi PE) đến hiệu quả sử dụng CBA. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm và công trình xây dựng tỉnh Bến Tre trong năm 2020, với các mẫu bê tông được thử nghiệm ở các tuổi 1, 7, 28, 56 và 91 ngày.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý chất thải công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá trình hydrat hóa xi măng: Quá trình này bao gồm phản ứng hóa học giữa xi măng và nước tạo thành các sản phẩm hydrat hóa như canxi silicat hydrate (C-S-H) và ettringit, ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và tính chất co ngót của bê tông.

  • Lý thuyết co ngót bê tông: Bao gồm hai loại chính là co ngót nội sinh (do quá trình hydrat hóa và giảm thể tích nước tự do trong bê tông) và co ngót khô (do mất nước ra môi trường bên ngoài). Co ngót nội sinh thường xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình đông kết, còn co ngót khô diễn ra lâu dài và ảnh hưởng đến độ bền và độ bền nứt của bê tông.

  • Mô hình vật liệu bê tông nhẹ (Lightweight Aggregate Concrete - LWA): CBA được xem như một loại vật liệu nhẹ có cấu trúc xốp, có khả năng hấp thụ nước và giải phóng nước trong quá trình hydrat hóa, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm: trạng thái bão hòa bề mặt khô (SSD), cường độ chịu nén, co ngót nội sinh, hấp thụ nước, thể tích rỗng, và độ thấm ion clo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu bê tông thử nghiệm được chế tạo tại phòng thí nghiệm xây dựng tỉnh Bến Tre, sử dụng xi măng PC40, cát sông và CBA từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, Trà Vinh. CBA được xử lý qua sàng lọc kích thước hạt ≤ 4,75 mm và ngâm nước để đạt trạng thái SSD trước khi sử dụng thay thế cát sông với tỷ lệ 0%, 25%, 50%, 75% và 100% theo thể tích.

Cỡ mẫu bê tông là 15×15×15 cm cho thử nghiệm cường độ chịu nén và co ngót, 10×10×40 cm cho thử nghiệm uốn kéo. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên, đảm bảo tính đại diện cho từng tỷ lệ thay thế.

Phân tích dữ liệu sử dụng các tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 (chỉ tiêu chịu nén), TCVN 3119:1993 (chỉ tiêu chịu kéo), TCVN 8828:2011 (phương pháp dưỡng hộ), ASTM C150/C150M-16 (xi măng), ASTM C33/C33M-13 (cát), và các phương pháp đo hấp thụ nước, thể tích rỗng, độ thấm ion clo theo tiêu chuẩn quốc tế.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2020, với các phép thử được thực hiện ở các tuổi bê tông 1, 7, 28, 56 và 91 ngày nhằm đánh giá sự phát triển tính chất theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế CBA đến cường độ chịu nén: Mẫu bê tông thay thế 50% CBA (M50) đạt cường độ chịu nén cao nhất, tăng khoảng 10% so với mẫu đối chứng (M0) sau 28 ngày dưỡng hộ kín bằng túi PE. Các mẫu M25, M75 và M100 có cường độ chịu nén thấp hơn mẫu M0 lần lượt khoảng 5%, 7% và 15%.

  2. Co ngót nội sinh giảm đáng kể khi sử dụng CBA: Tất cả các mẫu bê tông chứa CBA có mức co ngót nội sinh thấp hơn mẫu M0, giảm tối đa đến 20% ở mẫu M50 sau 57 ngày tuổi. Điều này cho thấy CBA giúp cải thiện khả năng kiểm soát co ngót, giảm nguy cơ nứt do co ngót.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ: Bê tông dưỡng hộ kín bằng túi PE có cường độ chịu nén cao hơn khoảng 8% so với dưỡng hộ ngâm nước ở tuổi 28 ngày. Tuy nhiên, cường độ uốn không có sự khác biệt đáng kể giữa hai phương pháp dưỡng hộ.

  4. Tính chất vật lý khác: Mẫu bê tông chứa CBA có khối lượng thể tích thấp hơn mẫu M0 khoảng 5-10%, đồng thời có độ hấp thụ nước và thể tích rỗng cao hơn, ngoại trừ mẫu M50 có các chỉ tiêu này gần tương đương mẫu M0. Độ sâu thâm nhập ion clo của mẫu M50 là 1-1,5 cm, thấp hơn đáng kể so với 2 cm của mẫu M0, cho thấy khả năng chống thấm ion clo được cải thiện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng cường độ chịu nén ở mẫu M50 là do CBA ở trạng thái SSD cung cấp nước cho quá trình hydrat hóa xi măng, giúp tăng cường phát triển sản phẩm hydrat và giảm co ngót nội sinh. Cấu trúc xốp của CBA cũng góp phần làm giảm áp suất mao dẫn bên trong bê tông, từ đó giảm nguy cơ nứt do co ngót.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà nghiên cứu về việc sử dụng CBA làm vật liệu thay thế cát trong bê tông nhẹ, giúp cải thiện tính bền vững và hiệu quả kinh tế. Việc dưỡng hộ kín bằng túi PE giúp duy trì độ ẩm tối ưu, tăng cường quá trình hydrat hóa, từ đó nâng cao cường độ bê tông.

Các biểu đồ thể hiện sự phát triển cường độ chịu nén theo thời gian và mức co ngót nội sinh của các mẫu bê tông sẽ minh họa rõ nét sự khác biệt giữa các tỷ lệ thay thế và điều kiện dưỡng hộ. Bảng so sánh các chỉ tiêu vật lý như khối lượng thể tích, độ hấp thụ nước và độ sâu thấm ion clo cũng giúp làm rõ hiệu quả của việc sử dụng CBA.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ thay thế 50% CBA SSD trong sản xuất bê tông mác B40 nhằm tối ưu hóa cường độ chịu nén và giảm co ngót nội sinh, góp phần nâng cao chất lượng công trình. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại.

  2. Sử dụng phương pháp dưỡng hộ kín bằng túi PE trong giai đoạn bảo dưỡng bê tông để tăng cường quá trình hydrat hóa, nâng cao cường độ và độ bền của bê tông. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và quản lý dự án.

  3. Xây dựng quy trình xử lý và chuẩn bị CBA đạt trạng thái SSD trước khi sử dụng làm vật liệu thay thế cát, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả của bê tông. Thời gian triển khai: trong vòng 6 tháng tới tại các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng CBA trong các loại bê tông khác nhau và điều kiện khí hậu đa dạng nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả và độ bền lâu dài. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà quản lý xây dựng: Nắm bắt được giải pháp thay thế cát tự nhiên bằng CBA, giúp giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao chất lượng công trình.

  2. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Áp dụng quy trình xử lý CBA và sản xuất bê tông thân thiện môi trường, mở rộng thị trường vật liệu tái chế.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thử nghiệm và cơ sở lý thuyết về vật liệu thay thế trong bê tông.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Đánh giá tiềm năng sử dụng phế thải công nghiệp trong xây dựng, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. CBA là gì và tại sao được sử dụng thay thế cát sông?
    CBA (coal bottom ash) là tro xỉ than đá phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than. Do nguồn cát sông ngày càng khan hiếm, CBA được tận dụng làm vật liệu thay thế nhằm giảm khai thác tài nguyên và xử lý phế thải hiệu quả.

  2. Tỷ lệ thay thế CBA tối ưu trong bê tông là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 50% CBA SSD thay thế cát sông mang lại hiệu quả tốt nhất về cường độ chịu nén và giảm co ngót nội sinh, đồng thời duy trì các tính chất vật lý gần tương đương bê tông chuẩn.

  3. Điều kiện dưỡng hộ nào phù hợp nhất cho bê tông chứa CBA?
    Dưỡng hộ kín bằng túi PE giúp duy trì độ ẩm tối ưu, tăng cường quá trình hydrat hóa và nâng cao cường độ bê tông so với dưỡng hộ ngâm nước truyền thống.

  4. Ảnh hưởng của CBA đến khả năng chống thấm ion clo như thế nào?
    Mẫu bê tông chứa 50% CBA có độ sâu thấm ion clo thấp hơn mẫu chuẩn, cho thấy khả năng chống thấm và chống ăn mòn tốt hơn, góp phần nâng cao độ bền công trình.

  5. Có những hạn chế nào khi sử dụng CBA trong bê tông?
    CBA có cấu trúc xốp và độ hấp thụ nước cao hơn cát sông, có thể ảnh hưởng đến tính công tác và độ bền lâu dài nếu không được xử lý và kiểm soát đúng cách. Do đó, cần chuẩn bị CBA ở trạng thái SSD và kiểm soát tỷ lệ thay thế phù hợp.

Kết luận

  • Việc thay thế 50% cát sông bằng CBA ở trạng thái SSD trong bê tông mác B40 cải thiện cường độ chịu nén khoảng 10% và giảm co ngót nội sinh đến 20%.
  • Dưỡng hộ kín bằng túi PE là phương pháp hiệu quả giúp tăng cường quá trình hydrat hóa và nâng cao chất lượng bê tông chứa CBA.
  • Bê tông chứa CBA có khả năng chống thấm ion clo tốt hơn, góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.
  • CBA là vật liệu thay thế tiềm năng, giúp giảm khai thác cát tự nhiên và xử lý phế thải công nghiệp hiệu quả.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng quy trình xử lý CBA và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các loại bê tông khác nhau.

Hành động ngay hôm nay để phát triển vật liệu xây dựng bền vững và thân thiện môi trường!