Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến toàn cầu với sản lượng hàng năm khoảng 35 tỷ tấn, tiêu thụ 4.2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2.8 tỷ tấn nước. Sự gia tăng dân số và phát triển hạ tầng đã làm tăng nhu cầu sử dụng bê tông, đồng thời gây áp lực lớn lên nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Chất thải rắn xây dựng (CTRXD) chiếm khoảng 36% tổng lượng chất thải toàn cầu, với lượng phát sinh tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh lần lượt khoảng 4000 tấn/ngày và chiếm 20% rác thải sinh hoạt. Việc tái sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (RCA) từ CTRXD được xem là giải pháp bền vững nhằm giảm khai thác tài nguyên và xử lý chất thải.

Nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng của các loại RCA được xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay đến cường độ và độ hút nước của bê tông cường độ cao. Ba loại RCA thu thập từ bê tông gốc có mác thiết kế 20, 30 và 60 MPa được ngâm trong huyền phù với nồng độ 30%, 50%, 70% trong 24 và 72 giờ. Mục tiêu là xác định nồng độ và thời gian ngâm tối ưu để xử lý RCA, sau đó thay thế 50% cốt liệu lớn trong bê tông cường độ cao 70 MPa nhằm khảo sát ảnh hưởng đến tính chất bê tông. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Đại học Hiroshima, Nhật Bản, trong năm 2024.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển bê tông bền vững, tiết kiệm tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các chỉ số kỹ thuật như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn và độ hút nước được đánh giá chi tiết nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng RCA đã xử lý trong công nghiệp xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý chế tạo bê tông cường độ cao theo TCVN 10306:2014, với cường độ chịu nén ≥ 55 MPa ở 28 ngày tuổi và tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) khoảng 0.4. Bê tông cường độ cao có tốc độ phát triển cường độ nhanh trong giai đoạn đầu và cơ chế hình thành vết nứt chủ yếu xảy ra bên trong cốt liệu, khác biệt so với bê tông thông thường.

Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) có đặc tính kỹ thuật thấp hơn đá tự nhiên do sự tồn tại của lớp vữa cũ và vùng chuyển tiếp ITZ nhiều lỗ rỗng. Vùng ITZ yếu làm giảm cường độ và độ bền của bê tông chứa RCA. Việc cải thiện RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay dựa trên phản ứng hydrat hóa của xi măng và phản ứng pozzolanic của tro bay, tạo ra các sản phẩm hydrat hóa C–S–H lấp đầy lỗ rỗng, tăng độ đặc chắc và cải thiện vùng ITZ giữa RCA và hệ nền xi măng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cốt liệu bê tông tái chế (RCA)
  • Huyền phù xi măng-tro bay (cement-fly ash slurry)
  • Vùng chuyển tiếp ITZ (Interfacial Transition Zone)
  • Phản ứng hydrat hóa và pozzolanic
  • Tính chất kỹ thuật bê tông cường độ cao

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ ba loại RCA lấy từ bê tông gốc có mác thiết kế 20, 30 và 60 MPa. RCA được ngâm trong huyền phù xi măng-tro bay với ba nồng độ 30%, 50%, 70% (tỷ lệ khối lượng chất kết dính trên tổng khối lượng RCA) trong hai khoảng thời gian 24 và 72 giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo độ hút nước, độ nén dập và thành phần hạt của RCA trước và sau xử lý.
  • Phân tích cấu trúc lỗ rỗng bằng phương pháp thủy ngân thâm nhập.
  • Quan sát cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao theo TCVN 10306:2014 với cường độ thiết kế 70 MPa, tỷ lệ nước trên chất kết dính 0.4, độ sụt 18±2 cm.
  • Thay thế 50% thể tích cốt liệu lớn bằng RCA đã xử lý.
  • Thí nghiệm cường độ chịu nén ở 3, 7, 14, 28 ngày; cường độ chịu kéo uốn ở 7 và 28 ngày; đo độ hút nước bê tông ở 28 ngày.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu bê tông với và không có RCA, mỗi loại RCA được xử lý với các điều kiện khác nhau. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên, đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm cải thiện giữa các nhóm mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm và nồng độ huyền phù đến tính chất RCA:

    • Độ hút nước của RCA giảm đáng kể sau khi xử lý, giảm khoảng 15-25% khi ngâm 72 giờ với nồng độ huyền phù 50%.
    • Độ nén dập của RCA cải thiện từ 10-30% tùy loại RCA và điều kiện xử lý, cao nhất khi ngâm 72 giờ với 50% huyền phù.
    • Phân tích cấu trúc lỗ rỗng cho thấy thể tích lỗ rỗng mao quản giảm khoảng 20% sau xử lý, chứng tỏ sự lấp đầy hiệu quả của sản phẩm hydrat hóa.

  2. Cường độ bê tông chứa RCA đã xử lý:

    • Bê tông sử dụng RCA đã xử lý đạt cường độ chịu nén 28 ngày tăng 8-12% so với bê tông chứa RCA chưa xử lý.
    • Cường độ chịu kéo uốn tăng khoảng 5-10% khi sử dụng RCA đã xử lý.
    • Độ hút nước bê tông giảm 10% so với bê tông chứa RCA chưa xử lý, cải thiện khả năng chống thấm.

  3. Ảnh hưởng của loại RCA gốc:

    • RCA từ bê tông gốc mác 60 MPa có tính chất kỹ thuật tốt hơn và cải thiện rõ rệt hơn sau xử lý so với RCA từ bê tông mác thấp hơn.
    • Cơ chế cải thiện khác nhau giữa các loại RCA, phụ thuộc vào thành phần vữa cũ và cấu trúc lỗ rỗng.

  4. Ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông:

    • Độ sụt của hỗn hợp bê tông chứa RCA đã xử lý giảm nhẹ khoảng 5% so với hỗn hợp chứa RCA chưa xử lý, do lớp phủ huyền phù làm tăng độ bám dính bề mặt cốt liệu.

Thảo luận kết quả

Việc ngâm RCA trong huyền phù xi măng-tro bay tạo ra lớp phủ hydrat hóa giúp lấp đầy lỗ rỗng và cải thiện vùng ITZ, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của RCA và bê tông chứa RCA. Thời gian ngâm 72 giờ và nồng độ huyền phù 50% được xác định là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả cải thiện và chi phí vật liệu.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng huyền phù xi măng-silica fume với thời gian ngâm ngắn hơn, nghiên cứu này cho thấy thời gian ngâm dài hơn giúp tăng cường sản phẩm hydrat hóa, cải thiện đáng kể độ đặc chắc của RCA. Đồng thời, việc sử dụng tro bay thay cho silica fume giúp giảm chi phí và tăng tính khả thi trong thực tế.

Kết quả cũng phù hợp với lý thuyết về cơ chế hình thành vết nứt trong bê tông cường độ cao, khi vết nứt thường phát sinh từ cốt liệu, do đó cải thiện RCA là yếu tố then chốt để nâng cao cường độ và độ bền của bê tông. Các biểu đồ phân tích cấu trúc lỗ rỗng và SEM minh họa rõ sự khác biệt về cấu trúc bề mặt và lỗ rỗng trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay với nồng độ 50% và thời gian ngâm 72 giờ nhằm tối ưu hóa tính chất cốt liệu và bê tông, giảm độ hút nước và tăng cường độ chịu nén. Thời gian thực hiện: 1-2 tuần cho mỗi lô sản xuất. Chủ thể thực hiện: các nhà máy tái chế vật liệu xây dựng.

  2. Thay thế 50% thể tích cốt liệu lớn bằng RCA đã xử lý trong bê tông cường độ cao 70 MPa để giảm khai thác đá tự nhiên, tiết kiệm tài nguyên và giảm chi phí nguyên liệu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và nhà sản xuất bê tông.

  3. Đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân về quy trình xử lý RCA và thiết kế cấp phối bê tông có sử dụng RCA đã xử lý nhằm đảm bảo chất lượng bê tông và hiệu quả sản xuất. Thời gian: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng xử lý RCA từ bê tông gốc có mác cao hơn và khảo sát các ảnh hưởng lâu dài đến độ bền và tính bền vững của bê tông nhằm hoàn thiện cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về cải thiện tính chất RCA và ứng dụng trong bê tông cường độ cao, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn chuyên sâu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông: Tham khảo quy trình xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Nhà thầu xây dựng và quản lý dự án: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế cấp phối bê tông sử dụng RCA đã xử lý, đảm bảo chất lượng công trình và hướng đến phát triển bền vững.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách môi trường: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách khuyến khích tái sử dụng chất thải xây dựng, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xử lý RCA trước khi sử dụng trong bê tông cường độ cao?
    RCA chứa lớp vữa cũ nhiều lỗ rỗng và vùng ITZ yếu, làm giảm cường độ và độ bền bê tông. Xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay giúp lấp đầy lỗ rỗng, cải thiện vùng ITZ, nâng cao tính chất kỹ thuật của RCA và bê tông.

  2. Nồng độ huyền phù và thời gian ngâm nào là tối ưu?
    Nghiên cứu xác định nồng độ huyền phù 50% và thời gian ngâm 72 giờ là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả cải thiện và chi phí vật liệu, giúp giảm độ hút nước và tăng độ nén dập của RCA.

  3. Việc thay thế bao nhiêu phần trăm cốt liệu lớn bằng RCA đã xử lý là phù hợp?
    Thay thế 50% thể tích cốt liệu lớn bằng RCA đã xử lý được chứng minh không làm giảm cường độ bê tông mà còn cải thiện các tính chất cơ lý, phù hợp với bê tông cường độ cao 70 MPa.

  4. Ảnh hưởng của loại RCA gốc đến kết quả xử lý như thế nào?
    RCA từ bê tông gốc mác cao có tính chất kỹ thuật tốt hơn và cải thiện rõ rệt hơn sau xử lý so với RCA từ bê tông mác thấp, do thành phần vữa cũ và cấu trúc lỗ rỗng khác nhau.

  5. Phương pháp xử lý này có khả năng ứng dụng thực tế không?
    Phương pháp sử dụng huyền phù xi măng-tro bay có tính kinh tế cao hơn so với các vật liệu pozzolanic khác như silica fume, quy trình đơn giản, phù hợp với các nhà máy tái chế và sản xuất bê tông hiện nay.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được nồng độ huyền phù 50% và thời gian ngâm 72 giờ là điều kiện tối ưu để xử lý RCA nhằm cải thiện tính chất kỹ thuật.
  • RCA sau xử lý có độ hút nước giảm 15-25%, độ nén dập tăng 10-30%, góp phần nâng cao cường độ và độ bền của bê tông cường độ cao.
  • Bê tông sử dụng 50% thể tích RCA đã xử lý đạt cường độ chịu nén 28 ngày tăng 8-12% so với bê tông chứa RCA chưa xử lý.
  • Việc xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay là giải pháp kinh tế, thân thiện môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bê tông bền vững.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi trong sản xuất bê tông và tiếp tục nghiên cứu mở rộng để hoàn thiện công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu tái chế đã xử lý, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng quy mô công nghiệp và nghiên cứu tính bền lâu dài của bê tông chứa RCA đã xử lý. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm các giải pháp cải tiến trong lĩnh vực này.