CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG CÁT NGHIỀN, BÊ TÔNG TỰ LÈN 1. Tổng quan về cát nghiền Cát nghiền là loại cát được nghiền từ đá , có nhiều tên gọi khác nhau như cát công nghiệp, cát nghiền, cát gia công,., có thành phần cỡ hạt gần tương tự với cát tự nhiên, đảm bảo các yêu cầu về tính chất cơ lý, hóa và có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần cát tự nhiên trong bê tông và vữa xây dựng. Trong công nghệ bê tông chất lượng cao cát nhân tạo còn được sử dụng như một thành phần quan trong trong thành phần cốt liệu. Thông thường ở các nước công nghiệp phát triển, cát nhân tạo được sản xuất ở những vùng thiếu hoặc không có cát tự nhiên và ở hầu hết các cơ sở sản xuất đá xây dựng việc sản xuất cát nhân tạo như là một công đoạn cuối cùng để tận dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường [2].
Tình hình nghiên cứu sử dụng cát nghiền trên thế giới: Tại những nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Pháp,… cát nghiền được sản xuất khá nhiều, đặc biệt là ở những nơi thiếu hoặc không có cát thiên nhiên và ở hầu hết các cơ sở sản xuất đá xây dựng đều có công đoạn sản xuất cát nghiền, công đoạn cuối cùng để tận dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường. Ở Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Italia, Vênêxuêla cát nghiền đã là nguồn nguyên liệu chính thay cho cát thiên nhiên trong bê tông. Ở Bồ Đào Nha hiện có 75 cơ sở sản xuất cát nghiền với tổng công suất tới 800.000 T/năm, ở Anh với tổng công suất khoảng 700.000 T/năm, ở Bắc Irland với tổng công suất khoảng 450. Trên thế giới cát nghiền đã được dùng trong các đập nước lớn như đập Saguling ở Inđônêxia, đập Chonarit trên sông Lakhdar đông Manakesh, đập Jebha ở Nigieria, đập Grand Maison ở Pháp… 5 Các cơ sở sản xuất cát nghiền hiện nay đều ở mức cơ giới hóa và tự động hóa cao, không còn lao động thủ công.
Toàn bộ hoạt động của dây chuyền sản xuất đều được khống chế trong phòng điều khiển. Cốt liệu lớn (5 ÷ 80mm) và cốt liệu nhỏ (< 5mm) đều được sản xuất trên cùng một dây chuyền. Cốt liệu nhỏ được chia làm 2 loại cỡ hạt trên theo tỷ lệ khác nhau. Các dây chuyền sản xuất đều có hệ thống rửa cát để tách bớt lượng hạt mịn (< 0,14mm) và tạp chất bẩn.
Hàm lượng hạt bụi, bẩn (< 0,075mm) được giới hạn từ (5 ÷ 8%). Loại thiết bị sử dụng trong dây chuyền là khác nhau, phụ thuộc vào tính chất của đá, thời gian mua sắm thiết bị, công suất dây chuyền. Trên thế giới có rất nhiều công ty sản xuất thiết bị công nghệ sản xuất cát nhưng đáng chú ý nhất là 2 công ty lớn đã cung cấp nhiều thiết bị sản xuất cát nghiền, đó là : Công ty Mesto (Pháp), Terex (Anh). Riêng công ty Mesto đã cung cấp thiết bị nghiền cát cho các khu vực thuộc Bồ Đào Nha, Itali, Đức, Pháp, Colombia, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Venezuela, Indonesia.
Công nghệ sản xuất cát ở các nước gần giống nhau. Công đoạn nghiền chia làm 3 giai đoạn [2]: - Nghiền sơ bộ: Máy nghiền hàm - Nghiền trung gian: Máy nghiền hàm, búa, côn - Máy nghiền mịn: Máy nghiền búa, côn, que (trong đó máy nghiền côn loại chất lượng cao (HP) đã có nhiều lợi thế và thay thế hoàn toàn máy nghiền que). Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát nghiền được giới thiệu ở bảng 1.1: Tiêu chuẩn chỉ tiêu kỹ thuật của cát nghiền TCVN ASTM BS882- CSA- TT Các chỉ tiêu 9025-2012 C33-90 1992 A23.1 1 % lượng lọt sàng 6 TCVN ASTM BS882- CSA- TT Các chỉ tiêu 9025-2012 C33-90 1992 A23.1 10mm 100 100 100 100 5mm 95÷100 95÷100 70÷100 95÷100 2,5mm 75÷100 80÷100 25÷100 80÷100 1,25mm 50÷85 50÷85 15÷45 50÷90 0,63mm 30÷65 25÷60 5÷25 25÷65 0,315mm 10÷35 10÷30 3÷20 10÷35 0,14mm 5÷20 2÷10 0÷25 2÷10 0,075mm 0÷16 5÷7 9÷16 - 2 Hàm lượng Cl (%)≤ 0,05 - 0,01÷0,05 - 3 Co ngót khô (%) ≤ - - 0,075 - Ôxit kiềm hòa tan từ nguồn 4 khác, ngoài xi măng - - 0,2 - (kg/ m3 bê tông) ≤ 5 Hàm lượng SO3 (%)≤ 1 - - 1 6 Ôxitsilic vô định hình≤ 50mmol/l Độ nở (%) do phản ứng 7 - 0,1 - 0,1 ASR ở 6 tháng ≤ 8 Lượng bùn bụi, sét (%) ≤ 2 - - - 7 Qua khảo sát các đặc tính kỹ thuật của cát nghiền có thể nhận xét chung về tiêu chuẩn của cát nghiền như sau: - Giới hạn hạt 0,14 ÷ 5mm cho phép nằm trong một dải rộng. - Mức độ cho phép cỡ hạt mịn < 0,14mm khá lớn vì trong cát nghiền cỡ hạt này không phải là sét bụi mà là đá bị nghiền vụn (bột đá).
- Tiêu chuẩn của các nước đều cho phép sử dụng hạt < 0,075mm. Điều này cũng rất phù hợp với thực tế về cát nghiền ở Việt Nam. - Tiêu chuẩn các nước đối với cát nghiền có quy định rõ lượng Cl − , SO3− , kiềm hòa tan, Silic vô định hình (TCVN quy định chung chung). Tình hình nghiên cứu sử dụng cát nghiền ở Việt Nam: Theo báo cáo quy hoạch VLXD [35,36], tổng nhu cầu cát vàng ở những vùng thiếu cát vàng dùng cho bê tông, gạch không nung năm 2000 là 700.
Riêng cho công trình thủy điện Sơn La (với phương án cao 275m), tổng khối lượng bê tông sử dụng là 8.000m3, trong đó bê tông đầm lăn là 5. Lượng cốt liệu mịn của công trình là 8. Với khối lượng cốt liệu mịn khổng lồ này, không thể vận chuyển từ nơi khác đến mà phải có nguồn cung cấp tại chỗ. Từ trước tới nay ở những vùng thiếu cát tự nhiên thì nguồn cung cấp chính là vận chuyển từ nơi khác đến.
Việc này đã và đang gặp nhiều khó khăn, chưa kể nguồn cát tự nhiên ngày càng trở nên khan hiếm. Nếu không có biện pháp khắc phục thì trong vòng 5 năm tới sẽ không đủ cát cung cấp cho xây dựng. Đứng trước tình hình khó khăn trên, ở một số nơi như Cao Bằng, Sơn La, Hà Giang, Lai Châu bước đầu đã có những biện pháp khắc phục: xây dựng những trạm nghiền cát để phục vụ tại chỗ. Cát được nghiền từ đá dăm có kích thước < 60mm.
Công nghệ sản xuất đơn giản: chỉ sử dụng máy nghiền búa, có thể thêm công đoạn sang để loại bỏ hạt >5mm. năng suất máy nghiền búa rất nhỏ (0,5 ÷ 2T/giờ) [2]. 8 Đáng chú ý hơn cả là tại ven thị xã Sơn La có 2 cơ sở nghiền đá, cát hỗn hợp. Hai cơ sở này đều có dây chuyền sản xuất như nhau, dây chuyền gồm có máy kẹp hàm, máy nghiền côn do Liên Xô cũ chế tạo năm 1989 [2].
Hiện nay, tại Việt Nam sử dụng các trạm nghiền cát và đá dăm có công suất lớn chủ yếu là tại các công trình có quy mô lớn như các công trình thủy điện: Nhà máy thủy điện Bản Chát (hình 1.2), Nhà máy thủy điện Sơn La, Nhà máy thủy điện Lai Châu,… Hình 1.1: Hình ảnh các trạm nghiền sàng cho bê tông đầm lăn (công suất 1.000m3/năm) và cơ sở nghiền sàng cho bê tông CVC (công suất 220.000m3/năm) tại công trình thủy điện Bản Chát – Lai Châu (2011) 9 Hình 1.2: Hình ảnh công tác trữ cốt liệu đá dăm, cát nghiền tại bãi trữ công trình thủy điện Bản Chát (2011) Ở nước ta có ít đề tài nghiên cứu kỹ, đầy đủ về công nghệ sản xuất và sử dụng cát nghiền cho bê tông và vữa xây dựng. Trong lĩnh vực này, đề tài xuất hiện đầu tiên năm 1998 là của TS Nguyễn Thanh Tùng [9], tiếp theo là đề tài của TS Nguyễn Quang Cung năm 2002 [2] “Nghiên cứu cát nhân tạo sử dụng trong bê tông và vữa xây dựng” - Đây là một đề tài nghiên cứu khá đầy đủ về đặc tính của cát nghiền ở Việt Nam về công nghệ chế tạo cát nghiền và về ứng dụng của nó trong công nghệ chế tạo bê tông và vữa xi măng. Trên cơ sở kết quả của đề tài này Bộ xây dựng đã biên soạn “Chỉ dẫn 10 kỹ thuật chọn thành phần bê tông sử dụng cát nghiền” dưới dạng tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 322:2004 [19]. Tổng quan về bê tông tự lèn Bê tông tự lèn ( BTTL ) là loại bê tông mà hỗn hợp mới trộn xong của nó ( hỗn hợp bê tông tươi ) có khả năng tự điền đầy các khuôn đổ hoặc cốp pha kể cả những kết cấu dầy đặc cốt thép, mà vẫn đảm bảo tính đồng nhất bằng chính trọng lượng bản thân và độ chẩy xoè cao, không cần bất kỳ một tác động cơ học nào từ bên ngoài.
Theo Takefumi Shindoh và Yasunori Matsuoka, BTTL được định nghĩa là loại bê tông mà hỗn hợp có khả năng dẻo tuyệt vời, có khả năng chống lại sự phân tầng và có thể điền đầy các kết cấu có cốt thép dầy đặc mà không cần thiết đến tác dụng của quá trình đầm. Như vậy, bê tông tự lèn là bê tông, mà hỗn hợp của nó khi đổ không cần đầm nhưng sau khi đông cứng, kết cấu bê tông vẫn đảm bảo độ đặc chắc và các tính chất cơ lý như bê tông thông thường cùng mác [30]. • Đặc điểm của BTTL: Bê tông tự lèn có thể có nhiều loại khác nhau, việc phân loại chúng trên thế giới cũng chưa có tiêu chuẩn nào quy định. Dựa vào đặc tính của vật liệu sử dụng để chế tạo có thể chia bê tông tự lèn thành 3 loại: + Bê tông tự lèn dựa trên hiệu ứng của bột mịn: Đây là loại bê tông tự lèn chỉ sử dụng phụ gia siêu dẻo hoặc cuốn khí và giảm nước mức độ cao, mà không phải dùng đến phụ gia điều chỉnh độ linh động.
Độ linh động và tính năng không phân tầng của hỗn hợp bê tông tự lèn đạt được bằng cách điều chỉnh phù hợp tỷ lệ N/B [ nước / bột (xi măng và phụ gia khoáng mịn )]. Loại bê tông này có hàm lượng bột mịn cao hơn so với bê tông truyền thống; + Bê tông tự lèn sử dụng phụ gia điều chỉnh độ linh động: Là loại bê tông tự lèn ngoài việc sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước cao thế hệ mới ( polycarboxylate ), còn cần phải sử dụng phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VMA – Viscosity Modifying Admixture) 11 để hỗn hợp bê tông tự lèn tránh khỏi sự phân tầng, tách nước. Việc sử dụng phụ gia điều chỉnh độ nhớt đã làm giảm được hàm lượng bột mịn trong loại bê tông tự lèn này so với loại BTTL dựa trên hiệu ứng của bột mịn; + Bê tông tự lèn sử dụng hỗn hợp cả bột mịn và phụ gia điều chỉnh độ nhớt.