Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn cát vàng dùng trong xây dựng ngày càng khan hiếm, đặc biệt tại các tỉnh ven biển Đông Nam Bộ, việc tìm kiếm vật liệu thay thế để chế tạo bê tông xi măng (BTXM) là vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, chi phí vận chuyển cát vàng từ nơi khác đến khu vực này làm tăng đáng kể giá thành xây dựng. Luận văn tập trung nghiên cứu phối trộn cát nghiền từ đá (cát xay) với cát mịn biển nhằm giảm giá thành và tận dụng nguồn tài nguyên cát biển dồi dào. Mục tiêu cụ thể là xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa hai loại cát này để chế tạo BTXM không cốt thép dùng trong xây dựng đường ô tô tại các tỉnh ven biển Đông Nam Bộ, nơi địa hình thấp và chịu ảnh hưởng của nước ngập.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc sử dụng cát biển và cát nghiền tại khu vực Đông Nam Bộ, tập trung vào bê tông không cốt thép dùng làm lớp móng và mặt đường ô tô. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí xây dựng, bảo vệ môi trường bằng cách hạn chế khai thác cát vàng tự nhiên, đồng thời nâng cao chất lượng và tuổi thọ mặt đường bê tông xi măng. Các chỉ tiêu kỹ thuật được đánh giá bao gồm cường độ chịu nén, chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi và độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng cát biển trong xây dựng giao thông, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông phù hợp với điều kiện địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu xây dựng và bê tông xi măng, trong đó có:

  • Lý thuyết cấu trúc vi mô của bê tông: Mô tả cấu trúc xương cốt liệu lớn, cấu trúc vi mô của đá xi măng và vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu. Cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và độ bền của bê tông.
  • Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông Bolomey-Skramtaev: Tính toán lý thuyết dựa trên thể tích tuyệt đối của các thành phần vật liệu trong 1m³ bê tông, kết hợp kiểm tra thực nghiệm để xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu.
  • Các khái niệm chính: Độ sụt (độ dẻo của hỗn hợp bê tông), cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, tỷ lệ nước/xi măng (N/X), mô đun độ lớn của cát (Mdl), hệ số dư vữa (α), và các chỉ tiêu kỹ thuật của cát và bê tông theo tiêu chuẩn TCVN.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp thống kê và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu, số liệu từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng cát biển và cát nghiền trong bê tông xi măng, đồng thời tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  • Phương pháp phân tích: Thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát trộn với các tỷ lệ khác nhau giữa cát biển và cát xay, bao gồm phân tích thành phần hạt, hàm lượng tạp chất, độ sụt, cường độ chịu nén, chịu kéo uốn và mô đun đàn hồi của bê tông.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu bê tông được đúc theo tiêu chuẩn kích thước 15x15x15 cm và 15x15x60 cm, bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn 20 ± 2°C trong 28 ngày. Các mẫu cát được lấy từ mỏ đá nghiền và cồn cát biển Vũng Tàu.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2012, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thí nghiệm định hướng, thí nghiệm đối chứng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất cơ lý của cát trộn: Các tỷ lệ phối trộn cát xay và cát biển từ 50%-50% đến 80%-20% cho thấy thành phần hạt phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, hàm lượng tạp chất thấp (dưới 0,05%), đảm bảo chất lượng vật liệu trộn bê tông.

  2. Cường độ chịu nén của bê tông: Bê tông sử dụng cát trộn đạt cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày tăng từ 5% đến 12% so với bê tông dùng cát vàng truyền thống, với mác bê tông 250 và 350 daN/cm². Ví dụ, cường độ chịu nén mẫu BTXM mác 350 sử dụng tỷ lệ cát trộn 70% cát xay và 30% cát biển đạt khoảng 360 daN/cm², cao hơn 10% so với cát vàng.

  3. Cường độ chịu kéo uốn: Tương tự, cường độ chịu kéo uốn của bê tông dùng cát trộn tăng từ 7% đến 15% so với bê tông dùng cát vàng, cho thấy khả năng chịu lực kéo và biến dạng tốt hơn.

  4. Mô đun đàn hồi: Mô đun đàn hồi của bê tông cát trộn đạt khoảng 28.000 - 32.000 daN/cm², cao hơn 8-10% so với bê tông dùng cát vàng, góp phần tăng khả năng chịu tải và độ bền lâu dài của mặt đường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ lý là do cát xay có kích thước hạt đồng đều, hình dạng góc cạnh giúp tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu, đồng thời cát biển có hàm lượng muối thấp (khoảng 0,01%) và tạp chất được rửa sạch, không ảnh hưởng tiêu cực đến phản ứng thủy hóa xi măng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về sử dụng cát biển và cát nhân tạo trong bê tông, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc phối trộn cát để giảm chi phí xây dựng mà vẫn đảm bảo chất lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ chịu nén và chịu kéo uốn của các mẫu bê tông sử dụng các loại cát khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của cát trộn. Bảng tổng hợp thành phần vật liệu và các chỉ tiêu kỹ thuật cũng hỗ trợ đánh giá chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ phối trộn cát xay và cát biển từ 60%-40% đến 70%-30% trong sản xuất bê tông xi măng dùng làm mặt và móng đường ô tô tại các tỉnh ven biển Đông Nam Bộ nhằm tối ưu hóa chi phí và chất lượng. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng cát trộn tại các nhà máy sản xuất bê tông, bao gồm kiểm tra thành phần hạt, hàm lượng tạp chất và độ ẩm để đảm bảo tính ổn định của vật liệu. Chủ thể thực hiện: các đơn vị sản xuất và quản lý vật liệu xây dựng.

  3. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất cát xay tại địa phương nhằm giảm giá thành và tăng nguồn cung vật liệu, đồng thời bảo vệ môi trường bằng cách hạn chế khai thác cát tự nhiên. Thời gian: trung hạn (2-3 năm).

  4. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân thi công về đặc tính và kỹ thuật sử dụng bê tông cát trộn, đảm bảo thi công đúng quy trình, đạt hiệu quả cao về chất lượng và tuổi thọ mặt đường. Chủ thể: các cơ sở đào tạo và nhà thầu xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Nhận diện giải pháp vật liệu thay thế hiệu quả, giảm chi phí xây dựng và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

  2. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình giao thông: Áp dụng tỷ lệ phối trộn cát trộn phù hợp để nâng cao chất lượng bê tông xi măng, đảm bảo độ bền và tuổi thọ mặt đường.

  3. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông: Nắm bắt công nghệ phối trộn cát xay và cát biển, cải tiến quy trình sản xuất, mở rộng thị trường vật liệu thân thiện môi trường.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng đường ô tô: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về vật liệu bê tông xi măng sử dụng cát trộn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cát biển có ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bê tông không?
    Theo nghiên cứu, cát biển lấy từ các cồn cát xa bờ, đã được rửa sạch qua mưa lâu ngày, có hàm lượng muối rất thấp (khoảng 0,01%) và không làm giảm cường độ bê tông. Thí nghiệm cho thấy bê tông dùng cát biển có cường độ chịu nén và kéo uốn tương đương hoặc cao hơn cát vàng.

  2. Tỷ lệ phối trộn cát xay và cát biển nào là tối ưu?
    Tỷ lệ phối trộn từ 60%-40% đến 70%-30% (cát xay - cát biển) được xác định là hợp lý, đảm bảo tính chất cơ lý của bê tông và giảm chi phí so với dùng cát vàng nguyên chất.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định cường độ bê tông?
    Cường độ chịu nén được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 3118 – 93, cường độ chịu kéo uốn theo TCVN 3119 – 93, mô đun đàn hồi theo ASTM C496, đảm bảo độ chính xác và tính đại diện của mẫu thử.

  4. Có thể sử dụng bê tông cát trộn cho các loại đường nào?
    Bê tông xi măng chế tạo từ cát trộn phù hợp cho mặt và móng đường ô tô các cấp, đặc biệt tại các tỉnh ven biển Đông Nam Bộ với điều kiện địa hình thấp và chịu ảnh hưởng nước ngập.

  5. Lợi ích kinh tế khi sử dụng cát trộn là gì?
    Sử dụng cát trộn giúp giảm chi phí vận chuyển cát vàng, tận dụng nguồn cát biển dồi dào, giảm giá thành bê tông từ 5-15% tùy tỷ lệ phối trộn, đồng thời giảm tác động môi trường do khai thác cát tự nhiên.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được tỷ lệ phối trộn cát xay và cát biển phù hợp (60%-40% đến 70%-30%) để chế tạo bê tông xi măng đạt chất lượng cao cho xây dựng đường ô tô tại các tỉnh ven biển Đông Nam Bộ.
  • Thí nghiệm thực tế chứng minh bê tông dùng cát trộn có cường độ chịu nén và chịu kéo uốn tăng từ 5% đến 15% so với bê tông dùng cát vàng truyền thống.
  • Nghiên cứu góp phần giảm chi phí xây dựng, bảo vệ nguồn tài nguyên cát vàng và mở rộng ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường trong ngành giao thông.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trong các dự án xây dựng mới và phát triển công nghệ sản xuất cát xay tại địa phương.
  • Khuyến khích các nhà quản lý, kỹ sư và nhà sản xuất vật liệu xây dựng tham khảo và ứng dụng để nâng cao hiệu quả công trình giao thông.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị xây dựng và quản lý giao thông nên triển khai thử nghiệm thực tế trên quy mô lớn, đồng thời phát triển quy trình kiểm soát chất lượng cát trộn để đảm bảo tính ổn định và bền vững của mặt đường bê tông xi măng.