Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của Sở Xây dựng TP. Hồ Chí Minh, có tới 474 chung cư được xây dựng trước năm 1975, tương đương gần 2 triệu m2 diện tích sàn bê tông, tạo ra khoảng 1 triệu m3 phế thải bê tông sau khi phá dỡ. Tốc độ đô thị hóa nhanh và quỹ đất nội thành hạn chế khiến việc phá bỏ các công trình cũ là cần thiết để phát triển các công trình cao tầng mới. Tuy nhiên, việc xử lý phế thải xây dựng (PTXD) hiện nay chủ yếu là chôn lấp hoặc san lấp, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Nghiên cứu chế tạo bê tông xi măng sử dụng cốt liệu tái chế từ các công trình nhà cao tầng cũ tại TP. Hồ Chí Minh nhằm mục tiêu xác định thành phần cấp phối bê tông đạt cường độ chịu nén 25 MPa, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính công tác, cường độ nén, kéo uốn và tính thấm nước của bê tông so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hỗn hợp bê tông trộn bằng máy, sử dụng 100% cốt liệu lớn và nhỏ tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên, với các thí nghiệm được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng và vật liệu xây dựng tại Việt Nam. Việc ứng dụng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có thể giảm chi phí đầu tư xây dựng đến 15%, đồng thời giảm tải trọng cho kết cấu móng và giảm lượng phế thải chôn lấp, góp phần cải thiện cảnh quan đô thị và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vật liệu xây dựng bền vững, đặc biệt là:

  • Lý thuyết về cốt liệu tái chế (CLTC): CLTC là vật liệu được tái chế từ phế thải xây dựng, chủ yếu là phế thải bê tông xi măng, có đặc tính khác biệt so với cốt liệu tự nhiên (CLTN) như độ hút nước cao, bề mặt nhám, cấu trúc rỗng xốp và cường độ thấp hơn. Các đặc tính này ảnh hưởng đến tính công tác và cơ lý của bê tông.

  • Mô hình thiết kế cấp phối bê tông: Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng CLTC tương tự như bê tông truyền thống, nhưng cần điều chỉnh lượng xi măng và nước do đặc tính hút nước và bề mặt của CLTC. Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X) và tỷ lệ cốt liệu lớn nhỏ được tối ưu để đạt cường độ và tính công tác mong muốn.

  • Khái niệm vùng giao diện chuyển tiếp (ITZ): Vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và vữa xi măng ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của bê tông. CLTC có lớp vữa cũ bám trên bề mặt làm tăng độ rỗng và giảm liên kết, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của bê tông.

  • Lý thuyết về cải tiến quy trình trộn bê tông: Phương pháp trộn ba giai đoạn và trộn tạo lớp bao phủ bề mặt CLTC bằng hỗn hợp hồ xi măng hoặc phụ gia khoáng giúp cải thiện vi cấu trúc vùng ITZ, tăng cường liên kết và nâng cao tính chất cơ học của bê tông sử dụng CLTC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Cốt liệu lớn tái chế (CLLBTTC) được thu gom từ công trình cao tầng cũ tại TP. Hồ Chí Minh, vận chuyển và nghiền tại mỏ đá Tân Đông Hiệp, Bình Dương. Cát nghiền và đá dăm tự nhiên được lấy từ cùng mỏ đá. Xi măng PCB40 VICEM và phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-20 được sử dụng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng khối lượng cốt liệu lớn tái chế là 350 kg, cát nghiền 500 kg, xi măng 300 kg. Mẫu bê tông được thiết kế với các tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 0% đến 100% thay thế cốt liệu tự nhiên.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm tính công tác theo TCVN 3016:1993, cường độ chịu nén theo TCVN 3118:1993, cường độ kéo uốn theo TCVN 3119:1993, tính chống thấm nước theo TCVN 3116:1993. Các phép thử được thực hiện tại phòng thí nghiệm Xí nghiệp khảo sát tổng hợp Miền Nam – Công ty cổ phần Tư Vấn xây dựng điện 2, với thiết bị hiện đại và đội ngũ kỹ thuật viên có kinh nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2017, bao gồm giai đoạn thu thập và xử lý vật liệu, thiết kế cấp phối, thí nghiệm mẫu bê tông và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén: Khi thay thế 100% cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu tái chế, cường độ nén của bê tông giảm khoảng 19% so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Tuy nhiên, với tỷ lệ thay thế 25-50%, cường độ nén vẫn đạt trên 25 MPa, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Ví dụ, bê tông với 50% CLLBTTC đạt cường độ nén khoảng 34 MPa ở tuổi 28 ngày.

  2. Tính công tác và lượng nước trộn: Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế cần lượng nước trộn cao hơn khoảng 5% so với bê tông thường để đạt độ sụt tương đương do độ hút nước của CLTC cao hơn. Sử dụng phụ gia siêu dẻo giúp cải thiện tính công tác mà không làm tăng lượng nước.

  3. Cường độ chịu kéo uốn: Cường độ kéo uốn của bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế giảm khoảng 31% so với bê tông đối chứng, trong khi cường độ kéo trực tiếp giảm khoảng 10-20%. Điều này cho thấy ảnh hưởng của CLTC đến tính chất kéo của bê tông thấp hơn so với cường độ nén.

  4. Tính chống thấm nước: Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có tính thấm nước cao hơn 2-3 lần so với bê tông thường khi tỷ lệ N/X bằng nhau. Tuy nhiên, việc giảm tỷ lệ N/X và sử dụng phụ gia khoáng như tro bay, silicafume giúp giảm đáng kể tính thấm nước, nâng cao độ bền của bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm giảm cường độ bê tông sử dụng cốt liệu tái chế là do lớp vữa xi măng cũ bám trên bề mặt hạt cốt liệu có nhiều lỗ rỗng, làm tăng độ rỗng và giảm liên kết trong vùng ITZ. Đặc tính bề mặt nhám và góc cạnh của hạt CLTC làm tăng lực ma sát nội bộ, ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả giảm cường độ nén từ 19-25% khi sử dụng 100% CLTC tương đồng với các báo cáo từ Đức và Nhật Bản. Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo và cải tiến quy trình trộn ba giai đoạn giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông tái chế, phù hợp với xu hướng phát triển bê tông bền vững trên thế giới.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ cốt liệu tái chế và cường độ nén, kéo uốn, cũng như bảng so sánh tính công tác và tính thấm nước giữa các mẫu bê tông. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng xu hướng giảm cường độ và tăng tính thấm khi tăng tỷ lệ CLTC, đồng thời thể hiện hiệu quả của các biện pháp cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 25-50% trong sản xuất bê tông xi măng để đảm bảo cường độ chịu nén trên 25 MPa, phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp tại TP. Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và nhà sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Sử dụng phụ gia siêu dẻo và cải tiến quy trình trộn ba giai đoạn nhằm nâng cao tính công tác và cường độ bê tông sử dụng cốt liệu tái chế. Thời gian thực hiện: áp dụng trong quy trình sản xuất bê tông thương phẩm. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất bê tông và phòng thí nghiệm kiểm định.

  3. Xây dựng hệ thống thu gom, phân loại và tái chế phế thải bê tông tại các công trình phá dỡ để đảm bảo nguồn nguyên liệu cốt liệu tái chế chất lượng ổn định, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: trong vòng 1-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương, các công ty tái chế và chủ đầu tư công trình.

  4. Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông phù hợp với điều kiện Việt Nam, dựa trên kết quả nghiên cứu và thực nghiệm. Thời gian thực hiện: trong 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng và các tổ chức chuyên môn.

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 dữ liệu thực nghiệm về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Chuyên gia và kỹ sư thiết kế kết cấu: Thông tin về ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất cơ học và độ bền bê tông giúp thiết kế các công trình sử dụng vật liệu tái chế hiệu quả và an toàn.

  3. Nhà sản xuất và cung cấp vật liệu xây dựng: Hướng dẫn thiết kế cấp phối bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, quy trình trộn và sử dụng phụ gia giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường vật liệu tái chế.

  4. Chính quyền địa phương và các tổ chức quản lý xây dựng: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn và quy định về quản lý phế thải xây dựng, thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có đảm bảo cường độ chịu lực không?
    Nghiên cứu cho thấy bê tông sử dụng 25-50% cốt liệu tái chế vẫn đạt cường độ chịu nén trên 25 MPa, phù hợp với nhiều công trình dân dụng. Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo và tối ưu tỷ lệ nước xi măng giúp cải thiện cường độ.

  2. Tính công tác của bê tông tái chế có khác biệt so với bê tông thường?
    Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế cần lượng nước trộn cao hơn khoảng 5% do độ hút nước của cốt liệu tái chế lớn hơn. Tuy nhiên, sử dụng phụ gia siêu dẻo giúp duy trì tính công tác tốt mà không làm tăng lượng nước.

  3. Có thể sử dụng 100% cốt liệu tái chế trong bê tông không?
    Việc sử dụng 100% cốt liệu tái chế làm giảm cường độ nén khoảng 19-25% và tăng tính thấm nước, do đó không khuyến khích cho các công trình yêu cầu cao về độ bền. Tỷ lệ thay thế từ 25-50% là tối ưu hơn.

  4. Làm thế nào để cải thiện tính chất của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế?
    Cải tiến quy trình trộn ba giai đoạn, sử dụng phụ gia khoáng như tro bay, silicafume và phụ gia siêu dẻo giúp tăng cường liên kết vùng ITZ, giảm độ thấm nước và tăng cường độ bền bê tông.

  5. Việc tái chế phế thải bê tông có lợi ích gì về môi trường?
    Tái chế phế thải bê tông giúp giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên như đá và cát, giảm lượng phế thải chôn lấp, hạn chế ô nhiễm môi trường và giảm chi phí vận chuyển vật liệu, góp phần phát triển xây dựng bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được thành phần cấp phối bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đạt cường độ chịu nén 25 MPa, với tỷ lệ thay thế cốt liệu tự nhiên từ 25-50% là tối ưu.
  • Cốt liệu tái chế có đặc tính bề mặt nhám, độ hút nước cao, ảnh hưởng đến tính công tác và cơ lý của bê tông, nhưng có thể cải thiện bằng phụ gia siêu dẻo và quy trình trộn ba giai đoạn.
  • Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có cường độ kéo uốn giảm nhẹ hơn so với cường độ nén, tính thấm nước tăng nhưng có thể kiểm soát bằng các biện pháp kỹ thuật.
  • Việc tái chế phế thải bê tông tại TP. Hồ Chí Minh góp phần tiết kiệm tài nguyên, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí xây dựng, phù hợp với chiến lược phát triển bền vững của ngành xây dựng Việt Nam.
  • Đề xuất áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 25-50%, cải tiến quy trình trộn và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn xây dựng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà thầu, nhà sản xuất và cơ quan quản lý phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng, đồng thời phát triển các dự án thí điểm sử dụng bê tông tái chế tại các công trình xây dựng đô thị.