Tổng quan nghiên cứu

Bê tông hiện là vật liệu xây dựng chiếm hơn 80% khối lượng các công trình dân dụng, công nghiệp và hạ tầng giao thông, với mức tiêu thụ toàn cầu đạt khoảng 2.5 tỷ m³ mỗi năm. Tại Việt Nam, nhu cầu xi măng duy trì ở mức trên 50 triệu tấn/năm, kéo theo khối lượng cát xây dựng cần cung ứng lên tới 100 triệu tấn/năm theo tỷ lệ cấp phối tiêu chuẩn. Tuy nhiên, tổng tài nguyên cát tự nhiên của cả nước ước tính chỉ còn khoảng 2.3 tỷ m³, chỉ đủ đáp ứng 60% đến 65% nhu cầu tại các đô thị lớn. Riêng khu vực Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu trữ lượng khoảng 850 triệu m³ nhưng đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt trong vòng 15 năm tới do áp lực khai thác lên đến 92 triệu m³/năm và dự kiến tăng lên 130 triệu m³/năm. Việc khai thác cát lòng sông quá mức đã gây ra sạt lở bờ sông nghiêm trọng, làm biến đổi dòng chảy tự nhiên và suy giảm chất lượng cốt liệu mịn.

Xuất phát từ thực trạng trên, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiếu hụt cốt liệu mịn thông qua việc khảo sát công nghệ sản xuất cát nhân tạo từ đá mạt và đánh giá khả năng sử dụng nguồn cát nghiền này để chế tạo bê tông xi măng. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xác định các thông số kỹ thuật tối ưu của dây chuyền nghiền sàng đá, đồng thời phân tích sự biến thiên về cường độ, tính công tác, mô đun đàn hồi và độ chống thấm của bê tông khi thay thế hoàn toàn cát tự nhiên. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai trên nguồn đá granit biotit tại mỏ đá Núi Thị thuộc dãy Núi Dinh, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, với các cấp phối bê tông có tỷ lệ nước trên xi măng (N/X) dao động từ 0.4 đến 0.6. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm 10% đến 15% lượng xi măng tiêu hao, hạ giá thành sản xuất bê tông thương phẩm và mở ra giải pháp bảo vệ tài nguyên khoáng sản bền vững cho khu vực Đông Nam Bộ cũng như Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của ba lý thuyết cấp phối cốt liệu kinh điển trong công nghệ bê tông. Thứ nhất là lý thuyết cấp phối liên tục Fuller, định hướng sự sắp xếp tối ưu của các cỡ hạt để đạt độ đặc chắc cao nhất. Thứ hai là mô hình đường cong cấp phối Talbot biểu diễn qua công thức toán học $P = (d/D)^n$ với hệ số mũ $n = 0.5$, giúp kiểm soát tỷ lệ lọt sàng của từng cỡ hạt từ 0.15 mm đến 5.0 mm. Thứ ba là lý thuyết cấu trúc độ rỗng Ivanov, chứng minh rằng khoảng trống giữa các hạt lớn sẽ được chèn lấp hiệu quả nhất khi kích thước hạt chèn giảm dần 16 lần và khối lượng hạt kế tiếp đạt tỷ lệ suy giảm tương ứng với các hệ số $K = 0.43$; $K = 0.55$; $K = 0.66$ và $K = 0.81$.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được phân tích chuyên sâu gồm: mô đun độ lớn ($M_k$), tỷ diện tích bề mặt hạt, hàm lượng hạt mịn dưới 0.075 mm, độ co ngót khô và phản ứng kiềm - silic (ASR). Trong đó, kiểm soát phản ứng kiềm - silic theo tiêu chuẩn TCVN 7572-14:2006 là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo độ nở dài ở tuổi 6 tháng của thanh vữa phải nhỏ hơn 0.1%, khẳng định tính trơ hóa học an toàn của cốt liệu đá gốc granit.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẫu đá granit biotit thuộc pha 2 phức hệ Đèo Cả tại mỏ Núi Thị, Bà Rịa - Vũng Tàu. Mẫu được lấy từ các lỗ khoan địa chất ở độ sâu 6.0 m, 20.0 m và 34.1 m, sau đó gia công nghiền qua hệ thống máy nghiền hàm sơ cấp và máy nghiền roto trục đứng VSI. Quy mô nghiên cứu bao gồm 36 tổ mẫu thử nghiệm cơ lý (gồm các mẫu lập phương kích thước $150 \times 150 \times 150$ mm và mẫu trụ $150 \times 300$ mm) được phân bố ngẫu nhiên có kiểm soát theo các cấp phối tỷ lệ N/X là 0.4, 0.5 và 0.6.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp mô hình hóa là nhằm xác định chính xác mối tương quan giữa vi cấu trúc bề mặt cát nghiền và tính chất cơ học của bê tông. Thành phần khoáng vật được định lượng bằng phương pháp phân tích thạch học lát mỏng dưới kính hiển vi quang học và phân tích hóa silicat toàn diện. Cường độ nén được kiểm tra ở các mốc 1, 3, 7 và 28 ngày tuổi; mô đun đàn hồi được đo đạc theo chuẩn ASTM C469; độ chống thấm nước xác định trên hệ thống áp lực thủy tĩnh theo TCVN 3116:1993; và độ co ngót khô được quan trắc liên tục trong 60 ngày theo TCVN 3117:1993 tại môi trường nhiệt độ $27 \pm 2^\circ\text{C}$ và độ ẩm $80 \pm 5%$. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt trong năm 2019, đảm bảo chu kỳ dưỡng hộ và kiểm định nghiêm ngặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  • Tính công tác và độ lưu giữ độ sụt: Hỗn hợp bê tông sử dụng cát xay có độ sụt ban đầu thấp hơn cát tự nhiên từ 40 mm đến 50 mm ở cùng tỷ lệ N/X (đạt 170 mm ở N/X = 0.4; 160 mm ở N/X = 0.5; 140 mm ở N/X = 0.6 so với mẫu đối chứng lần lượt là 220 mm, 210 mm và 190 mm). Tuy nhiên, tốc độ tổn thất độ sụt sau 2 giờ của bê tông cát xay chỉ là 20 mm (giảm 11.7%), trong khi bê tông cát sông tổn thất tới 45 mm (giảm 20.4%).
  • Tốc độ phát triển cường độ sớm: Bê tông cát xay phát triển cường độ chịu nén vượt trội ở tuổi sớm, đạt 46% đến 52% cường độ 28 ngày chỉ sau 1 ngày, đạt 65% đến 67% sau 3 ngày và đạt 82% đến 85% sau 7 ngày. Cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông cát xay đạt từ 85% đến 90% so với mẫu đối chứng sử dụng cát vàng tự nhiên ở mọi tỷ lệ N/X.
  • Mô đun đàn hồi kết cấu: Giá trị mô đun đàn hồi của bê tông cát xay ở tỷ lệ N/X = 0.4 đạt 39.4 GPa (chỉ thấp hơn 5.06% so với mẫu cát tự nhiên là 41.5 GPa), ở N/X = 0.5 đạt khoảng 33.6 GPa và ở N/X = 0.6 đạt khoảng 29.2 GPa, đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực uốn cho các kết cấu dầm, sàn chịu tải trọng lớn.
  • Mác chống thấm nước: Khả năng chống thấm của bê tông cát xay đạt mác B14 ở tỷ lệ N/X = 0.4 và B12 ở N/X = 0.5, hoàn toàn tương đương với bê tông sử dụng cát hạt thô tự nhiên.

Thảo luận kết quả

Khi mô tả dữ liệu qua biểu đồ tổn thất độ sụt theo thời gian và bảng thông số cường độ nén 28 ngày, có thể thấy đường cong suy giảm độ sụt của bê tông cát xay có độ dốc thoải hơn rõ rệt so với mẫu đối chứng cát vàng. Hiện tượng này được giải thích là do các hạt cát nghiền từ đá granit sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn hơn và bề mặt nhám góc cạnh, giúp giữ lại lượng nước tự do tốt hơn trong cấu trúc hồ xi măng ban đầu. Nhờ đó, quá trình bốc hơi nước diễn ra chậm, hạn chế hiện tượng phân tầng và tách nước cục bộ.

Về cấu trúc vi mô, sự hiện diện của bột đá mịn giúp chèn lấp các vi mao quản tại vùng chuyển tiếp ranh giới giữa đá xi măng và cốt liệu thô. Mặc dù ở tỷ lệ N/X = 0.6, mác chống thấm của cát xay đạt B8 (thấp hơn mẫu đối chứng B10) do lượng nước thừa tạo lỗ rỗng lớn, nhưng ở các dải N/X thấp (0.4 đến 0.5), mạng lưới mao quản phân bố đều đặn giúp bê tông cát xay duy trì khả năng ngăn chặn áp lực nước tương đương cát sông. Kết quả này tương đồng với các công bố thực nghiệm của kỹ sư Phạm Thế Hiệp khi nghiên cứu đá nghiền cho bê tông mác 300, đồng thời củng cố nghiên cứu của nhóm chuyên gia Nguyễn Thanh Sang về tính năng cải thiện khả năng chống mài mòn và kháng ion clo của bê tông sử dụng đá mạt.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, bốn giải pháp công nghệ mang tính chiến lược được đề xuất:

  • Chuẩn hóa dây chuyền nghiền 3 công đoạn: Các doanh nghiệp khai thác mỏ đá tại khu vực Đông Nam Bộ cần chuyển đổi sang quy trình khép kín gồm nghiền sơ cấp bằng máy kẹp hàm, nghiền thứ cấp bằng máy nghiền côn và nghiền mịn tạo cát bằng máy roto trục đứng VSI ứng dụng công nghệ gối đệm không khí của Liên bang Nga. Mục tiêu là tạo ra hạt cát có dạng khối tròn cạnh với kích thước đồng đều dưới 5.0 mm, tỷ lệ hạt thoi dẹt dưới 10% và nâng năng suất đạt 75 đến 250 tấn/giờ trước năm 2022.
  • Tối ưu hóa tỷ lệ cấp phối và khống chế N/X: Các trạm trộn bê tông thương phẩm cần thiết lập tỷ lệ N/X trong khoảng tối ưu từ 0.40 đến 0.45, đồng thời duy trì hàm lượng bột đá mịn lọt sàng 0.075 mm ở mức 7% đến 10% theo tiêu chuẩn TCVN 9205:2012. Giải pháp này giúp đảm bảo cường độ nén 28 ngày đạt trên 90% so với bê tông cát tự nhiên, triển khai áp dụng từ quý II/2020.
  • Bổ sung phụ gia siêu dẻo duy trì độ sụt: Các nhà thầu thi công hạ tầng giao thông nên sử dụng phụ gia hóa học siêu dẻo với hàm lượng 2.2 đến 2.8 lít/m³ bê tông nhằm khắc phục độ linh động ban đầu của cát xay, đảm bảo hỗn hợp duy trì độ sụt ổn định từ 150 mm đến 170 mm trong suốt thời gian vận chuyển 90 phút.
  • Hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật ngành: Bộ Xây dựng và các cơ quan quản lý chuyên ngành cần sớm ban hành hệ thống định mức dự toán và chỉ dẫn kỹ thuật chi tiết cho việc ứng dụng 100% cát nghiền trong các công trình kết cấu chịu lực, đập thủy lợi và mặt đường bê tông xi măng nông thôn giai đoạn 2020 - 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là tài liệu chuyên khảo giá trị dành cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư công nghệ vật liệu và trạm trộn bê tông: Tiếp cận bài toán thiết kế cấp phối chi tiết từ tỷ lệ N/X = 0.4 đến 0.6, sử dụng dữ liệu độ sụt và cường độ nén để sản xuất bê tông mác B25 đến B40, giúp tiết kiệm 10% đến 15% lượng xi măng tiêu thụ.
  • Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản đá: Nắm vững quy trình vận hành công nghệ nghiền má, nghiền côn và máy tạo cát roto trục đứng, tối ưu hóa việc tận dụng nguồn đá mạt thải 1x2 để sản xuất cát nhân tạo đạt doanh thu cao.
  • Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng hạ tầng giao thông: Ứng dụng giải pháp bê tông cát nghiền cho mặt đường ô tô, công trình thủy công và kết cấu dầm cầu, giúp chủ động 100% nguồn vật liệu tại chỗ và giảm 5% đến 10% chi phí xây lắp.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng: Khai thác hệ thống cơ sở lý thuyết về cấp phối Fuller, Talbot, Ivanov cùng các phương pháp kiểm định thạch học lát mỏng, phân tích phản ứng kiềm - silic phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.

Câu hỏi thường gặp

  • Cát nhân tạo có thể thay thế hoàn toàn cát tự nhiên trong bê tông xi măng không? Cát nhân tạo hoàn toàn có thể thay thế 100% cát tự nhiên trong chế tạo bê tông mác thông thường và mác cao. Thực tế tại các công trình đập thủy điện Sơn La và Sông Tranh 2, việc sử dụng hoàn toàn cát nghiền vẫn đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về khả năng chịu uốn và độ ổn định kết cấu dài hạn.

  • Cường độ nén của bê tông cát xay Núi Dinh đạt bao nhiêu phần trăm so với cát tự nhiên? Kết quả kiểm định nén ở 28 ngày tuổi cho thấy bê tông sử dụng cát xay Núi Dinh đạt từ 85% đến 90% cường độ so với mẫu đối chứng dùng cát vàng tự nhiên ở cùng tỷ lệ N/X, đồng thời tốc độ phát triển cường độ 7 ngày đầu đạt từ 82% đến 85% mác thiết kế.

  • Độ sụt của hỗn hợp bê tông cát nghiền suy giảm như thế nào theo thời gian? Mặc dù độ sụt ban đầu của cát xay thấp hơn cát sông khoảng 40 mm đến 50 mm, nhưng sự tổn thất độ sụt sau 2 giờ chỉ giảm khoảng 20 mm (từ 170 mm xuống 150 mm ở N/X = 0.4). Khả năng giữ độ sụt tốt hơn giúp bê tông duy trì tính công tác ổn định khi vận chuyển xa.

  • Khả năng chống thấm nước của bê tông cát nhân tạo có đáp ứng công trình thủy công không? Bê tông cát nhân tạo đạt mác chống thấm nước B14 ở tỷ lệ N/X = 0.4 và B12 ở N/X = 0.5 theo tiêu chuẩn TCVN 3116:1993, hoàn toàn ngang bằng với mẫu đối chứng cát vàng tự nhiên, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật của các hạng mục thủy lợi và ngầm.

  • Công nghệ nghiền nào tạo ra hình dáng hạt cát nhân tạo tối ưu nhất hiện nay? Công nghệ máy nghiền roto trục đứng VSI kết hợp hệ thống đệm không khí do Liên bang Nga chế tạo là giải pháp tối ưu nhất. Công nghệ này tạo ra các hạt cát có dạng khối đồng đều dưới 5.0 mm, triệt tiêu góc cạnh sắc nhọn và giảm thiểu tỷ lệ hạt thoi dẹt.

Kết luận

  • Đã xác lập cơ sở khoa học vững chắc về việc sử dụng cát nghiền từ đá gốc granit biotit thay thế cát tự nhiên trong bê tông xi măng.
  • Làm chủ quy trình công nghệ nghiền sàng 3 giai đoạn, kiểm soát hiệu quả cỡ hạt dưới 5.0 mm và hàm lượng bột khoáng.
  • Chứng minh bê tông cát xay đạt cường độ 28 ngày bằng 85% đến 90% mẫu đối chứng và sở hữu mác chống thấm nước đạt chuẩn B12 đến B14.
  • Giải quyết triệt để bài toán kinh tế khi giảm chi phí nguyên vật liệu và tận dụng tối đa nguồn phụ phẩm đá mạt tại các mỏ khoáng sản.
  • Cung cấp giải pháp kỹ thuật thân thiện với môi trường, hạn chế tối đa hoạt động khai thác cát sông trái phép gây sạt lở bờ kênh.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chứng minh tính khả thi toàn diện về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của cát nhân tạo vùng Núi Dinh trong sản xuất bê tông thương phẩm. Lộ trình phát triển tiếp theo trong giai đoạn tới là mở rộng thử nghiệm trên các mỏ đá vôi, đá bazan tại Tây Ninh, An Giang và nghiên cứu sâu hơn về bê tông tự lèn (SCC). Các đơn vị quản lý, doanh nghiệp sản xuất bê tông và nhà thầu xây dựng hãy chủ động ứng dụng công nghệ cát nhân tạo ngay hôm nay để tối ưu hóa chi phí đầu tư và chung tay kiến tạo ngành xây dựng xanh, bền vững.