Tổng quan nghiên cứu

Bê tông xi măng là vật liệu xây dựng chủ lực, chiếm trên 80% khối lượng công trình xây dựng toàn cầu với khoảng 2.5 tỷ m³ bê tông được sử dụng hàng năm. Tại Việt Nam, nhu cầu xi măng vượt 50 triệu tấn/năm, tương ứng cần khoảng 100 triệu tấn cát theo tỷ lệ cấp phối 1:2 xi măng-cát. Tuy nhiên, nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt và chất lượng giảm sút, gây ra nhiều hệ lụy môi trường như sạt lở bờ sông, sa bồi và thủy phá. Tình trạng khai thác cát không kiểm soát tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long và Đông Nam Bộ đã làm trữ lượng cát tự nhiên giảm mạnh, ảnh hưởng trực tiếp đến ngành xây dựng.

Trước thực trạng này, nghiên cứu về sản xuất và ứng dụng cát nhân tạo từ đá nghiền trở thành giải pháp cấp thiết nhằm giảm áp lực khai thác cát tự nhiên, bảo vệ môi trường và giảm chi phí sản xuất bê tông. Luận văn tập trung nghiên cứu lý thuyết cấp phối, công nghệ sản xuất cát nhân tạo chất lượng cao từ các mỏ đá tại các tỉnh miền Nam như An Giang, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu, đồng thời đánh giá hiệu quả sử dụng cát nhân tạo trong chế tạo bê tông xi măng mác thông thường và cao cấp.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại đá granit, bazan, đá vôi được khai thác và nghiền tại khu vực miền Đông và Tây Nam Bộ, với mục tiêu phát triển dây chuyền công nghệ sản xuất cát nhân tạo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời khảo sát tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cát nhân tạo so với cát tự nhiên. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện tiêu chuẩn cát nhân tạo và ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ tài nguyên, giảm giá thành vật liệu xây dựng, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cấp phối hạt như lý thuyết cấp phối Fuller, Tabot và Ivanov nhằm xác định thành phần hạt tối ưu cho cát nhân tạo. Lý thuyết Fuller mô tả phân bố hạt theo công thức:

$$ P = K \times d^n $$

trong đó $P$ là tỷ lệ lọt qua sàng (%), $d$ là kích thước lỗ sàng (mm), $K$ và $n$ là hệ số điều chỉnh. Lý thuyết Ivanov tập trung vào độ rỗng của cấp phối hạt, đề xuất hệ số giảm khối lượng hạt nhỏ hơn so với hạt lớn hơn để đạt độ chặt tối ưu, với hệ số K dao động từ 0.43 đến 0.81 tùy theo tỷ lệ kích thước hạt.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cát nhân tạo: cát nghiền từ đá tự nhiên có thành phần hạt tương tự cát tự nhiên, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật bê tông.
  • Cấp phối hạt: tỷ lệ phân bố kích thước hạt trong cốt liệu ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của bê tông.
  • Mô đun độ lớn: chỉ số đặc trưng cho kích thước trung bình của hạt cát, ảnh hưởng đến tính công tác và cường độ bê tông.
  • Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X): tỷ lệ quan trọng ảnh hưởng đến độ sụt, cường độ và độ bền của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Nguồn dữ liệu: thu thập mẫu đá từ các mỏ đá granit lô VIIIB Núi Thị (Bà Rịa – Vũng Tàu), Tây Ninh, An Giang; khảo sát dây chuyền sản xuất cát nhân tạo tại các trạm nghiền đá.
  • Phương pháp chọn mẫu: lấy mẫu ngẫu nhiên tại các mỏ đá và dây chuyền sản xuất, đảm bảo đại diện cho các loại đá và công nghệ nghiền phổ biến.
  • Phương pháp phân tích: thí nghiệm trong phòng thí nghiệm xác định thành phần hạt, độ hút nước, cường độ nén, mô đun đàn hồi, độ chống thấm, độ co ngót của bê tông sử dụng cát nhân tạo và cát tự nhiên.
  • Timeline nghiên cứu: tiến hành khảo sát và thu thập mẫu trong 6 tháng đầu, thí nghiệm và phân tích trong 6 tháng tiếp theo, tổng thời gian nghiên cứu khoảng 1 năm.

Các tiêu chuẩn thí nghiệm áp dụng bao gồm TCVN 7570:2006 về cốt liệu bê tông, TCVN 3116:1993 về độ chống thấm, ASTM C469 về mô đun đàn hồi, cùng các tiêu chuẩn ngành về bê tông và vật liệu xây dựng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông: Hỗn hợp bê tông sử dụng cát nhân tạo có độ sụt dao động từ 140 đến 170 mm tùy tỷ lệ N/X, thấp hơn 20-30 mm so với mẫu đối chứng dùng cát hạt thô. Sự tổn thất độ sụt theo thời gian của bê tông cát nhân tạo cũng thấp hơn, cho thấy khả năng giữ nước và tính công tác tốt hơn.

  2. Phát triển cường độ bê tông: Cường độ nén bê tông sử dụng cát nhân tạo đạt 85-90% so với bê tông dùng cát tự nhiên sau 28 ngày. Cường độ nén ở các ngày 1, 3, 7 đạt lần lượt 46-52%, 65-67%, và 82-85% so với cường độ 28 ngày, phù hợp với dự đoán lý thuyết.

  3. Mô đun đàn hồi: Bê tông cát nhân tạo có mô đun đàn hồi từ 29.2 đến 41.5 GPa, thấp hơn khoảng 6-10% so với mẫu đối chứng. Mô đun đàn hồi giảm khi tỷ lệ N/X tăng, phản ánh độ cứng kết cấu giảm.

  4. Độ chống thấm: Mác chống thấm của bê tông cát nhân tạo tương đương hoặc cao hơn bê tông dùng cát tự nhiên ở tỷ lệ N/X ≤ 0.5, đạt mác B12 đến B14. Ở tỷ lệ N/X = 0.6, bê tông cát nhân tạo có mác chống thấm thấp hơn do lượng nước dư thừa tăng.

  5. Độ co ngót: Bê tông sử dụng cát nhân tạo có độ co ngót cao hơn khoảng 5-10% so với bê tông dùng cát tự nhiên ở cùng tỷ lệ N/X. Độ co ngót tăng theo tỷ lệ N/X, ảnh hưởng đến độ bền và ổn định kết cấu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cát nhân tạo từ đá granit lô VIIIB Núi Thị và các mỏ đá miền Nam có thể thay thế hiệu quả cát tự nhiên trong bê tông xi măng, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về cường độ, độ bền và tính công tác. Độ sụt thấp hơn của bê tông cát nhân tạo phản ánh bề mặt hạt cát mịn và diện tích bề mặt lớn hơn, làm tăng lượng nước cần thiết nhưng cũng giúp giữ nước tốt hơn, giảm tổn thất độ sụt theo thời gian.

Mô đun đàn hồi và độ chống thấm của bê tông cát nhân tạo đạt mức tương đương, chứng tỏ cấu trúc bê tông ổn định và khả năng chống thấm nước tốt, phù hợp cho các công trình dân dụng và giao thông. Tuy nhiên, độ co ngót cao hơn cần được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tỷ lệ nước và xi măng trong cấp phối.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các công trình sử dụng đá nghiền làm cốt liệu mịn, khẳng định tính khả thi và hiệu quả kinh tế của việc sử dụng cát nhân tạo. Việc áp dụng công nghệ nghiền hiện đại như máy nghiền roto trục đứng công nghệ “Gối đệm không khí” giúp tạo ra cát có kích thước hạt đồng đều, hình dạng hạt tốt, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ sụt, cường độ nén theo thời gian, mô đun đàn hồi và độ chống thấm giữa bê tông sử dụng cát nhân tạo và cát tự nhiên, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của cát nhân tạo trong bê tông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hoàn thiện dây chuyền công nghệ sản xuất cát nhân tạo: Nâng cấp máy nghiền roto trục đứng và hệ thống sàng rung để đảm bảo cấp phối hạt đồng đều, giảm tạp chất, nâng cao chất lượng cát nhân tạo. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: Doanh nghiệp khai thác đá và nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cát nhân tạo: Phối hợp với cơ quan quản lý xây dựng ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật riêng cho cát nhân tạo, bao gồm thành phần hạt, hàm lượng tạp chất, độ hút nước và khả năng phản ứng kiềm-silic. Thời gian: 18 tháng. Chủ thể: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho các nhà thầu xây dựng: Tổ chức các khóa đào tạo về sử dụng cát nhân tạo trong bê tông, kỹ thuật thi công và kiểm soát chất lượng tại công trường. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu, hiệp hội xây dựng.

  4. Khuyến khích ứng dụng cát nhân tạo trong các dự án xây dựng công trình công cộng: Áp dụng cát nhân tạo trong các công trình giao thông, dân dụng tại khu vực miền Nam nhằm giảm khai thác cát tự nhiên, bảo vệ môi trường. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Chính quyền địa phương, chủ đầu tư dự án.

  5. Nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng lâu dài của cát nhân tạo đến độ bền và ổn định công trình: Thực hiện các nghiên cứu theo dõi, đánh giá sau thi công để hoàn thiện công nghệ và cấp phối. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành xây dựng: Nghiên cứu giúp xây dựng chính sách phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường.

  2. Doanh nghiệp khai thác đá và sản xuất vật liệu xây dựng: Áp dụng công nghệ nghiền đá hiện đại, nâng cao chất lượng sản phẩm cát nhân tạo, mở rộng thị trường và giảm chi phí sản xuất.

  3. Các nhà thầu xây dựng và kỹ sư công trình: Hiểu rõ tính chất và ứng dụng của cát nhân tạo trong bê tông, từ đó lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo chất lượng công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, vật liệu xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cát nhân tạo có thể thay thế hoàn toàn cát tự nhiên trong bê tông không?
    Cát nhân tạo có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần cát tự nhiên tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và loại bê tông. Nghiên cứu cho thấy bê tông sử dụng cát nhân tạo đạt 85-90% cường độ so với cát tự nhiên, phù hợp với nhiều công trình dân dụng và giao thông.

  2. Chất lượng cát nhân tạo phụ thuộc vào yếu tố nào?
    Chất lượng phụ thuộc vào loại đá gốc, công nghệ nghiền, cấp phối hạt và xử lý tạp chất. Công nghệ nghiền hiện đại giúp tạo ra cát có kích thước hạt đồng đều, hình dạng tốt, giảm tạp chất và tăng tính ổn định của bê tông.

  3. Cát nhân tạo ảnh hưởng thế nào đến tính công tác của bê tông?
    Bê tông sử dụng cát nhân tạo có độ sụt thấp hơn cát tự nhiên nhưng giữ nước tốt hơn, giảm tổn thất độ sụt theo thời gian, giúp hỗn hợp bê tông có tính công tác ổn định và không bị phân tầng.

  4. Có những hạn chế nào khi sử dụng cát nhân tạo?
    Một số hạn chế gồm độ co ngót cao hơn, yêu cầu kiểm soát tỷ lệ nước và xi măng chặt chẽ để đảm bảo độ bền và ổn định. Ngoài ra, chi phí đầu tư dây chuyền sản xuất ban đầu có thể cao.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng cát nhân tạo tại công trường?
    Cần áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, kiểm tra thành phần hạt, hàm lượng tạp chất, và thực hiện các thử nghiệm cơ lý thường xuyên. Đào tạo nhân lực và sử dụng thiết bị kiểm tra hiện đại cũng rất quan trọng.

Kết luận

  • Cát nhân tạo sản xuất từ đá granit và các loại đá miền Nam có thể thay thế hiệu quả cát tự nhiên trong bê tông xi măng, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ, độ bền và tính công tác.
  • Công nghệ nghiền hiện đại và cấp phối hạt hợp lý là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng cát nhân tạo, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
  • Bê tông sử dụng cát nhân tạo có cường độ đạt 85-90% so với bê tông dùng cát tự nhiên, mô đun đàn hồi và độ chống thấm tương đương, phù hợp cho nhiều loại công trình xây dựng.
  • Đề xuất hoàn thiện dây chuyền sản xuất, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và khuyến khích ứng dụng cát nhân tạo trong các dự án xây dựng nhằm phát triển bền vững ngành xây dựng.
  • Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung đánh giá ảnh hưởng lâu dài của cát nhân tạo đến độ bền và ổn định công trình, đồng thời phát triển công nghệ sản xuất phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai các giải pháp công nghệ và chính sách để thúc đẩy ứng dụng cát nhân tạo, góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và phát triển ngành xây dựng bền vững.