Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến toàn cầu với sản lượng khoảng 35 tỷ tấn mỗi năm, tiêu thụ 4.2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2.8 tỷ tấn nước, và xu hướng này tiếp tục tăng. Việc khai thác tài nguyên thiên nhiên như cát, đá để sản xuất bê tông gây áp lực lớn lên môi trường và nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt. Đồng thời, lượng chất thải rắn xây dựng (CTRXD) phát sinh hàng năm chiếm khoảng 36% tổng lượng chất thải toàn cầu, với ước tính tại Việt Nam lượng cốt liệu bê tông tái chế (RCA) thải ra tăng từ 1.9 triệu tấn năm 2009 lên khoảng 6.3 triệu tấn năm 2020 và dự kiến đạt 11 triệu tấn vào năm 2025. Việc tận dụng RCA làm cốt liệu thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông không chỉ giảm áp lực khai thác tài nguyên mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Tuy nhiên, RCA thường có tính chất kỹ thuật kém hơn đá tự nhiên do chứa nhiều vữa cũ và lỗ rỗng, ảnh hưởng đến cường độ và độ hút nước của bê tông. Nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của các loại RCA được xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay đến tính chất của bê tông cường độ cao, với cường độ thiết kế 70 MPa, thay thế 50% cốt liệu lớn tự nhiên. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng, Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Đại học Hiroshima, Nhật Bản, khảo sát ba loại RCA từ bê tông gốc có mác 200, 300 và 600, với các nồng độ huyền phù 30%, 50%, 70% và thời gian ngâm 24 và 72 giờ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển bê tông bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường thông qua ứng dụng RCA đã qua xử lý, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn điều kiện xử lý tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bê tông cường độ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý chế tạo bê tông cường độ cao theo TCVN 10306:2014, trong đó bê tông cường độ cao được định nghĩa là bê tông có cường độ chịu nén ≥ 55 MPa ở tuổi 28 ngày. Tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) được khuyến nghị khoảng 0.4 nhằm đảm bảo tính công tác và cường độ bê tông. Cơ chế phát triển vết nứt trong bê tông cường độ cao khác biệt so với bê tông thông thường, vết nứt thường xuất hiện trong cốt liệu thay vì vùng chuyển tiếp ITZ, do đó tính chất cốt liệu đóng vai trò quan trọng.

Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) chứa nhiều vữa cũ và lỗ rỗng, làm giảm khối lượng riêng, tăng độ hút nước và giảm cường độ so với cốt liệu tự nhiên. Vùng chuyển tiếp ITZ trong bê tông chứa RCA phức tạp hơn với nhiều vùng ITZ mới hình thành giữa vữa cũ và đá cũ, cũng như giữa RCA và hệ nền xi măng mới, làm tăng nguy cơ phát triển vết nứt và giảm cường độ bê tông.

Phương pháp cải thiện RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay dựa trên phản ứng hydrat hóa của xi măng và phản ứng pozzolanic của tro bay, tạo ra các sản phẩm hydrat hóa C–S–H lấp đầy lỗ rỗng trong RCA và hình thành lớp phủ bảo vệ bề mặt, từ đó cải thiện tính chất kỹ thuật của RCA và vùng ITZ trong bê tông.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Tính chất kỹ thuật của RCA (độ hút nước, độ nén dập, thành phần hạt)
  • Tính chất vi mô của RCA (phân tích cấu trúc lỗ rỗng, cấu trúc bề mặt bằng SEM)
  • Tính chất bê tông cường độ cao (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ hút nước)

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ ba loại RCA được khai thác từ bê tông gốc có mác thiết kế 200, 300 và 600. RCA được xử lý bằng cách ngâm trong huyền phù xi măng-tro bay với ba nồng độ 30%, 50%, 70% (tỷ lệ khối lượng chất kết dính trên tổng khối lượng RCA) trong hai khoảng thời gian 24 và 72 giờ. Sau đó, các tính chất kỹ thuật và vi mô của RCA được đánh giá để xác định điều kiện xử lý tối ưu.

Bê tông cường độ cao được thiết kế theo TCVN 10306:2014 với cường độ thiết kế 70 MPa, tỷ lệ nước trên chất kết dính 0.4, độ sụt 18±2 cm, trong đó 50% cốt liệu lớn được thay thế bằng RCA đã xử lý. Các mẫu bê tông được đúc kích thước 100×100×100 mm, dưỡng hộ trong bể nước và thử nghiệm cường độ chịu nén ở các tuổi 3, 7, 14, 28 ngày; cường độ chịu kéo khi uốn ở 7 và 28 ngày; độ hút nước ở 28 ngày.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo độ hút nước và độ nén dập của RCA trước và sau xử lý
  • Phân tích cấu trúc lỗ rỗng bằng phương pháp thủy ngân thâm nhập
  • Quan sát cấu trúc bề mặt RCA bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
  • Thử nghiệm cơ lý bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C39 và các tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba loại RCA với ba nồng độ huyền phù và hai thời gian ngâm, tổng cộng nhiều mẫu được khảo sát để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính khách quan. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2024, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên vật liệu, xử lý RCA, chế tạo bê tông, thử nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm và nồng độ huyền phù đến tính chất RCA:

    • Độ hút nước của RCA giảm đáng kể sau khi xử lý, giảm khoảng 15-25% khi ngâm 72 giờ với nồng độ huyền phù 50%.
    • Độ nén dập của RCA cải thiện rõ rệt, giảm từ khoảng 18% xuống còn 10% sau xử lý với điều kiện tối ưu.
    • Phân tích cấu trúc lỗ rỗng cho thấy tổng thể tích lỗ rỗng gel và mao quản giảm khoảng 20% sau xử lý, chứng minh sự lấp đầy lỗ rỗng hiệu quả.

  2. Cường độ bê tông sử dụng RCA đã xử lý:

    • Bê tông chứa 50% RCA đã xử lý đạt cường độ chịu nén 28 ngày trung bình 68-72 MPa, tăng 8-12% so với bê tông chứa RCA chưa xử lý.
    • Cường độ chịu kéo khi uốn tăng khoảng 10% ở 28 ngày so với bê tông chứa RCA chưa xử lý.
    • Độ hút nước của bê tông giảm khoảng 10% khi sử dụng RCA đã xử lý, góp phần tăng độ bền lâu dài.

  3. Ảnh hưởng của loại RCA gốc:

    • RCA từ bê tông gốc mác 600 cho kết quả cải thiện tính chất kỹ thuật và bê tông tốt hơn so với RCA từ bê tông mác 200 và 300.
    • Cơ chế cải thiện khác nhau giữa các loại RCA, với RCA mác cao có lớp vữa cũ bám chắc hơn, do đó hiệu quả xử lý huyền phù thể hiện rõ hơn.

  4. Ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông:

    • Độ sụt của hỗn hợp bê tông chứa RCA đã xử lý giảm nhẹ khoảng 5% so với hỗn hợp chứa RCA chưa xử lý, do lớp phủ huyền phù làm tăng độ bám dính bề mặt cốt liệu.

Thảo luận kết quả

Việc ngâm RCA trong huyền phù xi măng-tro bay với nồng độ 50% và thời gian 72 giờ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng hydrat hóa và pozzolanic diễn ra sâu trong cấu trúc lỗ rỗng của RCA, từ đó lấp đầy các lỗ rỗng và cải thiện độ đặc chắc. Kết quả phân tích SEM cho thấy bề mặt RCA sau xử lý trở nên đồng đều, ít lỗ rỗng hơn, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiệu quả của huyền phù pozzolanic.

Cường độ bê tông cải thiện rõ rệt khi sử dụng RCA đã xử lý, đặc biệt với RCA từ bê tông gốc mác cao, do lớp phủ huyền phù cải thiện vùng ITZ giữa RCA và hệ nền xi măng, giảm nguy cơ phát triển vết nứt. So với các nghiên cứu sử dụng silica fume hoặc nano silica fume, huyền phù xi măng-tro bay có ưu điểm về chi phí và hiệu quả cải thiện tương đương.

Độ hút nước giảm giúp tăng khả năng chống thấm và độ bền lâu dài của bê tông, đồng thời giảm sự ảnh hưởng tiêu cực đến tính công tác của hỗn hợp bê tông. Các biểu đồ so sánh độ hút nước, cường độ chịu nén và độ nén dập trước và sau xử lý minh họa rõ ràng sự cải thiện này.

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc sử dụng RCA đã xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay trong bê tông cường độ cao, góp phần tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay với nồng độ 50% và thời gian ngâm 72 giờ nhằm tối ưu hóa tính chất kỹ thuật của RCA, nâng cao cường độ và giảm độ hút nước của bê tông cường độ cao. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Thay thế 50% cốt liệu lớn tự nhiên bằng RCA đã xử lý trong bê tông cường độ cao để giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý chất thải xây dựng. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới; Chủ thể: các nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư.

  3. Xây dựng quy trình chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay cho các cơ sở sản xuất bê tông nhằm đảm bảo chất lượng đồng đều và hiệu quả kinh tế. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng RCA xử lý trong bê tông siêu cao cấp và bê tông có yêu cầu đặc biệt để đa dạng hóa nguồn vật liệu và nâng cao giá trị sử dụng. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

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 thực nghiệm về cải thiện tính chất RCA và ứng dụng trong bê tông cường độ cao, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn chuyên sâu.

  2. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo quy trình xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay để nâng cao chất lượng sản phẩm bê tông tái chế, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ về tính khả thi và lợi ích của việc sử dụng bê tông chứa RCA đã xử lý trong các công trình xây dựng, góp phần phát triển bền vững và giảm chi phí.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật về quản lý chất thải xây dựng và phát triển vật liệu xây dựng xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xử lý RCA trước khi sử dụng trong bê tông cường độ cao?
    RCA chứa nhiều vữa cũ và lỗ rỗng làm giảm cường độ và tăng độ hút nước, ảnh hưởng tiêu cực đến bê tông. Xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay giúp lấp đầy lỗ rỗng, cải thiện tính chất kỹ thuật và vùng ITZ, nâng cao cường độ bê tông.

  2. Nồng độ huyền phù và thời gian ngâm tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu xác định nồng độ huyền phù 50% và thời gian ngâm 72 giờ là điều kiện tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả cải thiện và chi phí vật liệu, giúp RCA đạt tính chất tốt nhất.

  3. Việc thay thế bao nhiêu phần trăm cốt liệu tự nhiên bằng RCA đã xử lý là phù hợp?
    Thay thế 50% cốt liệu lớn tự nhiên bằng RCA đã xử lý được chứng minh là hiệu quả, đảm bảo cường độ bê tông cường độ cao đạt yêu cầu và giảm khai thác tài nguyên.

  4. Ảnh hưởng của RCA gốc có mác khác nhau đến kết quả xử lý?
    RCA từ bê tông gốc mác cao (600) có lớp vữa cũ chắc hơn, hiệu quả xử lý huyền phù rõ rệt hơn so với RCA mác thấp (200, 300), do đó cần điều chỉnh quy trình xử lý phù hợp từng loại RCA.

  5. Phương pháp xử lý này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế không?
    Với chi phí hợp lý và quy trình đơn giản, xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất bê tông cường độ cao, góp phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được điều kiện xử lý RCA tối ưu bằng huyền phù xi măng-tro bay với nồng độ 50% và thời gian ngâm 72 giờ, cải thiện đáng kể độ hút nước và độ nén dập của RCA.
  • Bê tông cường độ cao sử dụng 50% RCA đã xử lý đạt cường độ chịu nén 28 ngày khoảng 70 MPa, tăng 8-12% so với bê tông chứa RCA chưa xử lý.
  • Cơ chế cải thiện dựa trên phản ứng hydrat hóa và pozzolanic tạo lớp phủ bảo vệ và lấp đầy lỗ rỗng trong RCA, đồng thời cải thiện vùng ITZ trong bê tông.
  • Việc sử dụng RCA đã xử lý góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, xử lý chất thải xây dựng và phát triển bê tông bền vững.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình xử lý RCA trong sản xuất bê tông cường độ cao và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các loại bê tông đặc biệt.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà sản xuất và chủ đầu tư áp dụng phương pháp xử lý RCA đã nghiên cứu để nâng cao chất lượng bê tông và phát triển vật liệu xây dựng xanh, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ứng dụng và tối ưu hóa quy trình xử lý.