Đặt vấn đề Bê tông được xem là một loại vật liệu tương đối phổ biến trên toàn thế giới [1]. Do đó, sự gia tăng dân số cùng với cơ sở hạ tầng phát triển đã làm tăng lượng tiêu thụ bê tông hằng năm [2], [3]. Theo ước tính, hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên thế giới, tương đương với 4.2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2.8 tỷ tấn nước cần sử dụng, và thậm chí có xu hướng tiếp tục tăng lên trong những năm tới [4]. Bê tông thông thường chứa khoảng 12% xi măng và từ 70–80% cốt liệu theo khối lượng [5].
Từ đó, việc khai thác, vận chuyển và gia công một lượng lớn hệ nguyên vật liệu tự nhiên như cát và đá đòi hỏi một lượng lớn năng lượng từ các nhà máy. Ngoài ra, khí thải phát sinh từ quá trình khai thác ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và các hệ sinh thái khác. Hơn nữa, nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, mà nhu cầu con người ngày một tăng cao, đòi hỏi các nguồn nguyên vật tư ngày càng cao. Vì vậy, việc tìm ra giải pháp cho sản xuất bê tông để đáp ứng được cả vấn đề về bảo vệ môi trường cũng như nhu cầu con người là rất cần thiết [6].
Mặt khác, lượng lớn chất thải rắn xây dựng (CTRXD) (xem Hình 1.1) từ quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã có tác động đáng kể đến tính bền vững môi trường. Quá trình toàn cầu hóa đã dẫn đến gia tăng lượng CTRXD đáng kể, biến các bãi chôn lấp thành những khu vực khan hiếm. Theo Hiệp hội Chất thải rắn Quốc tế [7], CTRXD chiếm khoảng 36% tổng lượng chất thải trên toàn thế giới. Tại Châu Âu, khoảng 850 triệu tấn CTRXD được phát sinh hằng năm và chiếm 31% tổng lượng chất thải.
Riêng Hoa kỳ, tổng lượng chất thải phát sinh khoảng 123 triệu mỗi năm [8]. Tại Hà Nội, lượng CTRXD thực tế phát sinh mỗi ngày vào năm 2021 khoảng 4000 tấn và dự kiến sẽ tăng khoảng 9400 tấn vào năm 2025 [9]. Tại thành phố Hồ Chí Minh, rác thải xây dựng mỗi ngày chiếm khoảng 20% rác thải sinh hoạt [10]. Vì vậy, việc tìm giải pháp tận dụng nguồn CTRXD này nhằm giảm bớt gánh nặng cho các cơ quan quản lý chất thải và giảm sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên là một vấn đề đáng quan tâm.
Chất thải rắn trong xây dựng [11] Cốt liệu bê tông tái chế (RCA: recycled concrete aggregate) (xem Hình 1.2) gần đây đã và đang được xem là vật liệu thay thế tiềm năng cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông như cát và đá dăm [12], [13]. Việc tận dụng lại CTRXD như một loại vật liệu xanh trong bê tông cần được khuyến khích sử dụng rộng rãi nhằm giảm thiểu gánh nặng lên việc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng như giải quyết được các vấn đề về bãi chôn lấp cho loại rác thải này. Ở Việt Nam, lượng RCA thải ra từ các thành phố lớn ước tính trong năm 2009 là khoảng 1.9 triệu tấn, tăng lên 6.3 triệu tấn vào năm 2020 và ước tính con số sẽ lên 11.0 triệu tấn vào năm 2025 [14]. Từ những thông số trên, có thể thấy một lượng lớn RCA được thải ra hằng năm và đã trở thành vấn đề về môi trường và quản lý các bãi chôn lấp.
Cốt liệu bê tông tái chế [15] 3 Bên cạnh đó, lượng lớn tro bay sản sinh ra từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện đã và đang ảnh hưởng đáng kể đến môi trường và sức khỏe con người. Trên thế giới, lượng tro bay thải ra hằng năm được ước tính khoảng 900 đến 1000 triệu tấn, trong đó 14 triệu tấn tại Úc, 169.25 triệu tấn tại Ấn Độ, và con số cao nhất được ghi nhận tại Trung Quốc với 580 triệu tấn [16]. Tuy nhiên, trong tro bay có chứa các khoáng hoạt tính có lợi như SiO2* và Al2O3* góp phần tăng cường độ và độ bền của bê tông. Vì vậy, tận dụng loại vật liệu này sử dụng trong sản xuất bê tông không những cải thiện tính chất bê tông mà còn giải quyết được vấn đề môi trường.
Như vậy, quá trình sản xuất bê tông đã tiêu thụ lượng lớn nguồn tài nguyên thiên niên. Bên cạnh đó, lượng lớn chất thải rắn xây dựng và sự tồn đọng lượng lớn tro bay đã có những ảnh hưởng tiêu cực đến vấn đề môi trường. Vì vậy, cần nghiên cứu và tạo ra một loại bê tông mới mang tính bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. RCA có thể được xem là một loại vật liệu tiềm năng có thể thay thế đá dăm, tuy nhiên, tính chất của RCA thường yếu hơn đá tự nhiên.
Có nhiều nghiên cứu [17]–[20] đã thay thế một phần và toàn phần cốt liệu đá tự nhiên bằng RCA trong quá trình sản xuất bê tông nhằm mục đích giảm việc khai thác đá tự nhiên. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu cho rằng khi bê tông sử dụng RCA kết hợp tro bay, các hạt tro bay có thể len lõi vào cấu trúc lỗ rỗng của RCA, từ đó hình thành các sản phẩm hydrat hóa giúp RCA trở nên đặc chắc hơn và cải thiện cường độ của bê tông [21]–[23]. Các nghiên cứu này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở phần 1. Ngoài ra, xu hướng sử dụng RCA ngày nay không chỉ giới hạn ở mác thấp mà dự đoán sẽ còn mở rộng sang loại RCA với mác cao hơn.
Từ những năm 1960, khi công nghệ bê tông chưa phát triển, bê tông với cường độ 30 MPa được xem là bê tông cường độ cao. Khi có sự áp dụng các phụ gia hóa học (phụ gia giảm nước) và các loại phụ gia khoáng vô cơ hoạt tính (silica fume, tro bay và xỉ…), bê tông cường độ cao đã được tăng lên 60 MPa vào những năm 1972 [24]. Từ những năm 1980, ngành công nghiệp sản xuất bê tông đã thành công phát triển loại bê tông với cường độ 95 MPa và đến năm 2009, một công trình ở Washington đã được xây dựng với cường độ bê tông cao nhất tại thời điểm đó là 130 MPa [24]. Ngày nay, một số loại bê tông chất 4 lượng siêu cao với cường độ lên đến hơn 200 MPa [24].
Có thể thấy theo thời gian, khi công nghệ bê tông ngày càng phát triển, các loại bê tông cường độ thấp đang dần được thay thế bởi các loại bê tông với cường độ cao hơn. Bê tông cường độ cao đồng nghĩa với việc khả năng chịu lực và độ bền cao hơn. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu về gia tăng dân số ngày nay, các công trình thấp tầng với bê tông cường độ thấp đang dần được thay thế bởi các loại công trình cao tầng với cường độ bê tông cao hơn. Trong tương lai, khi bê tông chất lượng siêu cao trở thành xu hướng thịnh hành, các công trình làm từ bê tông cường độ chịu nén ≤ 60 MPa dần bị thay thế.
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong tương lai được dự đoán sẽ để lại một loạt các phế phẩm xây dựng và trong đó RCA được dự đoán sẽ tồn đọng đáng kể. Vì vậy, nghiên cứu việc tái sử dụng các loại RCA đến từ bê tông cường độ thấp và cường độ cao không những giải quyết được các vấn đề về bãi chôn lấp trong tương lai mà còn được xem là một vật liệu tiềm năng thay thế đá dăm trong bê tông, giúp giảm đáng kể việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên. Vì vậy, nghiên cứu này đề xuất việc sử dụng bê tông kết hợp nhiều loại RCA được xử lý bằng một lớp huyền phù làm từ xi măng-tro bay; từ đó, khảo sát mức độ cải thiện của bê tông chứa RCA trước và sau khi xử lý. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Tại Việt Nam và trên thế giới, nghiên cứu về việc vận dụng RCA trong bê tông đã trở nên phổ biến; và các nghiên cứu đã chứng minh được khả năng ứng dụng RCA nhằm thay thế một phần đá dăm là thực sự hiệu quả.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước được tổng hợp như sau: 1. Tình hình nghiên cứu trong nước 1. Ảnh hưởng của RCA đến các tính chất của bê tông Tống và cộng sự [17] nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái ẩm của RCA đến tính chất của bê tông với cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 35 MPa. Ba trạng thái cốt liệu được khảo sát (xem Hình 1.3), bao gồm khô hoàn toàn (OD), bán bão hòa nước khô bề mặt (1/2SSD), và bão hòa nước khô bề mặt (SSD).
Kết quả cho thấy cốt liệu ở trạng thái 1/2SSD cho ra hiệu quả tối ưu nhất về mặt cường độ và độ sụt, trong khi 5 cốt liệu ở trạng thái OD làm tăng giá trị tổn thất sụt cao nhất so với cốt liệu ở các trạng thái còn lại. Ngoài ra, khi thay thế hoàn toàn cốt liệu tự nhiên bằng RCA, cường độ chịu nén của bê tông giảm tối đa ở mức 33% so với mẫu chuẩn. Việc sử dụng cốt liệu ở trạng thái 1/2SSD cải thiện các tính chất của bê tông; tuy nhiên, quy trình chuẩn bị cốt liệu ở trạng thái này đòi hỏi nhiều công đoạn, dẫn đến kéo dài thời gian chuẩn bị và gia tăng chi phí vận hành. Ba trạng thái cốt liệu trong nghiên cứu của Tống và cộng sự [17] Trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [25], RCA được thay thế 50 và 100% cốt liệu lớn trong bê tông với cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 40 MPa.
Kết quả cho thấy ở 7 và 14 ngày tuổi, RCA không ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, ở 28 ngày tuổi, cường độ chịu nén của bê tông giảm từ 9.0% so với mẫu đối chứng. Phạm và cộng sự [26] thay thế đá dăm bằng RCA ở tỷ lệ 40, 50, 60, 70, 80 và 100% theo khối lượng. Độ sụt của hỗn hợp bê tông; cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông giảm khi hàm lượng RCA tăng.
Nhìn chung, các nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc sử dụng RCA thay thế đá dăm trong bê tông có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của bê tông. Vì vậy, việc cải thiện tính chất RCA là thực sự cần thiết. Phương pháp cải thiện các tính chất của RCA Trong nghiên cứu gần đây của Nguyễn và cộng sự [27], RCA được xử lý bằng cách loại bỏ phần vữa cũ bám dính trên bề mặt cốt liệu của RCA bằng phương pháp nhiệt và hóa học.