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 mỗi năm, tương ứng với khoảng 100 triệu tấn cát theo tỷ lệ cấp phối 1:2 xi măng và cát. Tuy nhiên, nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt và chất lượng không đảm bảo, gây ra nhiều hệ lụy môi trường như sạt lở bờ sông, sa bồi và thủy phá. Đặc biệt, tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, trữ lượng cát ước tính khoảng 850 triệu m³ đang bị khai thác quá mức, dẫn đến việc hạn chế hoặc cấm khai thác tại nhiều địa phương.

Trước thực trạng này, việc nghiên cứu và ứng dụng cát nhân tạo từ đá nghiền là 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 đá granit tại các mỏ ở miền Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời đánh giá khả năng sử dụng cát nhân tạo trong chế tạo bê tông xi măng các mác thông thường và cao.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các mỏ đá tại An Giang, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu, với thời gian nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019. Mục tiêu chính là phát triển công nghệ sản xuất cát nhân tạo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời đánh giá tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cát nhân tạo nhằm góp phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường và kinh tế hiệu quả.

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 Fuller, Tabot và Ivanov nhằm xác định thành phần hạt tối ưu cho cát nhân tạo. Lý thuyết Fuller mô tả tỷ lệ lọt qua sàng theo công thức $P = (d/D)^n$, trong đó $n$ thường lấy bằng 0.5. 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.

Các khái niệm chính bao gồm: mô đun độ lớn của cát, thành phần hạt, độ hút nước, độ rỗng, và các tạp chất ảnh hưởng đến chất lượng cát như mica, bụi bùn, tạp chất hữu cơ và phản ứng kiềm-silic. Tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 7570:2006 và TCXDVN 349:2005 được sử dụng làm cơ sở đánh giá chất lượng cát nhân tạo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, bao gồm khảo sát hiện trường tại các mỏ đá granit lô VIIIB Núi Dinh (Bà Rịa – Vũng Tàu), An Giang, Tây Ninh; thu thập mẫu đá và cát nhân tạo để phân tích thành phần hóa học, thạch học và tính chất cơ lý.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu bê tông chế tạo với cát nhân tạo và cát tự nhiên, tỷ lệ nước/xi măng (N/X) từ 0.4 đến 0.6, được bảo dưỡng và thử nghiệm tại các thời điểm 1, 3, 7, 28 ngày. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện.

Phân tích dữ liệu sử dụng các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế như TCVN 3116:1993 (thử thấm), ASTM C469 (mô đun đàn hồi), TCVN 3117:1993 (độ co ngót), kết hợp biểu đồ và bảng số liệu để minh họa sự phát triển cường độ, độ sụt, tổn thất độ sụt và các tính chất khác của bê tông.

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 thấp hơn từ 20-30 mm so với mẫu đối chứng dùng cát hạt thô, nhưng tổn thất độ sụt theo thời gian thấp hơn, duy trì tính công tác tốt hơn. Ví dụ, ở tỷ lệ N/X=0.4, độ sụt ban đầu của bê tông cát nhân tạo là 170 mm, so với 220 mm của mẫu đối chứng, nhưng sau 2 giờ chỉ giảm còn 150 mm so với 175 mm.

  2. Phát triển cường độ: Cường độ nén bê tông sử dụng cát nhân tạo đạt từ 85-90% so với mẫu đối chứng sau 28 ngày. Cường độ nén ở ngày 28 dao động từ 18.3 MPa đến 30.5 MPa tùy tỷ lệ N/X. Tốc độ phát triển cường độ nhanh, với cường độ đạt 46-52% sau 1 ngày và 82-85% sau 7 ngày.

  3. Mô đun đàn hồi: Bê tông cát nhân tạo có mô đun đàn hồi thấp hơn mẫu đối chứng khoảng 5-6%, ví dụ ở tỷ lệ N/X=0.5, mô đun đàn hồi của bê tông cát nhân tạo là 39.4 GPa so với 41.5 GPa của mẫu đối chứng. Điều này phản ánh độ cứng kết cấu hơi giảm nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  4. Độ chống thấm: Mác chống thấm của bê tông cát nhân tạo tương đương hoặc gần bằng bê tông sử dụng cát tự nhiên ở các tỷ lệ N/X từ 0.4 đến 0.5, đạt mác B12 đến B14. Tuy nhiên, 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 so với bê tông cát hạt thô, ví dụ ở tỷ lệ N/X=0.5, độ co ngót của bê tông cát nhân tạo là khoảng 0.268 mm/m, cao hơn mẫu đối chứng. Độ co ngót tăng theo tỷ lệ N/X.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về tính công tác và tổn thất độ sụt giữa bê tông sử dụng cát nhân tạo và cát tự nhiên được giải thích bởi đặc tính bề mặt và hình dạng hạt cát nhân tạo có diện tích bề mặt lớn hơn, khả năng giữ nước tốt hơn, giúp duy trì độ ẩm và tính dẻo của hỗn hợp bê tông. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về cát nghiền.

Cường độ nén và mô đun đàn hồi của bê tông cát nhân tạo tuy thấp hơn mẫu đối chứng nhưng vẫn đạt mức kỹ thuật yêu cầu, chứng tỏ cát nhân tạo có thể thay thế cát tự nhiên trong nhiều ứng dụng xây dựng. Độ chống thấm tương đương cho thấy cấu trúc bê tông không bị ảnh hưởng tiêu cực đáng kể.

Độ co ngót cao hơn là điểm cần lưu ý, có thể do đặc tính hút nước và cấu trúc mao quản của cát nhân tạo, đòi hỏi điều chỉnh tỷ lệ nước và phụ gia trong thiết kế cấp phối bê tông để kiểm soát biến dạng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phát triển cường độ theo thời gian, bảng so sánh độ sụt và tổn thất độ sụt, biểu đồ mô đun đàn hồi và bảng kết quả độ chống thấm, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và tương đồng giữa các mẫu thử.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hoàn thiện công nghệ sản xuất cát nhân tạo: Tăng cường nghiên cứu cải tiến dây chuyền nghiền đá, đặc biệt là công nghệ máy nghiền roto trục đứng sử dụng “Gối đệm không khí” để nâng cao chất lượng hạt cát, đảm bảo cấu trúc hạt đồng đều, giảm hạt dẹt và tăng năng suất. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp khai thác đá và viện nghiên cứu vật liệu xây dựng.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cát nhân tạo: Phát triển và hoàn thiện tiêu chuẩn Việt Nam về cát nhân tạo phù hợp với đặc tính vật liệu địa phương, bao gồm thành phần hạt, hàm lượng tạp chất, phản ứng kiềm-silic. Mục tiêu nâng cao độ tin cậy và ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Thời gian 1 năm, do Bộ Xây dựng phối hợp với các viện nghiên cứu.

  3. Ứng dụng cát nhân tạo trong bê tông các cấp mác: Khuyến khích sử dụng cát nhân tạo thay thế từ 30-100% cát tự nhiên trong bê tông mác từ B15 đến B30, đặc biệt trong các công trình dân dụng và giao thông tại khu vực miền Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long. Chủ thể là các nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư, áp dụng trong 3-5 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, công nhân xây dựng về kỹ thuật sử dụng cát nhân tạo, kiểm soát chất lượng và thiết kế cấp phối bê tông phù hợp. Mục tiêu giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu quả thi công. Thời gian liên tục, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và viện nghiên cứu vật liệu xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về cát nhân tạo, hỗ trợ phát triển công nghệ và tiêu chuẩn mới.

  2. Doanh nghiệp khai thác đá và sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để cải tiến dây chuyền sản xuất cát nhân tạo, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu thay thế cát tự nhiên, đảm bảo chất lượng công trình và giảm thiểu tác động môi trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và ban ngành xây dựng: Sử dụng luận văn làm cơ sở xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quản lý khai thác tài nguyên hiệu quả.

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 cấp mác bê tông và yêu cầu kỹ thuật. 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, thành phần hạt và kiểm soát tạp chất. Công nghệ nghiền hiện đại như máy nghiền roto trục đứng giúp tạo ra cát có cấu trúc hạt đồng đều và chất lượng ổn định.

  3. Cát nhân tạo ảnh hưởng thế nào đến tính công tác của bê tông?
    Cát nhân tạo có diện tích bề mặt lớn hơn, giữ nước tốt hơn nên hỗn hợp bê tông có tính công tác ổn định, tổn thất độ sụt thấp hơn so với cát tự nhiên, giúp thi công dễ dàng và hiệu quả hơn.

  4. Có những hạn chế nào khi sử dụng cát nhân tạo?
    Một số hạn chế gồm độ co ngót cao hơn, cần điều chỉnh tỷ lệ nước và phụ gia để kiểm soát biến dạng bê tông. Ngoài ra, chi phí sản xuất cát nhân tạo hiện còn cao do công nghệ chưa hoàn thiện.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng cát nhân tạo khi sử dụng trong công trình?
    Cần áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, kiểm tra thành phần hạt, tạp chất, phản ứng kiềm-silic và thử nghiệm bê tông mẫu trước khi sử dụng đại trà. Đào tạo kỹ thuật viên và giám sát thi công cũng rất quan trọng.

Kết luận

  • Cát nhân tạo từ đá granit và các loại đá nghiền khác có thể thay thế hiệu quả cát tự nhiên trong sản xuất bê tông xi măng, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ, tính công tác và độ chống thấm.
  • Công nghệ nghiền hiện đại và lý thuyết cấp phối hạt là nền tảng quan trọng để sản xuất cát nhân tạo chất lượng cao, giảm thiểu tác động môi trường do khai thác cát tự nhiên.
  • Bê tông sử dụng cát nhân tạo có độ co ngót cao hơn cần được điều chỉnh thiết kế cấp phối phù hợp để đảm bảo độ bền và ổn định công trình.
  • Việc hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và nâng cao nhận thức trong ngành xây dựng là cần thiết để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi cát nhân tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu cải tiến công nghệ sản xuất, mở rộng thí nghiệm thực tế và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Hãy cùng chung tay phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường và bền vững bằng cách áp dụng cát nhân tạo trong các dự án xây dựng hiện nay!