MỞ ĐẦU Ở nước ta, trước kia cũng như hiện nay phần lớn chỉ dùng cát vàng (là cát hạt trung hoặc hạt lớn) để chế tạo bê tông xi măng, nhưng nguồn cát vàng chỉ có ở một số nơi trên các sông suối nên các vấn đề khai thác, vận chuyển cát vàng từ những nơi đó đến chân công trình là rất khó khăn, tốn kém; đồng thời trữ lượng cát vàng của nước ta đang suy giảm đáng kể và dần cạn kiệt. Trong khi đó, cát mịn sông suối lại có hầu hết ở các nơi với trữ lượng rất đáng kể nên việc nghiên cứu sử dụng cát mịn thay cát vàng để chế tạo bê tông xi măng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề giảm giá thành, đảm bảo tiến độ thi công, giảm khó khăn trong khai thác, vận chuyển đối với các vùng không có cát vàng, không làm cạn kiệt tài nguyên môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững trong xây dựng. Tính cấp thiết của đề tài Mặt vỉa hè, đường phố của khu đô thị lát bằng các block tự chèn đã được sử dụng nhiều ở châu Âu, Mỹ đã mang lại những thuận lợi đáng kể trong xây dựng. Interlocking Concrete Pavement (ICP-mặt đường lát) sử dụng các block tự chèn bằng bê tông cường độ cao, thường có cường độ lớn hơn 55 Mpa, về kích thước thường là các viên có chiều rộng 100mm, chiều dài là 200mm và chiều dày là 80mm được lát trên nền thiết kế truyền thống.
Mặt đường lát hoặc mặt các bãi đỗ xe bằng block tự chèn linh động dễ thay thế và đặc biệt là bê tông được chế tạo cấu kiện từ các viên đúc sẵn nên đảm bảo sự đồng nhất hơn so với bê tông đổ tại chỗ. IPC được sản xuất theo tiêu chuẩn của ASTM C936: Solid Concrete Interlocking Paving Units, theo tiêu chuẩn của Anh BS 7533 Pavements constructedwith clay, natural stone or concrete pavers. Vì vậy làm mặt đường lát và bãi đỗ xe bằng block tự chèn là yêu cầu cấp thiết có khả năng mang lại hiệu quả kinh tế cao đặc biệt là đối với các đô thị lớn như Thành Phố Hồ Chí Minh Gạch bê tông tự chèn là một sản phẩm có thể nói có nhu cầu nhiều đối vơi các thành phố lớn như TP Hồ Chí Minh. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát mịn khu vực đồng bằng sông Cửu long để chế tạo gạch bê tông có -7- cường độ 50MPa trong xây dựng cơ sở hạ tầng đô thị” là một trong các hướng nghiên cứu để đưa ra giải pháp khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường và tận dụng vật liệu cát mịn trên địa bàn làm giảm giá thành sản phẩm.
Mục đích và phạm vi nghiên cứu Chế tạo được bê tông gạch tự chèn cường độ từ 50MPa và độ hút nước nhỏ hơn 5% sử dụng cát mịn khu vực đồng bằng Sông Cửu Long trong xây dựng cơ sở hạ tầng đô thị. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm. Khảo sát đánh giá và thống kê thực nghiệm. -8- Chƣơng 1 Tổng quan về gạch tự chèn bêtông xi măng 1.1 Cơ sở khoa học của bê tông tự chèn có sử dụng cát mịn và tro bay trong thành phần.1 Khái niệm chung bê tông tự chèn trong xây dựng đô thị Khối bê tông tự chèn (CBPs) được hình thành từ các khối rắn bê tông riêng lẻ cài chèn lẫn nhau chặt chẽ với nhau để tạo thành mặt đường hay còn gọi là mặt đường lát (INTERLOCKING CONCRETE PAVEMENT-ICP) bằng lát các viên gạch block BTXM có cường độ cao trên lớp móng, các khe được chèn đầy cát sau đó đầm chặt bằng đầm rung và lu.
Một dạng CBP điển hình được đặt trên một lớp cát mỏng phủ lên một cơ sở phụ. CBP có thể được đặt với nhiều hình dạng và hoa văn, có các khoảng trống giữa các khối. Những khoảng trống này được lấp đầy với cát có phân loại phù hợp, các khối được ngăn cách từ hai cạnh bằng cạnh hạn chế. CBP được sản xuất từ hỗn hợp bán khô, trong quá trình sản xuất độ rung và áp suất được áp dụng cho hỗn hợp.
Bởi quá trình này CBP dày đặc và cường độ cao có thể đạt được để tạo thành bề mặt lát cứng và bền. Hơn nữa lồng vào nhau tính chất của CBP cho khả năng lan truyền tải đến các khu vực lớn hơn. Thông thường để chế tạo bê tông có cường độ cao fc’>55MPa thì phải dùng cốt liệu nhỏ là cát vàng có mô đun độ lớn từ 2.8, với nhu cầu xây dựng lớn như hiện nay ở khu vực sông Cửu Long thì gần như không có cát đạt yêu cầu trên chưa nói đến dùng để sản xuất bê tông cường độ cao. Câu hỏi đặt ra là liệu có thể dùng cát mịn với tỷ lệ nào đó để có thể vẫn chế tạo được bê tông cường độ cao- bê tông để làm gạch tự chèn hay không.2 Cấu trúc của bê tông cát mịn Cấu trúc của bê tông cát mịn – hay là cấu trúc của Bê tông cát sử dụng cát mịn.
Trước hết bê tông cát được phân biệt với bê tông thường là có liều lượng cát lớn, không có đá dăm hoặc có nhưng liều lượng nhỏ và có thêm chất độn mịn để cải thiện cấp phối hạt của cốt liệu. Liều lượng cát cho bê tông cát thường bằng 1300kg -1700kg cho 1m3 bê tông; với bê tông thường thì liều lượng của cát chỉ khoảng 500kg - 800kg. Trong thực tế vật liệu bê tông cần có độ đặc cao, vì đó là đặc điểm chính của cấu tạo bê tông. Nguyên lý đầu tiên của vật liệu bê tông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại cốt liệu [6].
Độ đặc chắc của hỗn hợp như vậy được tạo nên sẽ được điều hòa bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu. Nguyên tắc đó được ứng dụng cho bê tông cát; đó là dịch chuyển dải cốt liệu so với bê tông thường (không dùng cốt liệu lớn chỉ dùng cốt liệu nhỏ) bằng cách tận dụng nguồn cát phong phú ở một số vùng giàu cát. Cát ở đây phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam về cát xây dựng cỡ hạt từ 0 - 5mm, tuy nhiên theo tài liệu [31] khuyên nên dùng cát có mô đun độ mịn theo tiêu chuẩn cốt liệu nhỏ cho bê tông thường với sai khác có thể chọn ±20%. Vậy với mô đun độ mịn cát dùng cho bê tông thường từ 2 - 3.3, thì mô đun độ mịn cát có thể sử dụng cho bê tông cát từ 1.
Vì thế cát được sử dụng cho bê tông cát có giới hạn mô đun độ mịn rộng hơn và có thể tận dụng được các loại cát mịn ở một số vùng, mà hiện nay chưa dùng cho bê tông xi măng thông thường. Việc phối hợp cốt liệu cát thô (có Mk>2) theo TCVN 7570:2006; cát mịn (Mk<2) đồng thời “nhỏ hóa” dải cấp phối cốt liệu bằng cách tận dụng hạt mịn trong cát (<75µm) và chất độn mịn (chủ yếu các hạt nhỏ hơn 75µm) để làm tăng độ đặc và cải thiện tính dễ thi công của hỗn hợp bê tông. Sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông xi măng truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông [34]. Khi ta đưa tro bay vào thành phần của bê tông, thành phần SiO2 vô định hình trong tro bay sẽ tạo ra các phản ứng puzzolan hóa, hút lượng vôi tự do có trong bê tông; ngoài ra, một phần - 10 - tro bay sẽ đóng vai trò là vi cốt liệu chèn lấp vào lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn, làm tăng độ đặc cho bê tông, từ đó làm cường độ cũng như độ bền của bê tông được cải thiện.
Như vậy, khi sử dụng bê tông nhiều tro bay vào các công trình dân dụng, cũng như cầu đường sẽ làm tăng tuổi thọ của các công trình. Đặc biệt là đối với các kết cấu thường xuyên chịu ảnh hưởng trực tiếp của các tác nhân xâm thực (ion Cl-, SO42- .) như móng nhà cao tầng, mố, trụ cầu thì cần quan tâm đến độ bền của vật liệu chế tạo. Trong bê tông thông thường vùng tiếp giáp là vùng có nhiều lỗ rỗng hơn cả và có các hạt dạng keo Ca(OH)2.Vì vậy việc cải thiện cấu trúc của bê tông cát mịn cũng giống như bê tông thường đó là trộn thêm vào bê tông các chất độn mịn để lấp đầy lỗ rỗng nhỏ, đồng thời nên sử dụng chất độn mịn hoạt tính (muội silica SF, tro trấu RHA., mê ta kao lanh) để có thể kết hợp với tro bay phản ứng với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thường tạo ra các sợi rắn CSH để tăng cường độ cho bê tông.2 Các nghiên cứu và ứng dụng bê tông tự chèn có sử dụng cát mịn trên thế giới Đường lát bằng đá được trang bị cơ sở chặt chẽ dựa trên các dạng hạt linh hoạt trong Đế Quốc La Mã. Mặc dù, đá vẫn đang được sử dụng làm vật liệu lát đường quen thuộc hiện nay, phiên bản hiện đại của kỹ thuật đường này sử dụng khối bê tông (đá nhân tạo) để thay thế khối đá tự nhiên [Rada và cộng sự 1990].
Việc sử dụng CBP cho các con đường bắt đầu ở Hà Lan sau Chiến tranh thế giới thứ hai. Gạch lát là vật liệu bề mặt truyền thống trong Hà Lan trước Chiến tranh thế giới thứ hai. Vì gạch than bị thiếu không có sẵn, kết quả là CBP đã được sử dụng như là một thay thế; sự thay thế trở nên cực kỳ thành công. Sau chiến tranh, các con đường của Rotterdam gần như hoàn toàn được xây dựng từ khối bê tông lát [Pritchard và Dawson 1999].
Điều này công nghệ nhanh chóng lan sang Đức và Tây Âu như một thực tế và trở thành phương pháp hấp dẫn hữu ích cho cả vỉa hè cho người đi bộ và phương tiện [Rada và cộng sự 1990]. Trong 40 năm qua CBP đã đạt được sự phổ biến nhanh chóng như là một thay thế cho mặt đường bê tông và bê tông nhựa thông thường. CBP bây giờ là một tiêu chuẩn lát - 11 - bề mặt ở châu Âu nơi có hơn 100,000,000 m2 được đặt hàng năm [Ghafoori và Mathis 1998]. Ngành xây dựng đường tiêu thụ một số lượng lớn cốt liệu.
Trong thực tế, với một thiết kế đường điển hình, một km đường có chiều rộng 7,6 m (24,9 ft) cần ít nhất 4. Ở nhiều nước, cốt liệu lớn ngày càng cạn kiệt, hầu hết các mỏ đá hiện có đã được khai thác làm thay đổi đáng kể về sinh thái và môi trường.