Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn cát vàng truyền thống tại Việt Nam ngày càng cạn kiệt và khó khai thác, việc tìm kiếm vật liệu thay thế cho bê tông xây dựng trở nên cấp thiết. Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu trữ lượng lớn cát mịn, tuy nhiên loại cát này chưa được tận dụng hiệu quả trong sản xuất bê tông cường độ cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cát mịn khu vực Đồng bằng sông Cửu Long để chế tạo gạch bê tông có cường độ chịu nén 50MPa, phục vụ xây dựng cơ sở hạ tầng đô thị. Mục tiêu chính là phát triển công nghệ sản xuất bê tông tự chèn sử dụng cát mịn, giảm giá thành, đảm bảo chất lượng và thân thiện với môi trường. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát đặc tính vật liệu, thiết kế thành phần bê tông, thí nghiệm đánh giá tính công tác, cường độ và độ bền của bê tông trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Tp. Hồ Chí Minh năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác nguồn vật liệu địa phương, giảm áp lực khai thác cát vàng, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng đô thị tại các vùng giàu cát mịn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về bê tông tự chèn (Self-Compacting Concrete - SCC) và bê tông cát mịn (Sand Concrete). Bê tông tự chèn là hỗn hợp bê tông có khả năng tự lèn chặt mà không cần đầm rung, thích hợp cho sản xuất gạch bê tông tự chèn với cường độ cao. Bê tông cát mịn sử dụng cốt liệu chính là cát mịn với liều lượng lớn (1300-1700 kg/m³), không hoặc ít sử dụng đá dăm, nhằm tăng độ đặc và cải thiện tính công tác. Tro bay được sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính, thay thế một phần xi măng, giúp tăng cường độ và độ bền bê tông thông qua phản ứng puzzolan hóa với Ca(OH)₂. Các khái niệm chính bao gồm: mô đun độ mịn cát, tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD), cường độ chịu nén đặc trưng (f'c), độ sụt (slump), và các chỉ tiêu về độ hút nước, độ mài mòn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu bao gồm vật liệu cát mịn Đồng bằng sông Cửu Long, xi măng PCB40 Sài Gòn, tro bay Nhiệt Điện Phú Mỹ và phụ gia siêu dẻo Viscorete V-3000-10. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 72 mẫu bê tông lập phương kích thước 150x150x150 mm và 70,7x70,7x70,7 mm, được chế tạo theo 4 cấp phối: 0%, 50%, 75% và 100% thay thế cát nghiền bằng cát mịn. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ trộn thử nghiệm. Phân tích dữ liệu sử dụng tiêu chuẩn TCVN và ASTM, đánh giá tính công tác qua độ sụt, cường độ chịu nén và ép chẻ ở các ngày tuổi 7 và 28, cùng các chỉ tiêu độ hút nước và độ mài mòn. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 3 năm 2018, bao gồm chuẩn bị vật liệu, trộn mẫu, đúc mẫu, bảo dưỡng và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính công tác của bê tông tự chèn sử dụng cát mịn: Độ sụt của bê tông tươi duy trì ổn định ở mức 2 ± 1 cm cho tất cả các cấp phối, đảm bảo khả năng thi công sản xuất gạch tự chèn. Thời gian giữ độ sụt phù hợp với yêu cầu thi công, không có hiện tượng phân tầng hay tách nước.

  2. Cường độ chịu nén: Sau 28 ngày, bê tông sử dụng 50% cát mịn đạt cường độ trung bình khoảng 52 MPa, tương đương hoặc cao hơn bê tông đối chứng không sử dụng cát mịn (50 MPa). Khi tăng tỷ lệ cát mịn lên 75% và 100%, cường độ giảm nhẹ còn khoảng 48 MPa và 45 MPa, nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Tỷ lệ cường độ đạt trên 90% so với mẫu đối chứng.

  3. Cường độ chịu ép chẻ và độ bền: Cường độ ép chẻ của bê tông sử dụng cát mịn đạt từ 4,5 đến 5,0 MPa sau 28 ngày, tăng khoảng 10% so với mẫu đối chứng. Độ hút nước dưới 5%, đảm bảo khả năng chống thấm tốt. Độ mài mòn trung bình đạt 0,3 g/cm², phù hợp với tiêu chuẩn bê tông lát đường đô thị.

  4. Ảnh hưởng của tro bay và phụ gia siêu dẻo: Việc thay thế 30% xi măng bằng tro bay giúp giảm nhiệt thủy hóa, tăng độ đặc và cải thiện cường độ bê tông. Phụ gia siêu dẻo Viscorete V-3000-10 được sử dụng với liều lượng 0,8-1,5 lít/100 kg xi măng giúp giảm lượng nước trộn khoảng 20-40%, giữ độ sụt ổn định và tăng cường độ bê tông lên 25-50%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cát mịn Đồng bằng sông Cửu Long có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ cát nghiền trong bê tông tự chèn mà vẫn đảm bảo cường độ chịu nén ≥ 50 MPa. Nguyên nhân là do cấu trúc bê tông cát mịn được cải thiện nhờ sự phối hợp giữa cốt liệu mịn và tro bay, làm tăng độ đặc và giảm lỗ rỗng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, tỷ lệ thay thế cát mịn tương tự đã được áp dụng thành công tại Pháp, Nga và một số nước Trung Đông. Việc sử dụng tro bay không chỉ giảm chi phí mà còn góp phần giảm phát thải CO₂ trong sản xuất xi măng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ chịu nén theo tỷ lệ cát mịn và bảng so sánh các chỉ tiêu cơ lý của bê tông. Kết quả này mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng bền vững, tận dụng nguồn tài nguyên địa phương, giảm áp lực khai thác cát vàng và bảo vệ môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ sản xuất bê tông tự chèn sử dụng cát mịn trong sản xuất gạch bê tông: Khuyến khích các nhà máy sản xuất gạch bê tông tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long áp dụng tỷ lệ thay thế cát mịn từ 50-75% để đảm bảo chất lượng và giảm chi phí sản xuất. Thời gian triển khai trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển quy trình kiểm soát chất lượng vật liệu và sản phẩm: Thiết lập hệ thống kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu cường độ, độ hút nước và độ mài mòn theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM nhằm đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm xây dựng và nhà sản xuất.

  3. Khuyến khích sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng thay thế xi măng: Tăng tỷ lệ sử dụng tro bay lên đến 30% trong thành phần bê tông để giảm phát thải khí nhà kính và chi phí nguyên liệu. Thời gian áp dụng từ 6-12 tháng, phối hợp với các nhà máy nhiệt điện và sản xuất xi măng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư và công nhân xây dựng: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật trộn, thi công bê tông tự chèn sử dụng cát mịn và tro bay nhằm nâng cao năng lực thi công và kiểm soát chất lượng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Đặc biệt là các nhà máy sản xuất gạch bê tông và bê tông tự chèn, giúp họ tối ưu hóa nguyên liệu, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình hạ tầng đô thị: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo độ bền và hiệu quả kinh tế trong xây dựng đường phố, vỉa hè và bãi đỗ xe.

  3. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật mới, thúc đẩy sử dụng vật liệu thân thiện môi trường và phát triển bền vững ngành xây dựng.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng cát mịn và tro bay trong bê tông cường độ cao, mở rộng kiến thức và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cát mịn có thể thay thế hoàn toàn cát vàng trong bê tông không?
    Nghiên cứu cho thấy có thể thay thế đến 75-100% cát vàng bằng cát mịn mà vẫn đảm bảo cường độ ≥ 50 MPa, tuy nhiên cường độ có giảm nhẹ khi thay thế 100%. Việc phối hợp với tro bay và phụ gia siêu dẻo giúp cải thiện tính chất bê tông.

  2. Tro bay ảnh hưởng thế nào đến chất lượng bê tông?
    Tro bay thay thế 30% xi măng giúp giảm nhiệt thủy hóa, tăng độ đặc và cường độ bê tông, đồng thời giảm chi phí và phát thải CO₂. Tro bay loại F có hoạt tính cao, phù hợp cho bê tông cường độ cao.

  3. Độ hút nước và độ mài mòn của bê tông sử dụng cát mịn có đảm bảo không?
    Bê tông sử dụng cát mịn có độ hút nước dưới 5% và độ mài mòn trung bình khoảng 0,3 g/cm², đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho gạch bê tông lát đường đô thị, đảm bảo độ bền và khả năng chống thấm.

  4. Phụ gia siêu dẻo có vai trò gì trong bê tông tự chèn?
    Phụ gia siêu dẻo giúp giảm lượng nước trộn từ 20-40%, giữ độ sụt ổn định trong thời gian dài, tăng cường độ và tính công tác của bê tông, đặc biệt quan trọng khi sử dụng cát mịn và tro bay.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng bê tông khi sử dụng cát mịn?
    Cần thiết lập hệ thống kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu cường độ, độ hút nước, độ mài mòn theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM, đồng thời điều chỉnh thành phần bê tông dựa trên kết quả thí nghiệm thực tế để đảm bảo chất lượng ổn định.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh khả năng sử dụng cát mịn Đồng bằng sông Cửu Long để chế tạo bê tông tự chèn có cường độ chịu nén ≥ 50 MPa, phù hợp cho sản xuất gạch bê tông xây dựng hạ tầng đô thị.
  • Việc phối hợp sử dụng tro bay thay thế 30% xi măng và phụ gia siêu dẻo giúp cải thiện tính công tác, tăng cường độ và giảm chi phí sản xuất.
  • Bê tông sử dụng cát mịn có các chỉ tiêu về độ hút nước và độ mài mòn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo độ bền và khả năng chống thấm trong điều kiện sử dụng thực tế.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng bền vững, tận dụng nguồn tài nguyên địa phương, giảm áp lực khai thác cát vàng và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ sản xuất bê tông tự chèn sử dụng cát mịn trong các nhà máy sản xuất gạch bê tông tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long trong vòng 12 tháng tới, đồng thời xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng và đào tạo kỹ thuật thi công.

Hãy bắt đầu áp dụng giải pháp bê tông tự chèn sử dụng cát mịn để nâng cao hiệu quả kinh tế và bền vững trong xây dựng cơ sở hạ tầng đô thị ngay hôm nay!