CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình sử dụng cát nghiền trong chế tạo bê tông trên thế giới Cát nghiền là loại cát được nghiền nhỏ từ đá tự nhiên, cuội sỏi, đang là nguồn cát thay thế cho cát tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt. Trên thế giới hiện nay, cát nghiền đang được dùng phổ biến, không những để thay thế cát tự nhiên đang ngày càng càng cạn kiệt mà còn do tính chất đặc biệt như hạt cát đồng đều hơn, có thể điều chỉnh mô đun độ lớn và tỷ lệ thành phần cấp phối hạt đáp ứng yêu cầu cho các loại bê tông khác nhau như bê tông xi măng, bê tông asphalt, bê tông đầm lăn,.
Từ những năm 50 của thế kỷ 20, cát nghiền đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhiều trong các công trình thủy lợi và thủy điện trên thế giới, bởi trong tự nhiên rất hiếm gặp các mỏ cát thỏa mãn hoàn toàn mọi yêu cầu cho sản xuất bê tông ở các công trình nói trên. Những nguồn đá tự nhiên đã và đang được sử dụng để sản xuất cát nghiền trên thế giới là đá vôi, đá granit, đá bazan, đá anđêzit, đá cát kết, đá quaczit v. Tại Nhật Bản, theo GS. Nobuaki Otsuki – Học viện Công nghệ Tokyo [16], cát nghiền đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các công trình xây dựng để thay thế cho cát tự nhiên từ cách đây hơn 40 năm.
Tình hình sử dụng cát nghiền tại Nhật Bản tăng liên tục trong khoảng 10 năm trở lại đây, khoảng 30% năm 2011 tăng lên đến 36% năm 2020. Tỷ lệ sử dụng cát nghiền chưa cao do hiện nay nước này vẫn sử dụng lượng lớn cát núi, cát mỏ (khoảng 40%), lượng cát sông hiện sử dụng rất ít, khoảng 10%, còn lại là một lượng nhỏ cát tái chế, cát từ xỉ lò cao. Hiện nay, do nguồn cát tự nhiên ngày càng khan hiếm, Chính phủ Nhật Bản đã áp dụng mức thuế rất cao cho cát tự nhiên nên người dân chuyển qua sử dụng cát nghiền để thay thế. Cho đến nay, hầu hết các công trình xây dựng tại nước này đã sử dụng cát nghiền.
Thị trường tiêu thụ của loại cát này ngày càng được mở rộng và phát triển mạnh mẽ. 5 Trung Quốc là đất nước có lượng tiêu thụ cát lớn nhất trên thế giới. Tuy nhiên, việc khan hiếm cát tự nhiên cũng đã góp phần giúp cát nghiền trở nên phổ biến hơn ở nước này. Năm 2013, đã có khoảng 6,2 tỉ tấn cát nghiền được đưa vào sử dụng, chiếm trên 60% thị phần ngành sản xuất và tiêu thụ cốt liệu nước này; năm 2018 lượng cát nghiền được sử dụng đã đạt tới con số 70% tổng lượng cát ở quốc gia này.
Theo dự báo, lượng cốt liệu tiêu thụ tại Trung Quốc là khoảng 26 tỉ tấn vào năm 2021. Điều này có nghĩa nhu cầu tiêu thụ cát nghiền tại Trung Quốc sẽ tăng lên chạm mức 15,6 tới 20,8 tỉ tấn trong năm 2021. Tổ chức Statista [39] đã thống kê được lượng cát nghiền sử dụng ở Mỹ năm 2014 vào khoảng 106 triệu tấn. Trong khi đó, theo thống kê về tình hình sản xuất của ngành công nghiệp khoáng sản của Cục khảo sát địa chất Mỹ [33], năm 2017 đã chứng kiến một sự tăng vọt tới gần 900 triệu tấn cát nghiền được sử dụng và con số này được sự báo sẽ còn tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới.
Theo thống kê về tình hình sản xuất, tiêu thụ của ngành công nghiệp khoáng sản của Cục địa chất và khoáng sản Malaysia [33], nước này đã tiêu thụ khoảng 40 triệu tấn cát nghiền năm 2015, tăng hơn 10 triệu tấn so với năm 2014. Điều này được cho là kết quả tất yếu của các lệnh cấm khai thác và xuất khẩu cát tự nhiên ở nước này. Mục đích sử dụng cát nghiền hiện nay tại các quốc gia là khác nhau. Cát nghiền có thể được dùng trong sản xuất bê tông, vữa xây dựng, … Phần trăm cát nghiền sử dụng để thay thế cát tự nhiên là khác nhau ở mỗi nước và tùy thuộc vào mỗi mục đích chế tạo.
Tại Nhật Bản, một trong những quốc gia đi tiên phong trong việc sử dụng cát nghiền để thay thế cho cát tự nhiên trên thế giới, phần trăm cát nghiền được dùng để thay thế cát tự nhiên được giữ ở mức đến 40% tổng lượng cát sử dụng. Tương tự, tại Úc, nhiều nhà máy sản xuất bê tông cũng đã sản xuất thành công và bán ra thị trường các sản phẩm bê tông với tỷ lệ cát nghiền thay cho cát tự nhiên là khoảng 40%. Trong khi 6 đó, tỷ lệ này tại Malaysia thấp hơn đáng kể, ở mức khoảng 20% so với tổng lượng cát sử dụng. Trong số trên 20 công trình đập thủy điện lớn trên thế giới sử dụng cát nghiền, phải kể tới một số công trình như: + Công trình thủy điện Toctogiskaia (Liên Xô cũ) năm 1978 với khối lượng bê tông đập là 3,345 triệu m3, sử dụng nguồn cát nghiền từ đá vôi; + Công trình đập Katse ở Lesotho (Cộng hòa Nam Phi) với khối lượng bê tông đập là 2,300 triêụ m3, sử dụng nguồn cát nghiền từ đá bazan; + Công trình đập Anmendra và nhà máy thủy điện Viliarinô (Tây Ban Nha) năm 1970 với khối lượng bê tông đập là 2,032 triệu m3, sử dụng cát nghiền từ đá granit; + Công trình thủy điện Tikaiskaia (Liên Xô cũ) năm 1978, với khối lượng bê tông đập 1,358 triệu m3, sử dụng cát nghiền từ đá vôi và đá cát kết.
Ngoài ra những công trình khác đã sử dụng cát nghiền như đập Saguling - Indonesia (từ đá anđezit), đập Jebha - Nigeria (từ đá granit), đập Grand - Maison - Pháp (từ đá gơnai và quaczit), thủy điện Mratinhe - Nam Tư (từ đá vôi), đập Vandilây - Thụy Điển (từ đá vôi), đập Antina - Italia (từ đá vôi), đập Mesrakhômdi - Ma Rốc (từ đá vôi), đập Tiu - Pháp (từ đá vôi), đập Rotslăngđơ - Pháp (từ đá vôi và đá diệp thạch kết tinh), đập Đơgivereno - Italia (từ đá gơnai), đập Latporetat. Tây Ban Nha (từ đá granit và đá vôi), thủy điện Dgiôn - Mỹ (từ đá granit và gơnai), thủy điện Đetroi - Mỹ (từ đá điorit), Trên cơ sở kinh nghiệm từ một số công trình thủy điện trên thế giới, vấn đề sử dụng cát nghiền làm thành phần cát hạt thô trong hỗn hợp cát đổ bê tông đập thông thường được quan tâm nhiều. Theo tiêu chuẩn kỹ thuật thủy điện của Liên Xô cũ, khối lượng cát nghiền thông thường được sử dụng từ 40 - 70%, còn lại là cát tự nhiên, tuỳ thuộc vào vị trí đổ bê tông như vùng bên trong đập, vùng bên ngoài đập (phần dưới nước, phần ở mực nước thay đổi, phần không ngập nước). Một số công trình cụ thể đã sử dụng như sau: 7 + Công trình thủy điện Ankantara - Tây Ban Nha (năm 1970), sử dụng 74% cát nghiền, 26% cát tự nhiên; + Công trình thủy điện Saira, sử dụng 75% cát nghiền, 25% cát tự nhiên; + Công trình thủy điện Lôiê Đrup - Anh (năm 1956), sử dụng 70% cát nghiền, 30% cát tự nhiên; + Công trình thủy điện Lubrôc, sử dụng 80% cát nghiền, 20% cát tự nhiên; + Công trình thủy điện Đơ Nhep - Ucraina, sử dụng 35% cát nghiền, 65% cát tự nhiên.
Cát nghiền đã được dùng sản xuất bê tông để xây dựng các đập nước lớn như đập Sagulinh ở Indonesia từ đá andesite, đập Chonarit trên sông Lakhdar đông Manakesh từ đá vôi, đập Jebha ở Nigieria từ đá granit, đập Grand Maison của Pháp từ đá gneisquazt, đập Vueltosa của Venezuela. Trung Quốc là quốc gia ứng dụng công nghệ này thành công nhất như đập Tam Hiệp sử dụng cát nghiền cho đập RCC lớn nhất thế giới. Các cở sở sản xuất hiện nay đều ở mức cơ giới hóa và tự động hoán cao, không còn lao động thủ công trên dây chuyền. Toàn bộ hoạt động của dây chuyền sản xuất được khống chế trong phòng điều khiển.
Cốt liệu lớn (từ 5÷80mm) và cốt liệu nhỏ (<5mm) đều được sản xuất ra trên cùng một dây chuyền. Trong đó được bổ sung máy cho nghiền cốt liệu nhỏ. Cốt liệu nhỏ (<5mm) đều được phân thành hai loại cỡ hạt, là: Cỡ hạt lớn từ 1,6mm (hoặc 2,5mm) đến 5mm và Cỡ hạt từ 1,6mm (hoặc 2,5mm) là do từng cơ sở sản xuất quy định: cỡ hạt nhỏ là <1,6mm (hoặc <2,5mm). Tùy theo nhu cầu sử dụng mà phối trộn hai loại cỡ hạt trên theo tỷ lệ yêu cầu.
Các dây chuyền sản xuất trên đều có hệ thống rửa cát để tách bớt lượng hạt mịn (<0,15mm) và tạp chất bụi khác. Hàm lượng bụi (<0,075mm) được quy định từ 5÷8%. Loại thiết bị được sử dụng trong dây chuyền là khác nhau, phụ thuộc vào tính chất của đá, thời gian mua sắm thiết bị và công suất dây chuyền. 8 Trên thế giới có nhiều công ty sản xuất thiết bị công nghệ sản xuất cát nhưng đáng chú ý nhất là 4 công ty lớn đã cung cấp nhiều thiết bị sản xuất cát nghiền, đó là: Công ty Metso (Hà Lan), Terex (Mỹ), Svedala (Anh), Sandvik (Thụy Điển).
Riêng công ty Metso đã cung cấp thiết bị nghiền cát cho các khu vực thuộc Bồ Đào Nha, Italia, Đức, Pháp, Colombia, Tây Ba Nha, Trung Quốc, Venezuela, Indonesia. Một số kết quả nghiên cứu khác trong phòng thí nghiệm được kể đến như: Năm 2016 và 2017, tác giả Shen (Trung Quốc) cùng các đồng nghiệp đã nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ siêu cao sử dụng cát nghiền, các kết quả nghiên cứu cho thấy với việc sử dụng cát nghiền làm cốt liệu cho bê tông, các hỗn hợp bê tông đạt cường độ nén từ 114 đến 122 MPa ở tuổi 7 ngày và từ 138 đến 150 MPa ở tuổi 28 ngày. Nghiên cứu của các tác giả Anil Kulkarni, Rajeeb Kumar, Vikram Kumar [33] đưa ra kết luận: - Lượng chất phụ gia khi sử dụng cát nghiền tăng 35% để đạt được khả năng thi công tương đương của bê tông sử dụng cát tự nhiên; - Bê tông sử dụng cát nghiền có độ bền nén ở tuổi 3, 7 và 28 ngày cao hơn so với sử dụng cát tự nhiên; - Hạn chế độ co ngót của các mẫu M25 và M40 các mẫu bê tông là 0.048% so với cát tự nhiên. Balapgol và SA.
Kulkarni [34] cát nghiền có tính chất tốt hơn cát tự nhiên do kích thước hình dạng, độ bền vv. Do đó khi sử dụng cát nghiền sẽ cho cường độ bê tông cao hơn so với dùng cát tự nhiên. Các tác giả đã nghiên cứu sự thay đổi tính chất của bê tông khi thay thế cát tự nhiên bằng việc sử dụng đá bazan nghiền.