Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành xây dựng ngày càng phát triển, việc sử dụng vật liệu bê tông có tính năng cao (High-Performance Concrete - HPC) trở thành xu hướng quan trọng nhằm nâng cao độ bền, khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình. Theo ước tính, bê tông chiếm phần lớn trong tổng lượng vật liệu xây dựng toàn cầu, đồng thời ngành xi măng cũng đóng góp khoảng 7% lượng khí thải CO2 toàn cầu. Do đó, việc tìm kiếm giải pháp thay thế nguyên liệu truyền thống bằng các vật liệu tái chế, thân thiện môi trường là cấp thiết. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng chất thải từ quá trình Residue Fluid Catalytic Cracking (RFCC) - một phụ phẩm công nghiệp từ lọc dầu - để thay thế một phần xi măng hoặc Q-Powder trong hỗn hợp bê tông HPC. Mục tiêu chính là tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn nhằm cân bằng giữa tính thi công, cường độ nén, độ bền uốn, độ bền kéo và tính bền vững kinh tế - môi trường của bê tông. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2024, với các thử nghiệm vật liệu và phân tích cơ học chi tiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần giảm chi phí sản xuất bê tông mà còn hỗ trợ quản lý chất thải RFCC hiệu quả, hướng tới phát triển xây dựng xanh và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Lý thuyết bê tông tính năng cao (HPC và UHPC): HPC được định nghĩa là bê tông có tỷ lệ nước trên chất kết dính thấp (dưới 0.25), kết hợp với các phụ gia siêu mịn như silica fume, bột thạch anh nhằm tối ưu hóa mật độ đóng gói hạt, giảm độ rỗng và tăng cường độ bền cơ học. UHPC là dạng cao cấp hơn với cường độ nén tối thiểu 150 MPa, có khả năng chịu lực và độ bền vượt trội, tuy nhiên tiêu thụ xi măng lớn dẫn đến lượng phát thải CO2 cao.

  2. Phương pháp thiết kế hỗn hợp Simplex-Centroid: Đây là phương pháp thiết kế thí nghiệm hỗn hợp đa thành phần, giúp tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa các thành phần xi măng, RFCC và cốt liệu mịn dựa trên các chỉ tiêu về tính thi công và cường độ cơ học. Phương pháp này cho phép giảm số lượng thí nghiệm cần thiết nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và khả năng ứng dụng rộng rãi.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ nước trên chất kết dính (w/b), mật độ đóng gói hạt, tính thi công (đo bằng độ sụt hoặc độ chảy), cường độ nén, độ bền uốn và độ bền kéo phân tách.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu bê tông HPC được phối trộn với tỷ lệ RFCC thay thế xi măng và Q-Powder khác nhau, lấy từ nhà máy lọc dầu và các vật liệu xây dựng tiêu chuẩn. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm khoảng 30 hỗn hợp bê tông với các tỷ lệ thay thế RFCC từ 0% đến khoảng 20%.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thử nghiệm độ sụt (slump flow) để đánh giá tính thi công.
  • Thử nghiệm cường độ nén, uốn và kéo phân tách theo tiêu chuẩn TCVN.
  • Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để đánh giá ảnh hưởng của RFCC đến cấu trúc bê tông.
  • Sử dụng phần mềm Minitab để thực hiện phân tích thống kê, hồi quy và tối ưu hóa hỗn hợp theo phương pháp Simplex-Centroid.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong vòng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của RFCC đến tính thi công: Khi tỷ lệ RFCC thay thế xi măng tăng từ 0% đến 15%, độ chảy của bê tông giảm khoảng 10-15%, tuy nhiên vẫn nằm trong giới hạn thi công cho phép. Điều này cho thấy RFCC có ảnh hưởng nhẹ đến tính thi công nhưng không gây trở ngại lớn.

  2. Cường độ nén: Hỗn hợp bê tông với 10% RFCC thay thế xi măng đạt cường độ nén trung bình 65 MPa sau 28 ngày, tăng khoảng 8% so với mẫu đối chứng không có RFCC. Khi tỷ lệ RFCC vượt quá 15%, cường độ nén giảm nhẹ do ảnh hưởng của thành phần không phản ứng.

  3. Độ bền uốn và kéo phân tách: Tỷ lệ RFCC thay thế Q-Powder khoảng 12% giúp tăng độ bền uốn lên 12 MPa, cao hơn 7% so với mẫu chuẩn. Độ bền kéo phân tách cũng được cải thiện tương ứng, cho thấy RFCC góp phần tăng tính liên kết vi mô trong bê tông.

  4. Tối ưu hóa hỗn hợp: Phương pháp Simplex-Centroid cho phép xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu là 10% RFCC thay thế xi măng và 12% thay thế Q-Powder, đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa tính thi công và các chỉ tiêu cơ học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện cường độ và độ bền là do RFCC có thành phần hóa học tương tự silica fume, giúp tăng phản ứng pozzolanic, tạo thêm canxi silicat hydrate (C-S-H) làm tăng mật độ cấu trúc bê tông. Mặc dù RFCC làm giảm nhẹ tính thi công do tăng hàm lượng hạt mịn, nhưng việc sử dụng siêu dẻo giúp duy trì độ chảy phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về sử dụng phụ gia tái chế như bột gạch tái chế hay bột kính vụn, RFCC thể hiện hiệu quả tương đương hoặc vượt trội trong việc cải thiện cơ tính bê tông. Kết quả này cũng phù hợp với báo cáo của ngành lọc dầu về tính ổn định hóa học của RFCC.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ RFCC và các chỉ tiêu cường độ, cũng như bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm độ sụt và độ bền cơ học để minh họa rõ ràng sự tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ thay thế RFCC 10-12% trong sản xuất HPC nhằm giảm chi phí xi măng và tăng tính bền vững, thực hiện trong vòng 12 tháng tại các nhà máy sản xuất bê tông thương phẩm.

  2. Sử dụng phương pháp Simplex-Centroid để thiết kế hỗn hợp bê tông cho các dự án xây dựng có yêu cầu cao về cơ tính và độ bền, giúp tối ưu hóa nguyên liệu và giảm thí nghiệm không cần thiết.

  3. Phát triển quy trình kiểm soát chất lượng RFCC trước khi đưa vào phối trộn, đảm bảo thành phần hóa học và kích thước hạt phù hợp, do các đơn vị quản lý vật liệu xây dựng và nhà máy lọc dầu phối hợp thực hiện.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng lâu dài của RFCC trong bê tông, đặc biệt về độ bền môi trường và khả năng chống ăn mòn, nhằm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và vật liệu xây dựng: Nắm bắt phương pháp tối ưu phối trộn bê tông HPC sử dụng vật liệu tái chế, nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công.

  2. Nhà sản xuất bê tông thương phẩm: Áp dụng công nghệ phối trộn mới giúp giảm chi phí nguyên liệu, tăng tính cạnh tranh và thân thiện môi trường.

  3. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng hoặc điều chỉnh tiêu chuẩn sử dụng phụ gia công nghiệp trong bê tông.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Học hỏi phương pháp thiết kế thí nghiệm Simplex-Centroid và ứng dụng thực tiễn trong phát triển vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. RFCC là gì và tại sao được sử dụng trong bê tông?
    RFCC là chất thải từ quá trình Residue Fluid Catalytic Cracking trong lọc dầu, có thành phần hóa học tương tự silica fume, giúp tăng cường phản ứng pozzolanic trong bê tông, cải thiện cơ tính và giảm chi phí nguyên liệu.

  2. Tỷ lệ thay thế RFCC tối ưu trong bê tông là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thay thế khoảng 10-12% RFCC cho xi măng hoặc Q-Powder là tối ưu, cân bằng giữa tính thi công và cường độ cơ học.

  3. Phương pháp Simplex-Centroid có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giúp tối ưu phối trộn nhiều thành phần với số lượng thí nghiệm tối thiểu, đồng thời phân tích được ảnh hưởng tương tác giữa các thành phần đến tính chất bê tông.

  4. RFCC ảnh hưởng thế nào đến tính thi công của bê tông?
    RFCC làm tăng hàm lượng hạt mịn, có thể giảm nhẹ độ chảy của bê tông nhưng vẫn nằm trong giới hạn thi công nhờ sử dụng siêu dẻo.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng ở đâu?
    Phù hợp với các nhà máy sản xuất bê tông thương phẩm, dự án xây dựng cần bê tông tính năng cao và các đơn vị quản lý vật liệu xây dựng quan tâm đến phát triển vật liệu bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh khả năng sử dụng chất thải RFCC để thay thế một phần xi măng và Q-Powder trong bê tông HPC, góp phần giảm chi phí và tăng tính bền vững.
  • Phương pháp thiết kế hỗn hợp Simplex-Centroid được áp dụng thành công, giúp tối ưu tỷ lệ phối trộn dựa trên các chỉ tiêu cơ học và tính thi công.
  • Tỷ lệ thay thế RFCC tối ưu được xác định trong khoảng 10-12%, đảm bảo cường độ nén trên 65 MPa và cải thiện độ bền uốn, kéo phân tách.
  • Kết quả nghiên cứu hỗ trợ phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm phát thải CO2 từ ngành xi măng và quản lý hiệu quả chất thải công nghiệp.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng thử nghiệm độ bền lâu dài, phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và ứng dụng thực tế tại các dự án xây dựng lớn.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và bền vững trong sản xuất bê tông tính năng cao, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường xây dựng.