Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam có khoảng 3/4 diện tích là đồi núi và cao nguyên, tạo điều kiện thuận lợi cho khai thác đá xây dựng. Tuy nhiên, tình trạng khan hiếm cát tự nhiên tại nhiều vùng như Sơn La, Cao Bằng, Hà Tĩnh đang gây khó khăn cho ngành xây dựng, đặc biệt trong sản xuất bê tông. Theo ước tính, nhu cầu cát vàng cho bê tông và gạch không nung năm 2000 là khoảng 600.000 m³, tăng lên khoảng 1 triệu m³ vào năm 2010. Công trình thủy điện Sơn La sử dụng khoảng 8.000 m³ bê tông, trong đó bê tông đầm lăn chiếm 5.000 m³, đòi hỏi nguồn cốt liệu mịn lớn không thể vận chuyển từ xa.

Trong bối cảnh đó, việc tận dụng đá mạt – sản phẩm thải từ quá trình khai thác và gia công đá – làm nguyên liệu thay thế cát vàng trong bê tông là giải pháp thiết thực, vừa giảm chi phí, vừa bảo vệ môi trường. Đá mạt có kích thước hạt tương tự cát nghiền, nhưng chưa được sử dụng rộng rãi do thiếu nghiên cứu bài bản. Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng đá mạt tại hai mỏ đá lớn ở Sơn La (Bản Khoang và Bản Bó Cón) để thiết kế cấp phối bê tông ứng dụng cho công trình Bản Mông, nhằm khẳng định tính khả thi và hiệu quả kỹ thuật của vật liệu này.

Mục tiêu nghiên cứu gồm khảo sát thực trạng đá mạt tại các mỏ, thí nghiệm tính chất vật liệu, thiết kế cấp phối bê tông sử dụng đá mạt, và đánh giá tính chất cơ lý của bê tông thành phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đá mạt tại Sơn La và ứng dụng cho công trình thủy lợi Bản Mông trong giai đoạn 2012-2013. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn nguyên liệu thay thế cát tự nhiên, góp phần giảm áp lực khai thác cát và nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bê tông xi măng, đặc biệt là:

  • Lý thuyết cấu trúc bê tông: Phân tích vai trò của các thành phần cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ (đá mạt, cát vàng) và chất kết dính xi măng trong việc hình thành cấu trúc bê tông bền vững.
  • Mô hình thiết kế cấp phối bê tông: Áp dụng phương pháp thể tích tuyệt đối và toán quy hoạch thực nghiệm để xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa các thành phần nhằm đạt cường độ và tính công tác yêu cầu.
  • Khái niệm về cốt liệu thay thế: Đá mạt là sản phẩm thải có kích thước hạt tương tự cát nghiền, có đặc tính bề mặt nhám, sắc cạnh, không lẫn tạp chất hữu cơ, ảnh hưởng đến tính công tác và cường độ bê tông.
  • Lý thuyết về phụ gia hóa học trong bê tông: Sử dụng phụ gia hóa dẻo – chậm đông kết để cải thiện tính công tác và tăng cường độ bê tông khi sử dụng đá mạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu đá mạt lấy từ hai mỏ đá Bản Khoang và Bản Bó Cón (Sơn La), cùng cát vàng tự nhiên Sông Lô để so sánh. Các bước nghiên cứu gồm:

  • Khảo sát thực trạng: Thu thập thông tin về nguồn đá mạt, quy trình khai thác, đặc tính vật liệu tại các mỏ.
  • Thí nghiệm vật liệu: Xác định các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30, tro bay nhiệt điện Phả Lại, đá mạt, đá dăm và cát vàng theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM.
  • Thiết kế cấp phối bê tông: Áp dụng phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm bậc hai, xây dựng ma trận quy hoạch với các nhân tố ảnh hưởng như tỷ lệ nước trên xi măng, tỷ lệ cát trên cốt liệu, tỷ lệ tro bay, nhằm tối ưu cường độ nén bê tông.
  • Phân tích kết quả: So sánh cường độ nén, độ lưu động, cường độ bám dính của bê tông sử dụng đá mạt với bê tông truyền thống.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2012-2013, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm phòng lab, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm hơn 30 mẫu bê tông với các cấp phối khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ trộn tại phòng thí nghiệm. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Design-Expert® để xây dựng mô hình hồi quy và đánh giá tương quan giữa các biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất vật liệu đá mạt: Đá mạt Bản Khoang và Bản Bó Cón có khối lượng riêng trung bình khoảng 2,59-2,65 g/cm³, khối lượng thể tích nén chặt đạt 1.78-1.86 g/cm³, hàm lượng hạt mịn <0,14 mm chiếm khoảng 12-15%. Đặc điểm hạt đá mạt có bề mặt nhám, sắc cạnh, không lẫn tạp chất hữu cơ, phù hợp làm cốt liệu nhỏ trong bê tông.

  2. Cường độ nén bê tông sử dụng đá mạt: Bê tông M20 sử dụng đá mạt đạt cường độ nén 28 ngày trung bình từ 28 đến 32 MPa, tương đương hoặc cao hơn 5-10% so với bê tông sử dụng cát vàng tự nhiên. Mô hình hồi quy thực nghiệm cho thấy tỷ lệ nước trên xi măng và tỷ lệ cát trên cốt liệu ảnh hưởng lớn đến cường độ, với hệ số tương quan R² > 0.95.

  3. Độ lưu động và tính công tác: Bê tông sử dụng đá mạt có độ sụt (độ lưu động) thấp hơn bê tông cát vàng khoảng 10-15%, do hạt đá mạt có hình dạng không tròn và kích thước phân bố rộng. Tuy nhiên, khi sử dụng phụ gia hóa dẻo – chậm đông kết với liều lượng 0,4% theo khối lượng xi măng, độ lưu động được cải thiện đáng kể, đạt yêu cầu thi công.

  4. Cường độ bám dính với cốt thép: Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông đá mạt có cường độ bám dính với cốt thép đạt trung bình 7,0 MPa, cao hơn khoảng 8% so với bê tông truyền thống, nhờ bề mặt nhám và tính tương hợp tốt giữa đá mạt và xi măng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân bê tông sử dụng đá mạt đạt cường độ cao hơn là do bề mặt nhám, sắc cạnh của đá mạt giúp tăng cường độ bám dính giữa cốt liệu và vữa xi măng. Mặc dù đá mạt có hình dạng hạt không tròn, gây giảm tính công tác, nhưng việc bổ sung phụ gia hóa dẻo đã khắc phục hiệu quả nhược điểm này. So với các nghiên cứu quốc tế về cát nghiền và đá mạt, kết quả này phù hợp với xu hướng sử dụng cốt liệu tái chế, góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Biểu đồ so sánh cường độ nén 28 ngày giữa bê tông đá mạt và bê tông cát vàng thể hiện sự vượt trội rõ ràng của bê tông đá mạt trong điều kiện phối trộn tối ưu. Bảng phân tích thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý cũng minh chứng cho tính ổn định và phù hợp của đá mạt trong bê tông xây dựng.

Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng ứng dụng đá mạt làm cốt liệu nhỏ thay thế cát vàng trong bê tông cho công trình thủy lợi Bản Mông, góp phần giảm chi phí, tận dụng nguồn thải và bảo vệ môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi đá mạt trong sản xuất bê tông xây dựng: Khuyến khích các nhà máy bê tông tại các vùng có nguồn đá mạt dồi dào như Sơn La, Cao Bằng sử dụng đá mạt thay thế cát vàng để giảm chi phí nguyên liệu và bảo vệ nguồn cát tự nhiên. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

  2. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho đá mạt: Bộ Xây dựng và các cơ quan liên quan cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cụ thể cho đá mạt làm cốt liệu bê tông, bao gồm thành phần hạt, tính chất cơ lý và yêu cầu phối trộn. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng, trong vòng 2 năm.

  3. Đầu tư công nghệ nghiền và phân loại đá mạt: Các doanh nghiệp khai thác đá nên đầu tư máy móc hiện đại để nâng cao chất lượng đá mạt, đảm bảo kích thước hạt đồng đều, giảm tạp chất và tăng tính công tác của bê tông. Thời gian: 1-3 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế cấp phối bê tông sử dụng đá mạt, kỹ thuật thi công và kiểm soát chất lượng cho cán bộ kỹ thuật và công nhân xây dựng. Chủ thể: Trường Đại học Thủy Lợi, Tổng công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Việt Nam, trong 1 năm.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo về bê tông đá mạt: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu mở rộng về bê tông đá mạt, đặc biệt về bê tông cường độ cao, bê tông đầm lăn và bê tông chịu mài mòn để nâng cao ứng dụng trong các công trình lớn. Thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về sử dụng đá mạt trong bê tông, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp khai thác và sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để áp dụng công nghệ nghiền đá mạt, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu thải, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng công trình thủy lợi, giao thông: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu bê tông phù hợp, đảm bảo chất lượng công trình và tiết kiệm chi phí.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và môi trường: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng vật liệu thay thế trong xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đá mạt là gì và có đặc điểm như thế nào?
    Đá mạt là sản phẩm thải từ quá trình khai thác và nghiền đá, có kích thước hạt nhỏ tương tự cát nghiền, bề mặt nhám, sắc cạnh và không lẫn tạp chất hữu cơ. Đặc điểm này giúp tăng cường độ bám dính trong bê tông.

  2. Sử dụng đá mạt thay thế cát vàng có ảnh hưởng đến chất lượng bê tông không?
    Theo kết quả nghiên cứu, bê tông sử dụng đá mạt đạt cường độ nén 28 ngày tương đương hoặc cao hơn 5-10% so với bê tông cát vàng, đồng thời có cường độ bám dính tốt hơn với cốt thép.

  3. Làm thế nào để cải thiện tính công tác của bê tông đá mạt?
    Việc sử dụng phụ gia hóa dẻo – chậm đông kết với liều lượng khoảng 0,4% theo khối lượng xi măng giúp tăng độ lưu động, giảm hiện tượng phân tách nước, đảm bảo thi công thuận lợi.

  4. Đá mạt có thể áp dụng cho những loại công trình nào?
    Đá mạt phù hợp cho bê tông xây dựng công trình thủy lợi, giao thông, nhà ở và các công trình dân dụng khác, đặc biệt tại các vùng có nguồn đá mạt dồi dào và thiếu cát tự nhiên.

  5. Có tiêu chuẩn kỹ thuật nào cho đá mạt không?
    Hiện tại Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho đá mạt, tuy nhiên đá mạt có thể đáp ứng các tiêu chuẩn về cốt liệu nhỏ theo TCVN 7570:2006 và tiêu chuẩn Anh BS 882:1992 về cát nghiền. Cần xây dựng tiêu chuẩn cụ thể trong thời gian tới.

Kết luận

  • Đá mạt tại các mỏ Bản Khoang và Bản Bó Cón có đặc tính phù hợp làm cốt liệu nhỏ trong bê tông, với khối lượng riêng 2,59-2,65 g/cm³ và hàm lượng hạt mịn khoảng 12-15%.
  • Bê tông sử dụng đá mạt đạt cường độ nén 28 ngày từ 28 đến 32 MPa, cao hơn 5-10% so với bê tông cát vàng, đồng thời có cường độ bám dính với cốt thép tốt hơn.
  • Tính công tác của bê tông đá mạt được cải thiện đáng kể khi sử dụng phụ gia hóa dẻo – chậm đông kết với liều lượng 0,4%.
  • Nghiên cứu khẳng định khả năng ứng dụng đá mạt thay thế cát vàng trong bê tông cho công trình thủy lợi Bản Mông, góp phần tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, phát triển công nghệ nghiền đá mạt và đào tạo nhân lực để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Tiếp theo, các cơ quan quản lý và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả sử dụng đá mạt trong bê tông các cấp độ cao hơn. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và doanh nghiệp có thể liên hệ với Trường Đại học Thủy Lợi hoặc Tổng công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Việt Nam.