Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng giao thông nông thôn theo chương trình “xây dựng nông thôn mới”, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng, đang đối mặt với thách thức lớn về nguồn cung cấp cát tự nhiên cho xây dựng bê tông xi măng (BTXM). Nguồn cát tự nhiên trên địa bàn rất khan hiếm, trong khi nhu cầu xây dựng cơ bản ngày càng tăng cao. Việc khai thác cát tự nhiên không chỉ hạn chế mà còn gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường như sạt lở và ô nhiễm. Đồng thời, chi phí vận chuyển cát từ các vùng khác như Ninh Thuận rất cao, làm giảm tính khả thi của các dự án xây dựng.

Trong khi đó, huyện Đơn Dương sở hữu nhiều mỏ đá với trữ lượng lớn, đặc biệt là đá mi (đá mạt, đá bụi) tồn đọng nhiều do chưa được sử dụng hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung đánh giá khả năng sử dụng đá mi thay thế cát tự nhiên trong sản xuất bê tông xi măng làm mặt đường ô tô tại huyện Đơn Dương. Mục tiêu chính là phân tích tính chất cơ lý của đá mi, thiết kế thành phần cấp phối bê tông phù hợp, đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế khi sử dụng hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên trong xây dựng đường bê tông xi măng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát nguồn vật liệu đá mi và cát trên địa bàn huyện, thực nghiệm sản xuất bê tông xi măng với các tỷ lệ phối trộn khác nhau, đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như cường độ chịu nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn và độ co ngót. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc bảo vệ môi trường, tiết kiệm chi phí xây dựng và phát triển bền vững hạ tầng giao thông tại khu vực Tây Nguyên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông xi măng: Thành phần hạt ảnh hưởng trực tiếp đến độ đặc, tính lưu động và các tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông. Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng của Fuller được áp dụng để tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn nhằm đạt độ đặc cao nhất, giảm lượng xi măng và nước cần thiết.

  • Phản ứng thủy hóa xi măng và cấu trúc vi mô bê tông: Quá trình thủy hóa tạo thành các sản phẩm kết dính giữa các hạt cốt liệu, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của bê tông. Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu là vùng yếu nhất, quyết định tính toàn khối và độ ổn định của bê tông.

  • Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong đá mi: Hạt mịn (<0.075 mm) trong đá mi có thể cải thiện tính công tác và cường độ bê tông đến một giới hạn nhất định (khoảng 5-10%). Tuy nhiên, hàm lượng hạt mịn quá cao (>10%) làm tăng độ co ngót và giảm cường độ bê tông.

  • Các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông xi măng làm đường ô tô: Cường độ chịu nén tối thiểu 30-36 MPa, cường độ kéo uốn từ 4.5 MPa trở lên, độ mài mòn ≤ 0.3 g/cm², độ sụt từ 20-40 mm tùy công nghệ thi công.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập mẫu đá mi từ ba mỏ đá lớn tại huyện Đơn Dương (Căn Kin, Thạch Thảo, Rờ Lôm), cùng với cát tự nhiên địa phương. Thực hiện phân tích thành phần hạt, cường độ đá gốc, độ mài mòn, hàm lượng bụi bẩn và các chỉ tiêu cơ lý khác.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm, dựa trên công thức Bolomey-Skramtaev và tiêu chuẩn TCXDVN 322:2004. Thực hiện thí nghiệm nén, kéo uốn, đo độ mài mòn, độ co ngót và độ sụt của bê tông.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu bê tông kích thước 15x15x15 cm và 15x15x60 cm, bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn. Cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy thống kê, lựa chọn mẫu đại diện cho các loại đá mi và cát phổ biến trên địa bàn.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016, bao gồm khảo sát hiện trạng vật liệu, thiết kế và thực nghiệm bê tông, xử lý số liệu và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguồn vật liệu đá mi dồi dào và chất lượng cao: Ba mỏ đá chính tại huyện Đơn Dương có trữ lượng lớn, cường độ đá gốc đạt từ 800 đến trên 1200 kg/cm², phù hợp cho sản xuất bê tông xi măng. Lượng đá mi tồn đọng tại các mỏ rất lớn, chưa được khai thác hiệu quả.

  2. Ảnh hưởng hàm lượng hạt mịn trong đá mi đến tính chất bê tông: Khi hàm lượng hạt mịn trong đá mi khoảng 5%, bê tông đạt độ sụt tốt nhất, giảm 8% so với bê tông dùng cát tự nhiên. Cường độ chịu nén và kéo uốn đạt giá trị tối ưu khi hàm lượng hạt mịn từ 5-10%. Hàm lượng hạt mịn trên 10% làm tăng độ co ngót bê tông lên khoảng 10%, đồng thời giảm cường độ và khả năng thi công.

  3. So sánh bê tông sử dụng đá mi và cát tự nhiên: Bê tông sử dụng hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên (tỷ lệ đá mi chiếm 50-70%) có cường độ nén đạt 36 MPa, tương đương hoặc cao hơn bê tông dùng cát tự nhiên. Độ mài mòn của bê tông đá mi đạt ≤ 0.3 g/cm², đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho mặt đường ô tô cấp I, II. Độ sụt của bê tông đá mi thấp hơn 20-30% so với bê tông cát tự nhiên, nhưng vẫn đảm bảo tính thi công.

  4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Sử dụng đá mi thay thế một phần cát tự nhiên giúp giảm chi phí vận chuyển và khai thác cát, đồng thời giảm tác động tiêu cực đến môi trường do khai thác cát tự nhiên. Việc tận dụng đá mi tồn đọng góp phần giảm ô nhiễm và tận dụng nguồn tài nguyên địa phương.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy đá mi từ các mỏ tại huyện Đơn Dương có tiềm năng lớn để thay thế cát tự nhiên trong sản xuất bê tông xi măng làm mặt đường ô tô. Hàm lượng hạt mịn trong đá mi là yếu tố quyết định đến tính chất cơ lý của bê tông, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy hàm lượng hạt mịn tối ưu từ 5-10% giúp cải thiện cường độ và khả năng thi công.

So với bê tông sử dụng cát tự nhiên, bê tông đá mi có độ bền cơ học tương đương, thậm chí cao hơn trong một số trường hợp do đặc tính khoáng vật của đá andesite và ryolit. Tuy nhiên, độ sụt thấp hơn đòi hỏi quy trình bảo dưỡng nghiêm ngặt hơn để đảm bảo chất lượng công trình.

Việc phối trộn đá mi với cát mịn tự nhiên giúp khắc phục hạn chế về thành phần hạt chưa đạt chuẩn của đá mi, đồng thời giảm giá thành sản phẩm so với việc nghiền đá mi đạt tiêu chuẩn hạt. Điều này phù hợp với điều kiện kinh tế và công nghệ hiện tại của địa phương.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ nén, độ sụt và độ mài mòn giữa các mẫu bê tông sử dụng cát tự nhiên và hỗn hợp đá mi-cát, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của việc thay thế vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phối trộn đá mi và cát tự nhiên với tỷ lệ 50-70% đá mi trong sản xuất bê tông xi măng làm mặt đường ô tô tại huyện Đơn Dương nhằm đảm bảo chất lượng và tiết kiệm chi phí. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp khai thác và sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Nâng cao công nghệ nghiền và phân loại đá mi để kiểm soát hàm lượng hạt mịn trong khoảng 5-10%, đảm bảo tính công tác và cường độ bê tông. Thời gian: 2 năm. Chủ thể: các nhà máy sản xuất đá mi và cơ quan quản lý địa phương.

  3. Xây dựng quy trình bảo dưỡng bê tông nghiêm ngặt khi sử dụng đá mi, đặc biệt chú trọng giữ ẩm liên tục trong 7 ngày đầu để hạn chế độ co ngót và nứt nẻ. Thời gian áp dụng: ngay khi triển khai thi công. Chủ thể: nhà thầu thi công và giám sát công trình.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng phụ gia siêu dẻo để cải thiện tính công tác và giảm lượng nước trong hỗn hợp bê tông sử dụng đá mi, nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình. Thời gian: 3 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  5. Tăng cường tuyên truyền và đào tạo kỹ thuật cho các bên liên quan về lợi ích và kỹ thuật sử dụng đá mi trong xây dựng bê tông xi măng, góp phần nâng cao nhận thức và áp dụng rộng rãi. Thời gian: liên tục. Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước, trường đại học và các tổ chức chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông vận tải: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách sử dụng vật liệu thay thế cát tự nhiên, góp phần phát triển bền vững hạ tầng giao thông nông thôn.

  2. Doanh nghiệp khai thác và sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình sản xuất đá mi, phối trộn bê tông xi măng phù hợp với điều kiện địa phương, nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm.

  3. Nhà thầu thi công công trình giao thông: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và quy trình bảo dưỡng bê tông sử dụng đá mi, đảm bảo chất lượng công trình và giảm chi phí vận chuyển vật liệu.

  4. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng: Là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng thay thế, phát triển công nghệ bê tông xi măng phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đá mi có thể hoàn toàn thay thế cát tự nhiên trong bê tông xi măng không?
    Đá mi có thể thay thế một phần lớn cát tự nhiên (50-70%) trong bê tông xi măng mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật. Tuy nhiên, việc phối trộn với cát mịn tự nhiên giúp cải thiện tính chất bê tông và giảm chi phí.

  2. Hàm lượng hạt mịn trong đá mi ảnh hưởng thế nào đến bê tông?
    Hàm lượng hạt mịn từ 5-10% giúp tăng cường độ và tính công tác của bê tông. Nếu vượt quá 10%, bê tông có thể bị tăng độ co ngót, giảm cường độ và khó thi công.

  3. Quy trình bảo dưỡng bê tông sử dụng đá mi có khác gì so với bê tông cát tự nhiên?
    Bê tông sử dụng đá mi cần bảo dưỡng nghiêm ngặt hơn, đặc biệt giữ ẩm liên tục trong 7 ngày đầu để hạn chế nứt do co ngót và đảm bảo phát triển cường độ tối ưu.

  4. Sử dụng đá mi có giúp giảm chi phí xây dựng không?
    Có, sử dụng đá mi tận dụng nguồn vật liệu địa phương giúp giảm chi phí vận chuyển và khai thác cát tự nhiên, đồng thời giảm tác động môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế.

  5. Có thể sử dụng phụ gia để cải thiện bê tông đá mi không?
    Có, phụ gia siêu dẻo và các loại phụ gia giảm nước giúp cải thiện tính công tác, giảm lượng nước trộn, tăng cường độ và tuổi thọ bê tông sử dụng đá mi.

Kết luận

  • Đá mi tại huyện Đơn Dương có trữ lượng lớn, chất lượng đá gốc cao, phù hợp để sản xuất bê tông xi măng thay thế cát tự nhiên.
  • Hàm lượng hạt mịn trong đá mi từ 5-10% là tối ưu để đạt cường độ và tính công tác tốt cho bê tông.
  • Bê tông sử dụng hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên đạt cường độ nén 36 MPa, độ mài mòn ≤ 0.3 g/cm², đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mặt đường ô tô cấp I, II.
  • Việc sử dụng đá mi góp phần giảm chi phí, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững hạ tầng giao thông địa phương.
  • Khuyến nghị áp dụng phối trộn đá mi-cát, nâng cao công nghệ nghiền, quy trình bảo dưỡng và sử dụng phụ gia để tối ưu hóa chất lượng bê tông.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng thực tế, đồng thời đào tạo kỹ thuật và hoàn thiện quy chuẩn sử dụng đá mi trong xây dựng đường bê tông xi măng.