Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu (mã số 62.09) của nghiên cứu sinh Tống Tôn Kiên, được bảo vệ năm 2016 tại Trường Đại học Xây dựng dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TSKH Phùng Văn Lự và TS. Lê Trung Thành, tập trung giải quyết bài toán tái sử dụng phế thải xây dựng làm cốt liệu chế tạo bê tông chịu lực.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, quá trình đô thị hóa và xây dựng làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên phục vụ sản xuất cốt liệu bê tông, đồng thời việc khai thác cốt liệu tự nhiên gây tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Mặt khác, các hoạt động phá dỡ, cải tạo công trình thải ra lượng phế thải xây dựng rất lớn chưa được tận dụng. Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2009 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, ngành xây dựng thải ra khoảng 1,8 triệu tấn phế thải xây dựng, chiếm khoảng 10–15% tổng lượng chất thải rắn. Thực hiện Nghị quyết số 34/2007/NQ-CP của Chính phủ về việc cải tạo chung cư cũ tại các đô thị, lượng phế thải xây dựng phát sinh được dự báo tăng lên 3,3 triệu tấn vào năm 2016 và 4,3 triệu tấn vào năm 2020. Chiến lược quốc gia về quản lý chất thải rắn đến năm 2025 cũng đặt mục tiêu tỷ lệ thu gom/tái chế phế thải xây dựng các năm 2015, 2020, 2025 lần lượt đạt 50/30%, 80/50% và 90/60%.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Hạt cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng có độ rỗng cao, độ hút nước lớn, cường độ thấp và chứa lượng vữa xi măng cũ bám dính làm suy giảm vùng giao diện chuyển tiếp (ITZ), dẫn đến việc suy giảm chất lượng và độ bền của bê tông. Do đó, các nghiên cứu trên thế giới phần lớn mới chỉ dừng lại ở việc thay thế cốt liệu lớn với tỷ lệ hạn chế và khuyến cáo không dùng cốt liệu nhỏ tái chế ở hàm lượng cao. Việc nghiên cứu thay thế đồng thời 100% cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ tái chế để chế tạo bê tông chịu lực, cũng như đánh giá ứng xử cơ học của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng nguồn cốt liệu này, là vấn đề khoa học chưa được làm rõ tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  • Nghiên cứu chế tạo bê tông thường (mác tới M30) sử dụng cốt liệu bê tông tái chế đạt tính năng tương đương bê tông sử dụng cốt liệu đá tự nhiên, trên cơ sở sử dụng hai hệ chất kết dính là hỗn hợp xi măng - xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) và chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK).

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm 3 nội dung:

  1. Các quy luật ảnh hưởng của loại và hàm lượng cốt liệu lớn tái chế, cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải bê tông đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
  2. Sự ảnh hưởng của các biện pháp nâng cao chất lượng bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế.
  3. Ứng xử cơ học của bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế kết hợp với chất kết dính xi măng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng - XLCNM hoặc chất kết dính xỉ kiềm.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Nguồn phế thải: Luận án giới hạn nghiên cứu trên cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông xi măng có chất lượng tương đối ổn định, được thu gom từ quá trình phá dỡ các kết cấu chịu lực của công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
  • Bê tông nghiên cứu: Bê tông thường có độ sụt thiết kế $10 \pm 2$ cm; tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 0% đến 100%.
  • Hệ chất kết dính khảo sát: Xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn, chất kết dính hỗn hợp xi măng kết hợp xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn, và chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các mốc lịch sử từ thời La Mã với việc dùng gạch vỡ làm bê tông dẫn nước Eiffel ở Cologne, quá trình tái thiết tại Đức sau Chiến tranh thế giới thứ hai, cho đến các công nghệ tái chế hiện đại của CDE và mô hình nhà máy xử lý tại Rotterdam (Hà Lan). Về mặt học thuật, tác giả tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới:

Về ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ nén và tính chất cơ lý:

  • Oliveira và Vasquez nghiên cứu thấy cường độ nén giảm 10% khi thay thế 100% cốt liệu lớn bê tông tái chế, phụ thuộc vào độ ẩm của cốt liệu.
  • Topçu và Sengel chỉ ra mức giảm cường độ nén là 23,5% đối với cấp độ bền C16 và 33% đối với cấp độ bền C20 khi thay thế 100% cốt liệu lớn tái chế.
  • Gomez-Soberon khảo sát cốt liệu lớn tái chế từ tường gạch ngâm nước trước 10 phút, tỷ lệ suy giảm cường độ nén ở các mức thay thế thể tích 15%, 30% và 100% lần lượt là 2%, 5% và 11,5%.
  • Kou và Poon nhận thấy ở trạng thái bão hòa khô bề mặt, cường độ nén giảm 4–6% khi thay thế 20% cốt liệu lớn, giảm 13–17% khi thay thế 50% và giảm 16–22% khi thay thế 100%.
  • Khatib khảo sát cốt liệu nhỏ tái chế thay thế theo thể tích ở mức 25%, 75% và 100% với tỷ lệ N/X = 0,5, mức suy giảm cường độ nén tương ứng từ 24,5% đến 36%.
  • Yang và cộng sự ghi nhận cường độ nén giảm 5,7% khi thay thế 100% cốt liệu lớn ở tỷ lệ N/X = 0,47 và độ sụt 24 mm.
  • Etxeberria M. ghi nhận cường độ giảm từ 20–25% khi thay thế toàn bộ cốt liệu lớn tái chế.
  • Sri Ravindrajah và Tam cùng các cộng sự ghi nhận cường độ kéo uốn của bê tông giảm tới 20–31% và mô đun đàn hồi giảm từ 5% đến 35% khi thay thế 100% cốt liệu tái chế do ảnh hưởng của lớp vữa cũ bám dính.

Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu tái chế đến cường độ nén được tác giả trích dẫn từ tài liệu quốc tế:

Tác giả nghiên cứu Loại cốt liệu tái chế Tỷ lệ giảm cường độ nén (%) Hàm lượng thay thế (%) Ghi chú điều kiện thí nghiệm
Oliveira và Vasquez Cốt liệu lớn tái chế 10 100 Phụ thuộc độ ẩm cốt liệu
Topçu và Sengel Cốt liệu lớn tái chế 23,5 / 33 100 Bê tông mác C16 / C20
Gomez-Soberon Cốt liệu tái chế từ tường gạch 2 / 5 / 11,5 15 / 30 / 100 Thay thế theo thể tích, ngâm nước 10 phút
Kou và Poon Cốt liệu lớn tái chế 4–6 / 13–17 / 16–22 20 / 50 / 100 Trạng thái bão hòa khô bề mặt
Khatib Cốt liệu nhỏ tái chế 24,5–25 / 36 25–75 / 100 Thay thế theo thể tích, tỷ lệ N/X = 0,5
Yang và cộng sự Cốt liệu lớn tái chế 5,7 100 Tỷ lệ N/X = 0,47, độ sụt 24 mm

Về độ hút nước, biến dạng co ngót và quan hệ ứng suất - biến dạng:

  • Poon và các cộng sự nhận định độ hút nước tăng theo hàm lượng cốt liệu tái chế, đạt mức gấp 2,2 lần khi thay thế 80%.
  • Soutsos M. và cộng sự chỉ ra độ hút nước mao quản của gạch bê tông dùng cốt liệu tái chế cao hơn 1,75–3,0 lần.
  • Domingo và cộng sự ghi nhận độ co khô tăng khi tăng tỷ lệ cốt liệu tái chế, có thể lên tới 100% biến dạng so với bê tông thường.
  • Guncan, Xiao và cộng sự, Pereira P. và cộng sự phân tích đường cong ứng suất - biến dạng, chỉ ra sự suy giảm độ cứng sớm và suy giảm độ dẻo của bê tông cốt liệu tái chế, đồng thời phụ gia siêu dẻo giúp cải thiện ứng suất kéo.

Về các giải pháp cải thiện chất lượng cốt liệu tái chế:

  • Masato Tsujino sử dụng dầu khoáng và silane để xử lý bề mặt cốt liệu lớn, giúp giảm độ hút nước 5–10% và giảm co khô 10%.
  • Valerie Spaeth, Assia Djerbi Tegguer, K. Ayano ứng dụng ngâm tẩm silane hình thành lớp phủ kỵ nước.
  • Sallehan Ismail và Mahyuddin Ramli kết hợp ngâm axit loãng loại bỏ vữa cũ và ngâm tẩm canxi silicat (CS).
  • Các phương pháp nhiệt cơ như gia nhiệt 300°C làm giòn vữa xi măng kết hợp máy nghiền ma sát, hoặc dùng sóng siêu âm làm sạch bề mặt hạt (làm tăng 7% cường độ nhưng tiêu tốn năng lượng).

Vị trí của luận án: Luận án khắc phục nhược điểm phức tạp, tốn kém của các phương pháp xử lý cơ học, nhiệt học và hóa học ngâm rửa nêu trên bằng cách tiếp cận theo hướng công nghệ vật liệu: cải tiến quy trình trộn ẩm cốt liệu kết hợp biến tính ma trận chất kết dính bằng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) hoặc thay thế hoàn toàn xi măng bằng chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK), cho phép sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế (cả hạt lớn và hạt nhỏ) mà vẫn đảm bảo tính năng chịu lực tương đương bê tông tự nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên các mô hình cấu trúc vi mô của bê tông:

  • Khái niệm vùng giao diện chuyển tiếp (ITZ): Trong bê tông cốt liệu tái chế tồn tại hai vùng ITZ gồm ITZ cũ (giữa cốt liệu tự nhiên ban đầu và vữa xi măng cũ) và ITZ mới (giữa vữa cũ/cốt liệu tái chế và vữa xi măng mới). Vùng tiếp xúc này có độ rỗng cao, giàu tinh thể portlandit ($Ca(OH)_2$) định hướng tạo thành các liên kết yếu.
  • Lý thuyết phân loại hệ thống lỗ rỗng: Dựa trên phân loại kích thước lỗ rỗng (lỗ rỗng vĩ mô 50 nm – 10 μm ảnh hưởng đến tính thấm; lỗ rỗng mao quản trung bình 10–50 nm ảnh hưởng co ngót ở độ ẩm 80%; lỗ rỗng gel 2,5–10 nm và vi lỗ rỗng dưới 2,5 nm ảnh hưởng đến co ngót và từ biến).
  • Cơ chế phản ứng puzơlanic của XLCNM: Các hạt xỉ lò cao nghiền mịn tham gia phản ứng thứ cấp với $Ca(OH)_2$ giải phóng từ quá trình thủy hóa xi măng, tạo thành khoáng hyđrô canxi silicat (C-S-H) bổ sung, làm sít đặc cấu trúc lỗ rỗng và tăng mật độ ITZ.
  • Cơ chế hoạt hóa kiềm của CKDXK: Sự hòa tan các ion canxi, silic, nhôm từ xỉ lò cao trong môi trường dung dịch kiềm hoạt hóa natri silicat và xút ($NaOH$), tạo thành mạng lưới gel vô cơ đặc chắc ở nhiệt độ thường, không sinh ra nhiều $Ca(OH)_2$ tự do như xi măng Portland.
  • Khái niệm nội bảo dưỡng (internal curing): Lượng nước tích trữ trong các lỗ rỗng mao quản của hạt cốt liệu tái chế được nhả dần trong giai đoạn rắn chắc, bù ẩm cho phản ứng thủy hóa tiếp theo của chất kết dính.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị:

  • Thí nghiệm cơ lý tiêu chuẩn: Thực hiện theo TCVN, ASTM, BS EN, JIS bao gồm xác định thành phần cấp phối hạt, độ nén dập trong xi lanh, độ hao mòn Los Angeles, khối lượng thể tích, độ hút nước, độ sụt hỗn hợp bê tông ($SN$), cường độ nén mẫu lập phương ở 7, 28, 91 ngày ($R_n$), cường độ kéo khi uốn mẫu dầm ($R_u$), mô đun đàn hồi tĩnh ($E$), và độ co khô.
  • Phương pháp phân tích phi tiêu chuẩn và hóa lý:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) và huỳnh quang tia X (XRF) trên thiết bị phân tích chuyên dụng để xác định thành phần khoáng và thành phần oxit của xi măng, xỉ lò cao, cốt liệu tái chế.
    • Phân tích nhiệt vi sai (DTA/TG) xác định lượng nước liên kết và các pha khoáng bị phân hủy nhiệt.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để chụp ảnh hình thái vi cấu trúc, phân tích tỷ lệ các nguyên tố tại vùng chuyển tiếp ITZ và nền đá xi măng.
    • Phương pháp xác định hệ số hút nước mao quản ($H_w$) qua việc ngâm mẫu theo thời gian và ghi nhận biến thiên khối lượng.
    • Thí nghiệm đo tổng điện lượng thấm ion clo ($Cl^-$) theo tiêu chuẩn ASTM C1202.
    • Thí nghiệm gia tải uốn dầm bê tông cốt thép: Kích thước dầm thực tế chịu uốn thuần túy tại 2 điểm tải trọng, sử dụng đồng hồ so đo độ võng ($f$), đầu đo biến dạng bê tông ($\varepsilon$), kính hiển vi quang học đo bề rộng và xác định sơ đồ vết nứt trạng thái giới hạn.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thí nghiệm:

  • Xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn.
  • Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) có diện tích bề mặt riêng xác định.
  • Dung dịch kiềm hoạt hóa: Hỗn hợp dung dịch xút rắn 32% ($NaOH$) và dung dịch thủy tinh lỏng natri ($dd Na-Si$) được kiểm soát qua mô đun silic $M_s = \frac{SiO_2}{Na_2O}$ và hàm lượng kiềm $HLK = \frac{Na_2O}{XLCNM} \times 100%$.
  • Cốt liệu tự nhiên: Cát vàng tự nhiên (CV) và đá dăm tự nhiên (ĐD).
  • Cốt liệu tái chế: Thu hồi từ khối phế thải bê tông dầm, cột, sàn phá dỡ, xử lý qua trạm nghiền công suất 40 tấn/giờ, sàng tách thành cốt liệu lớn tái chế (CLLBTTC) và cốt liệu nhỏ tái chế (CLNBTTC).
  • Phụ gia siêu dẻo (PGSD) giảm nước.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng

Chương 1 tổng hợp tình hình phát sinh phế thải xây dựng tại Việt Nam và công nghệ tái chế trên thế giới. Tác giả phân loại 3 mức độ công nghệ tái chế: mức độ 1 sử dụng máy đập hàm di động đơn giản theo chu trình kín hoặc hở; mức độ 2 tích hợp thêm bộ phận tách kim loại bằng từ tính và hệ thống sàng nhiều tầng; mức độ 3 là trạm rửa hoàn chỉnh có bể rửa tạp chất nhẹ và máy ép bùn lọc nước.

Bảng so sánh quy chuẩn kỹ thuật quốc tế đối với cốt liệu tái chế được tác giả trích dẫn:

Chỉ tiêu kỹ thuật BS EN 8500-2:2006 JIS A5021/5022/5023 (Nhật Bản) RILEM BRE Digest 433
Phân loại cốt liệu CLTXTC / CLBTTC Cấp L / Cấp M / Cấp H Cấp I / II / III Cấp I / II / III
Tạp chất gạch, ngói $\le 100%$ / $\le 5%$ Quy định theo cấp $\le 100%$ / $\le 10%$ $\le 100%$ / $\le 10%$ / $\le 50%$
Tạp chất khác (gỗ, nhựa) $\le 1%$ $\le 3,0% / 2,0% / 2,0%$ $\le 5,0% / 1,0% / 1,0%$ $\le 5,0% / 1,0% / 5,0%$
Độ hút nước Không quy định cụ thể $\le 7,0% / 5,0% / 3,0%$ $\le 20,0% / 10,0% / 3,0%$ Không quy định cụ thể
Khối lượng thể tích hạt Không quy định cụ thể $\ge 1500 / 2300 / 2500$ $\text{kg/m}^3$ $\ge 1500 / 2000 / 2400$ $\text{kg/m}^3$ Không quy định cụ thể
Phạm vi áp dụng Chỉ dùng cốt liệu lớn Cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ Chỉ dùng cốt liệu lớn Cốt liệu lớn và hỗn hợp

Về đặc tính kỹ thuật, tác giả nêu rõ:

  • Độ hút nước của cốt liệu tái chế bê tông thường dao động từ 3–12%, từ hỗn hợp phế thải xây dựng là 20–25%, trong khi cốt liệu tự nhiên chỉ từ 0,5–1,2%.
  • Hàm lượng lỗ rỗng của cốt liệu tự nhiên là 1,60%, của cốt liệu tái chế từ bê tông thường lên tới 16,81%, và từ bê tông chất lượng cao là 7,86%.
  • Kích thước lỗ rỗng trong cốt liệu tái chế từ bê tông thường tập trung ở dải mao quản 0,01–1 μm.
  • Khối lượng thể tích hỗn hợp bê tông tái chế giảm 8–15% so với bê tông thường.
  • Mô đun đàn hồi ở tuổi 28 ngày giảm dần khi tăng tỷ lệ cốt liệu tái chế: mẫu 100% cốt liệu tự nhiên đạt 27,7 GPa, khi thay thế 50% cốt liệu tái chế đạt 26,1 GPa, và khi thay thế 100% cốt liệu tái chế giảm xuống còn 18,0 GPa (tương đương 65% so với mẫu đối chứng).

Chương 2. Cơ sở khoa học của việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên trong chế tạo bê tông

Chương 2 luận giải cơ sở khoa học để khắc phục các khuyết tật cố hữu của cốt liệu bê tông tái chế:

  • Phân tích lớp vữa cũ bám dính: Hạt cốt liệu tái chế có cấu trúc không đồng nhất, lớp vữa xốp chứa nhiều vi nứt do tải trọng phá dỡ và quá trình nghiền đập. Lớp vữa này làm tăng lượng nước nhào trộn và gây mất độ sụt nhanh.
  • Cơ sở xử lý ẩm và cải tiến quy trình trộn: Phân tích ba trạng thái ẩm của cốt liệu gồm khô hoàn toàn (Kh), bán bão hòa khô bề mặt (1/2BH), và bão hòa khô bề mặt (BH). Nếu trộn ở trạng thái khô hoàn toàn, cốt liệu hút nước nhanh của hồ xi măng làm giảm tính công tác; nếu bão hòa hoàn toàn, nước tự do bề mặt làm tăng tỷ lệ N/X thực tế tại ITZ. Do đó, phương pháp trộn ẩm có xử lý bề mặt cốt liệu (XLCL đối với cốt liệu lớn và XLV đối với cốt liệu nhỏ) giúp kiểm soát sự chuyển dịch thể tích nước.
  • Cơ sở khoa học của việc sử dụng phụ gia khoáng XLCNM: Hạt xỉ có thành phần hoạt tính $SiO_2$ và $Al_2O_3$ phản ứng với $Ca(OH)_2$ tạo sản phẩm C-S-H có tỷ lệ C/S thấp, điền đầy các lỗ mao quản từ 10–50 nm, gia cố vùng ITZ cũ và mới.
  • Cơ sở khoa học của việc ứng dụng chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK): Phản ứng kiềm hóa phá vỡ các liên kết Si-O-Si và Al-O-Si trong xỉ lò cao, tạo thành khung gel aluminosilicat canxi ngậm nước đặc chắc. Hệ liên kết này có độ kết dính bề mặt cao đối với cốt liệu xốp, triệt tiêu sự hình thành tinh thể portlandit yếu tại bề mặt tiếp xúc.

Chương 3. Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày các thông số kỹ thuật của vật liệu thực nghiệm và quy trình thử nghiệm:

  • Xi măng PC40 Bút Sơn có khối lượng riêng 3,10 $\text{g/cm}^3$, giới hạn độ bền nén sau 28 ngày đạt 48,5 MPa.
  • Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) có khối lượng riêng 2,90 $\text{g/cm}^3$, diện tích bề mặt riêng Blaine đạt 4350 $\text{cm}^2\text{/g}$, hoạt tính puzơlanic cao.
  • Cốt liệu tái chế: Được gia công qua hệ thống nghiền hàm và sàng phân loại. Thành phần cấp phối hạt của CLLBTTC (5–20 mm) và CLNBTTC (0,14–5 mm) được thiết kế phối hợp tương thích với đường cong cấp phối chuẩn theo TCVN 7570:2006.
  • Thiết kế cấp phối: Cấp phối đối chứng (ĐC) dùng cốt liệu tự nhiên; các cấp phối thay thế từng phần và 100% cốt liệu tái chế; cấp phối tối ưu biến tính gồm BTCLTC-a25XLCNM (sử dụng 100% cốt liệu tái chế và 25% XLCNM thay thế xi măng) và BTCLTC-CKDXK7% (sử dụng 100% cốt liệu tái chế kết hợp chất kết dính xỉ kiềm với hàm lượng $Na_2O$ bằng 7% khối lượng xỉ, mô đun silic $M_s$ phù hợp).
  • Quy trình tạo mẫu: Độ sụt duy trì đồng nhất ở mức $10 \pm 2$ cm nhờ điều chỉnh lượng nước trộn hoặc phụ gia siêu dẻo; chế tạo mẫu dầm bê tông cốt thép kích thước $150 \times 200 \times 1500$ mm để thử nghiệm ứng xử chịu uốn.

Chương 4. Nghiên cứu sử dụng cốt liệu bê tông tái chế để chế tạo bê tông

Chương 4 cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm toàn diện về đặc tính của hạt cốt liệu tái chế và các tính chất của hỗn hợp bê tông, bê tông xi măng:

  • Thành phần và cấu trúc hạt cốt liệu tái chế:
    • Hàm lượng ion hòa tan giải phóng từ cốt liệu tái chế: Phân tích chỉ ra lượng ion $Ca^{2+}$ hòa tan cao, đồng thời giải phóng một lượng ion kiềm $Na^+$ và $K^+$. Thí nghiệm độ nở thanh vữa chứng minh cốt liệu bê tông tái chế sử dụng trong nghiên cứu không gây ra phản ứng kiềm - cốt liệu nguy hại.
    • Cường độ nén dập trong xi lanh của CLLBTTC đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn chế tạo bê tông thông thường.
  • Tính chất của hỗn hợp bê tông:
    • Lượng nước trộn yêu cầu để đạt cùng độ sụt $10 \pm 2$ cm tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng thay thế cốt liệu tái chế (tăng từ 5% khi dùng cốt liệu lớn đến 15% khi dùng đồng thời cốt liệu nhỏ).
    • Khối lượng thể tích hỗn hợp bê tông giảm từ 2380 $\text{kg/m}^3$ (mẫu ĐC) xuống còn khoảng 2180–2220 $\text{kg/m}^3$ khi thay thế 100% cốt liệu tái chế.
    • Tốc độ tổn thất độ sụt diễn ra nhanh: sau 60 phút, hỗn hợp bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế ở trạng thái khô bị mất độ sụt mạnh hơn nhiều so với bê tông đối chứng.
  • Tính chất cơ lý và độ bền của bê tông đóng rắn:
    • Cường độ nén ở tuổi 28 ngày: Khi tăng tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tái chế từ 0% lên 25%, 50%, 75% và 100%, cường độ nén giảm dần từ 10% đến 22%. Khi thay thế đồng thời cả 100% cốt liệu lớn và 100% cốt liệu nhỏ, cường độ nén giảm khoảng 25–35% so với mẫu đối chứng.
    • Cường độ uốn ($R_u$): Ở tuổi 28 ngày, cường độ uốn của mẫu sử dụng 100% cốt liệu tái chế giảm khoảng 20–28% so với bê tông đối chứng.
    • Hệ số hút nước mao quản ($H_w$): Hệ số $H_w$ ở các tuổi 7, 28 và 91 ngày tăng rõ rệt khi tăng tỷ lệ cốt liệu tái chế, phản ánh thể tích mao quản hở gia tăng.
    • Biến dạng co khô: Mẫu bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế có độ co khô sau 90 ngày cao hơn khoảng 40–60% so với mẫu dùng cốt liệu tự nhiên.
    • Khả năng thấm ion clo: Tổng điện lượng truyền qua của bê tông cốt liệu tái chế ở tuổi 28 ngày cao hơn mẫu đối chứng, tuy nhiên tốc độ suy giảm điện lượng thấm từ 28 ngày đến 91 ngày diễn ra mạnh do phản ứng thủy hóa tiếp diễn của các hạt xi măng chưa thủy hóa còn sót lại trong vữa cũ.

Chương 5. Nghiên cứu nâng cao chất lượng và thực nghiệm ứng xử cơ học của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

Chương 5 thử nghiệm và chứng minh hiệu quả của hai giải pháp nâng cao chất lượng bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế (cả hạt lớn và hạt nhỏ):

Bảng so sánh tính chất cơ học ở tuổi 28 ngày của các hệ bê tông nghiên cứu:

Ký hiệu loại bê tông Cấp phối chất kết dính Cốt liệu sử dụng Cường độ nén 28 ngày (MPa) Mô đun đàn hồi $E$ (GPa) Tỷ lệ so với bê tông đối chứng (%)
Mẫu ĐC (Đối chứng) 100% Xi măng PC40 100% Cốt liệu tự nhiên 37,2 27,7 100 (chuẩn)
BTCLTC 100% Xi măng PC40 100% Cốt liệu tái chế 26,4 18,0 71,0 (cường độ) / 65,0 ($E$)
BTCLTC-a25XLCNM 75% PC40 + 25% XLCNM 100% Cốt liệu tái chế 36,8 24,5 98,9 (cường độ) / 88,4 ($E$)
BTCLTC-CKDXK7% 100% Xỉ kiềm (7% $Na_2O$) 100% Cốt liệu tái chế 39,5 26,8 106,2 (cường độ) / 96,8 ($E$)

Phân tích vi cấu trúc bằng SEM/EDX:

  • Trong mẫu BTCLTC thông thường, ảnh chụp SEM bộc lộ vùng ITZ lỏng lẻo, nhiều vết nứt tế vi và mật độ lỗ rỗng cao quanh hạt vữa cũ.
  • Trong mẫu BTCLTC-a25XLCNM, phản ứng puzơlanic của xỉ tạo ra mạng lưới C-S-H dạng sợi ngắn đan kết dày đặc, liên kết chặt chẽ vào bề mặt cốt liệu, giảm thiểu tinh thể $Ca(OH)_2$ dạng tấm.
  • Trong mẫu BTCLTC-CKDXK7%, cấu trúc nền đá xỉ kiềm thể hiện tính đồng nhất cao, mật độ liên kết tại ITZ rất đặc chắc, ranh giới giữa vữa cũ và chất kết dính mới gần như bị triệt tiêu, giải thích cho sự phục hồi và gia tăng cường độ nén.

Thực nghiệm ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép:

  • Thí nghiệm dầm chịu tải trọng uốn thuần túy cho thấy quy luật biến dạng và phá hủy của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế diễn ra tương tự dầm sử dụng cốt liệu tự nhiên: vùng nén bê tông bị nén vỡ sau khi cốt thép vùng kéo chảy dẻo.
  • Dầm sử dụng bê tông BTCLTC thông thường có tải trọng xuất hiện vết nứt ban đầu thấp hơn, độ võng ($f$) lớn hơn ở cùng cấp tải trọng và số lượng vết nứt nhiều hơn dầm đối chứng ĐC.
  • Dầm sử dụng bê tông BTCLTC-a25XLCNM và đặc biệt là dầm BTCLTC-CKDXK7% có tải trọng nứt, độ cứng chống uốn, khả năng chịu tải giới hạn và sự phát triển bề rộng vết nứt đạt mức tương đương với dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tự nhiên (ĐC).

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:

  • Luận án đã làm rõ các quy luật ảnh hưởng đồng thời của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải bê tông đến tính công tác, động học suy giảm độ sụt, cường độ nén, cường độ kéo uốn, hệ số hút nước mao quản, độ co khô và khả năng thấm ion clo của bê tông.
  • Luận giải thành công cơ chế hóa lý và vi cấu trúc vùng giao diện chuyển tiếp (ITZ) trong hệ bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế khi biến tính bằng phụ gia khoáng xỉ lò cao nghiền mịn hoặc thay thế bằng chất kết dính xỉ kiềm, thông qua bằng chứng định lượng từ ảnh SEM và phổ EDX.
  • Thiết lập cơ sở khoa học về ứng xử chịu lực uốn, quan hệ tải trọng - độ võng, biến dạng và sự phân bố vết nứt của cấu kiện dầm bê tông cốt thép toàn khối sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế kết hợp hệ chất kết dính xỉ kiềm.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật:

  • Chứng minh tính khả thi kỹ thuật của việc chế tạo bê tông thường mác M30 thay thế hoàn toàn (100%) cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ tự nhiên bằng cốt liệu bê tông tái chế, đạt các chỉ tiêu cơ lý và độ bền tương đương bê tông truyền thống.
  • Đề xuất quy trình công nghệ xử lý ẩm cốt liệu trước khi trộn (phương pháp bán bão hòa khô bề mặt kết hợp quy trình trộn cải tiến) nhằm kiểm soát triệt để hiện tượng mất độ sụt nhanh mà không cần gia tăng lượng nước nhào trộn.
  • Xác định cấp phối tối ưu: sử dụng 25% XLCNM thay thế xi măng poóc lăng, hoặc sử dụng chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa với hàm lượng kiềm 7% $Na_2O$ tính theo khối lượng xỉ, giúp tận dụng đồng thời hai nguồn phế thải công nghiệp rắn (phế thải xây dựng và xỉ lò cao luyện kim).
  • Cung cấp số liệu thực nghiệm dầm chịu uốn làm cơ sở dữ liệu tính toán kết cấu cho các kỹ sư xây dựng khi thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng vật liệu tái chế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

  • Nguồn cốt liệu tái chế trong luận án mới chỉ tập trung khảo sát phế thải bê tông từ các kết cấu chịu lực của công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp có cường độ ban đầu tương đối đồng đều; chưa mở rộng đánh giá phế thải xây dựng hỗn hợp chứa hàm lượng lớn gạch đất sét nung, gạch ốp lát hoặc vữa trát.
  • Cấp độ bền của bê tông nghiên cứu trong luận án dừng lại ở mác M30 phục vụ kết cấu công trình thông thường, chưa khảo sát các cấp bê tông cường độ cao hơn hoặc bê tông tự đầm.
  • Thí nghiệm kết cấu mới tiến hành trên dầm chịu uốn tĩnh trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa đánh giá ứng xử của dầm dưới tác dụng của tải trọng lặp, tải trọng động hoặc trong môi trường xâm thực mặn, chua thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cốt liệu tái chế cho các loại kết cấu chịu lực phức tạp khác như cột chịu nén uốn đồng thời, tấm sàn phẳng và kết cấu vỏ mỏng.
  • Mở rộng khảo sát độ bền lâu dài hạn của bê tông cốt liệu tái chế sử dụng chất kết dính xỉ kiềm trong môi trường xâm thực sunfat, môi trường biển và chu kỳ khô ẩm nhân tạo.
  • Hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN) về phân loại, nghiệm thu cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng và chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế thành phần bê tông sử dụng cốt liệu tái chế tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Vật liệu, Vật liệu Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp: Tài liệu cung cấp phương pháp luận thực nghiệm đồng bộ từ phân tích vi cấu trúc (SEM/EDX, XRD, DTA) đến tính toán cấp phối và kiểm chứng cơ học kết cấu quy mô thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và công nghệ bê tông: Cung cấp trực tiếp các thông số kỹ thuật (mô đun đàn hồi, độ co khô, hệ số hút nước mao quản, tải trọng nứt của dầm) để tham khảo tính toán độ võng và bề rộng khe nứt trong các cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng vật liệu tái chế.
  • Các đơn vị sản xuất bê tông thương phẩm và nhà thầu xử lý môi trường đô thị: Tham khảo quy trình công nghệ nghiền sàng phế thải xây dựng 40 tấn/giờ, phương pháp kiểm soát độ ẩm cốt liệu bán bão hòa trước khi trộn và tỷ lệ phối trộn xỉ lò cao để hạ giá thành sản phẩm và giảm tiêu thụ clanhke xi măng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính khiến cốt liệu bê tông tái chế có tính chất cơ lý kém hơn cốt liệu tự nhiên là gì? Nguyên nhân cốt lõi là do lớp vữa xi măng cũ bám dính trên bề mặt hạt cốt liệu đá tự nhiên ban đầu. Lớp vữa này có độ rỗng cao (hàm lượng rỗng lên tới 16,81%), chứa nhiều vi nứt sinh ra từ quá trình phá dỡ và nghiền đập, làm tăng độ hút nước (3–12% so với 0,5–1,2% của đá tự nhiên) và làm yếu vùng giao diện chuyển tiếp ITZ trong bê tông mới.

  2. Cốt liệu bê tông tái chế ảnh hưởng thế nào đến độ sụt của hỗn hợp bê tông? Do cấu trúc rỗng xốp và độ hút nước cao, nếu đưa vào trộn ở trạng thái khô, cốt liệu tái chế sẽ hút nhanh lượng nước nhào trộn tự do của hồ xi măng, làm gia tăng tốc độ tổn thất độ sụt và làm hỗn hợp bê tông mất tính công tác nhanh chóng trong vòng 30–60 phút sau khi trộn.

  3. Giải pháp nào được luận án chứng minh có thể đưa bê tông dùng 100% cốt liệu tái chế đạt mác M30? Luận án kết hợp đồng thời hai giải pháp: thứ nhất là xử lý ẩm cốt liệu về trạng thái bán bão hòa khô bề mặt (1/2BH) theo quy trình trộn cải tiến; thứ hai là cải thiện ma trận chất kết dính bằng cách thay thế 25% xi măng bằng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM), hoặc thay thế hoàn toàn xi măng bằng chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK) với hàm lượng kiềm 7% $Na_2O$. Cả hai giải pháp này đều giúp phục hồi cường độ nén 28 ngày đạt mức 36,8–39,5 MPa (tương đương và vượt mẫu đối chứng cốt liệu tự nhiên đạt 37,2 MPa).

  4. Dầm bê tông cốt thép sử dụng 100% cốt liệu tái chế có ứng xử chịu uốn khác biệt ra sao so với dầm bê tông cốt liệu tự nhiên? Dầm sử dụng 100% cốt liệu tái chế với xi măng thường có dạng phá hủy uốn tương tự dầm truyền thống (thép kéo chảy trước, bê tông nén vỡ sau), nhưng tải trọng xuất hiện vết nứt ban đầu thấp hơn, độ võng lớn hơn và số lượng vết nứt nhiều hơn. Tuy nhiên, khi kết hợp với chất kết dính xỉ kiềm (BTCLTC-CKDXK7%), khả năng chịu tải giới hạn, độ cứng chống uốn và sơ đồ phân bố vết nứt của dầm được cải thiện đạt mức tương đương dầm sử dụng cốt liệu tự nhiên.

  5. Luận án khảo sát hàm lượng ion hòa tan nào trong cốt liệu bê tông tái chế và kết quả ra sao? Luận án đã phân tích hàm lượng ion hòa tan $Ca^{2+}$, $Na^+$ và $K^+$ trong hạt cốt liệu tái chế nhằm đánh giá nguy cơ xảy ra phản ứng kiềm - cốt liệu. Kết quả đo độ nở thanh vữa theo thời gian xác nhận mức độ giãn nở nằm trong giới hạn an toàn theo quy chuẩn, không xuất hiện hiện tượng phá hủy do phản ứng kiềm - silic.

Kết luận

Luận án của tác giả Tống Tôn Kiên đã giải quyết bài toán tái sử dụng 100% cốt liệu phế thải bê tông trong chế tạo bê tông thường chịu lực đạt mác M30. Bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại kết hợp thực nghiệm cơ học, công trình đã xác lập các quy luật biến thiên tính chất của hỗn hợp bê tông, đồng thời chứng minh hiệu quả nâng cao chất lượng vật liệu thông qua công nghệ trộn ẩm và ứng dụng hai hệ chất kết dính xỉ lò cao nghiền mịn hoặc xỉ kiềm. Kết quả thử nghiệm trên cấu kiện dầm bê tông cốt thép khẳng định khả năng ứng dụng thực tế của bê tông cốt liệu tái chế trong kết cấu chịu lực, đóng góp cơ sở dữ liệu khoa học cho sự phát triển của công nghệ vật liệu xây dựng bền vững tại Việt Nam.