ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình xây dựng, chúng ta đang sử dụng một lượng lớn các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này có hạn và việc khai thác cốt liệu tự nhiên (CLTN) sẽ tác động lớn đến môi trường sinh thái. Trong khi đó, việc xây dựng, cải tạo nâng cấp và phá dỡ các công trình, sẽ thải ra lượng lớn phế thải xây dựng (PTXD). Nhưng lượng phế thải này lại chưa được tận dụng, gây ô nhiễm môi trường.
Vì thế, nhiều nước trên thế giới đã và đang nỗ lực tìm kiếm mọi cách để có thể sử dụng lại và tái chế các loại PTXD nhằm giải quyết đồng thời các vấn đề trên. Trong những năm gần đây, PTXD ở nước ta phát sinh ngày càng nhiều và chưa được tái sử dụng. Theo báo cáo môi trường quốc gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường [17], năm 2009 ngành xây dựng thải ra môi trường xấp xỉ 1,8 triệu tấn PTXD, chiếm khoảng 10-15% tổng lượng phế thải rắn. Theo Nghị quyết số 34/2007/NQ-CP của Chính phủ [16], đến năm 2015 sẽ cơ bản hoàn thành việc phá dỡ, cải tạo các khu chung cư cũ ở các đô thị lớn, vì thế lượng PTXD sẽ tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới.
Dự kiến đến năm 2016, lượng PTXD sẽ tăng lên khoảng 3,3 triệu tấn và 4,3 triệu tấn vào năm 2020. Trong khi đó, ở một số khu vực lại thiếu trầm trọng cốt liệu cho bê tông vì lý do bảo môi trường ngày càng khắt khe, khả năng cung cấp các loại cốt liệu tự nhiên chất lượng cao ngày càng hạn chế. Do đó việc tái chế PTXD cũng như tăng cường sử dụng các loại cốt liệu tái chế (CLTC) từ PTXD được cho là biện pháp hiệu quả. Theo chiến lược quốc gia về quản lý chất thải rắn đến năm 2025 [4], tỷ lệ thu gom trên tổng PTXD tái chế của Việt Nam trong các năm 2015 là 50/30 và phấn đấu các năm 2020, 2025 tương ứng sẽ là 80/50, 90/60.
Vì vậy việc nghiên cứu tái sử dụng PTXD có tính cấp thiết. Ở Việt Nam và trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông (CLBTTC) nói riêng cũng như CLTC từ hỗn hợp PTXD nói chung để làm vật liệu móng đường giao thông, vật liệu gia cố đất, cốt liệu cho chế tạo vữa và bê tông.v… Tuy nhiên, do hạt CLTC có độ rỗng lớn, độ hút nước lớn, cường độ cơ học thấp, có nhiều tạp chất bám trên bề mặt hạt cốt liệu nên làm giảm mối liên kết giữa đá xi măng và cốt liệu,v. dẫn đến chất lượng bê tông sử dụng CLTC thấp, đặc biệt là độ bền lâu của các loại bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế 2 từ phế thải bê tông (CLNBTTC) hoặc cốt liệu tái chế từ phế thải tường xây gạch (CLTXTC). Cho nên, các nghiên cứu trên thế giới chỉ tập trung sử dụng cốt liệu lớn tái chế từ phế thải bê tông và hạn chế sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế với hàm lượng lớn trong bê tông.
Các loại kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) chịu lực sử dụng CLBTTC cũng còn ít được quan tâm nghiên cứu. Vì vậy việc nghiên cứu tận dụng 100% CLBTTC trong chế tạo các loại bê tông chịu lực là hướng nghiên cứu khoa học mới cần đi sâu làm rõ và rất cần thiết ở Việt Nam. Luận án: “Nghiên cứu sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê tông” chỉ tập trung nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm bê tông sử dụng CLTC từ phế thải bê tông thay thế CLTN. Đây là loại PTXD điển hình của các công trình xây dựng bị phá dỡ ở Việt Nam.
Luận án sẽ nghiên cứu làm rõ các quy luật, mối liên hệ giữa loại và hàm lượng CLBTTC với các tính chất của bê tông và thử nghiệm các giải pháp nâng cao chất lượng của loại bê tông sử dụng 100% CLBTTC. Đồng thời, luận án cũng nghiên cứu về ứng xử cơ học của các kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng CLBTTC nhằm khẳng định khả năng ứng dụng loại bê tông này trong kết cấu chịu lực thường gặp trong công trình xây dựng ở Việt Nam. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu của luận án là: Nghiên cứu chế tạo bê tông thường (mác tới M30) sử dụng CLBTTC đạt tính năng tương đương bê tông sử dụng cốt liệu đá tự nhiên (CLTN), 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 VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu bao gồm: - 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.
- Sự ảnh hưởng của các biện pháp nâng cao chất lượng bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế. - Ứng xử cơ học của bê tông sử dụng 100% CLBTTC kết hợp với chất kết dính xi măng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng- XLCNM hoặc CKDXK. 3 Phạm vi nghiên cứu bao gồm: - PTXD có nhiều loại với chất lượng khác nhau, nhưng trong luận án chỉ nghiên cứu CLTC từ phế thải bê tông xi măng có chất lượng tương đối ổn định, được phá dỡ từ các kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng nhà dân dụng và công nghiệp. - Hỗn hợp bê tông thường sử dụng CLBTTC thay thế CLTN từ 0-100%, có độ sụt là 10±2cm.
- Chất kết dính sử dụng gồm: xi măng poóc lăng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng với XLCNM; chất kết dính xỉ kiềm 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Với mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu như trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: - Tổng quan tình hình nghiên cứu, sử dụng CLTC thay thế cốt liệu tự nhiên trong sản xuất bê tông trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đề xuất các vấn đề khoa học cần giải quyết. - Phân tích các đặc tính của hạt CLBTTC và lựa chọn các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo hỗn hợp bê tông. - Nghiên cứu ảnh hưởng của loại và hàm lượng CLBTTC thay thế CLTN đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông xi măng chịu lực.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến chất lượng của bê tông sử dụng 100% CLBTTC. - Nghiên cứu phân tích ứng xử chịu uốn của dầm BTCT có 100% CLBTTC. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (tài liệu) kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn và một số phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, phương pháp chưa đưa vào tiêu chuẩn.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Qua các kết quả nghiên cứu, luận án có một số đóng góp mới như sau: 4 Đã chứng minh được khả năng chế tạo bê tông thường chịu lực sử dụng CLBTTC. Bằng kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án cũng khẳng định khi sử dụng hỗn hợp chất kết dính xi măng- xỉ lò cao nghiền mịn hoặc chất kết dính xỉ kiềm, kết hợp với xử lý trộn ẩm cốt liệu thì có thể chế tạo được bê tông sử dụng 100% CLBTTC đạt mác M30, đồng thời cải thiện các tính chất khác của bê tông lên mức tương đương bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Đây là cơ sở cho việc sử dụng CLBTTC trong sản xuất bê tông ở nước ta sau này. Đã nghiên cứu phân tích làm rõ đặc điểm cấu tạo, tính chất của hạt CLBTTC và của bê tông sử dụng CLTC so với CLTN và bê tông thường.
Đã phân tích được ứng xử uốn của các dầm BTCT, từ đó chứng minh được có thể sử dụng 100% CLBTTC thay thế CLTN kết hợp với chất CKDXK để chế tạo dầm BTCT có khả năng chịu lực tương đương dầm bê tông có CLTN. Những kết quả này là cơ sở tính toán thiết kế và xem xét ứng dụng loại bê tông này để chế tạo kết cấu dầm BTCT chịu uốn trong công trình xây dựng ở Việt Nam. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN Luận án vừa có ý nghĩa khoa học giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn liên quan đến việc tái sử dụng CLBTTC trong chế tạo bê tông, vừa là tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, học viên và sinh viên chuyên ngành ở Việt Nam. Ý nghĩa khoa học của luận án: - Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra và làm rõ các quy luật ảnh hưởng của CLBTTC đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông như sau: + Giá trị tổn thất độ sụt và tốc độ giảm độ sụt tăng khi tăng hàm lượng sử dụng CLBTTC.
+ Cường độ của bê tông sử dụng CLBTTC giảm, nhất là khi sử dụng cả CLNBTTC. + Độ co khô của bê tông sử dụng CLBTTC lớn hơn của bê tông sử dụng CLTN, nhưng quy luật phát triển độ co của các loại bê tông này tương tự như nhau. + Độ thấm ion clo của BTCLTC lớn hơn của BTCLTN. Tuy nhiên, ở tuổi dài ngày độ thấm ion clo của BTCLTC giảm mạnh.
5 - Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: có thể sử dụng chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng và XLCNM hoặc thay thế xi măng poóc lăng bằng CKDXK kết hợp với việc trộn ẩm cốt liệu để cải tiện tính chất của bê tông sử dụng CLBTTC. Đề tài đã xác định được một số luận điểm khoa học mới khi sử dụng các chất kết dính này đó là: + Xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn cải thiện được khả năng tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông còn CKDXK làm tăng khả năng mất độ sụt của hỗn hợp bê tông. + Với hàm lượng XCLNM sử dụng thích hợp (25% so với khối lượng xi măng) và CKDXK với hàm lượng kiềm hợp lý (7% Na2O so với khối lượng XLCNM), có khả năng làm tăng cường độ bê tông sử dụng CLBTTC lên đạt và vượt cường độ của BTCLTN. - Luận án cũng chỉ ra rằng khi sử dụng BTCLTC để chế tạo dầm BTCT thì sự làm việc của dầm tương tự như dầm BTCT sử dụng CLTN.
Tuy nhiên khả năng chịu tải trong uốn của dầm nhỏ hơn, vết nứt xuất hiện sớm hơn và số lượng vết nứt nhiều hơn.