CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Nguồn gốc bêtông: Bêtông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính…theo một tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bêtông). Trong bêtông, chất kết dính (ximăng + nước, phụ gia…) làm vai trò liên kết các cốt liệu thô (đá, sỏi…) và cốt liệu mịn (cát, đá xay…) và khi đóng rắn cho tất cả thành một khối cứng như đá. Kết cấu bêtông được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm: giá thành thấp (do được cấu thành từ các vật liệu tự nhiên sẵn có như cát, đá, sỏi…), khả năng chịu lực lớn, độ bền cao, dễ tạo hình, chống cháy tốt (dưới 400oC thì cường độ bêtong không suy giảm đáng kể), hấp thụ năng lượng (do có khối lượng lớn)…vì vậy bêtông đã được sử dụng phổ biến từ thời La Mã cổ đại, và đến ngày nay vẫn là loại vật liệu được sử dụng phổ biến khi kết hợp với các loại vật liệu khác, đặc biệt là thép.
Hình 1: Đấu trường Collosseum [www. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Tại Việt Nam, các nghiên cứu về ứng dụng vụn bêtông tái chế chưa được công bố rộng rãi trên các tạp chí chuyên ngành nên còn hạn chế trong việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong nước. 1 Luan van Tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, vụn bêtông đã được nghiên cứu sử dụng trong việc chế tạo các loại vật liệu xây dựng, trong trang trí nội thất nhằm tận dụng loại phế thải sẵn có từ việc phá hủy công trình và giảm tác động tới môi trường. Bêtông sau khi phá hủy sẽ được chọn lọc qua máy nghiền tại chỗ thành các kích cỡ hạt khác nhau, sau khi được phân loại sẽ được sử dụng vào các mục đích khác nhau.
Việc nghiền và tái chế bêtông ngay tại công trình sẽ làm giảm chi phí vận chuyển và tình trạng ô nhiễm môi trường. Hình 2: Máy nghiền bêtông [www.Sri Ravindrarajah và C.Tam [1] đã nghiên cứu các đặc trưng của bêtông khi sử dụng vụn bêtông thay thế cốt liệu tự nhiên. Kết quả nghiên cứu cho thấy thay thế cốt liệu tự nhiên bằng vụn bêtông làm ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và mođun đàn hồi của bêtông. Ngoài ra kết quả nghiên cứu còn cho thấy khả năng chế tạo bêtông có cường độ cao hơn cường độ của vụn bêtông tái chế.
Liên minh các phòng thí nghiệm và chuyên gia quốc tế về các hệ thống và cấu trúc vật liệu xây dựng (RILEM) [2] đã cung cấp khuyến cáo về việc sử dụng cốt liệu bêtông tái chế vào năm 1994 [RILEM Recommendation 1994], đặc điểm kỹ thuật và chỉ ra phạm vi áp dụng cho bêtông tái chế. Bêtông tái chế được phân loại như sau: 2 Luan van - Loại 1: Cốt liệu tái chế có nguồn gốc chủ yếu từ đống đổ nát (bao gồm gạch và bêtông, vữa lẫn). - Loại 2: Cốt liệu tái chế có nguồn gốc từ bêtông. - Loại 3: Cốt liệu là sự pha trộn của cốt liệu tái chế và cốt liệu tự nhiên, thành phần có ít nhất 80% cốt liệu tự nhiên và tối đa 10% cốt liệu loại 1.
Mirjana Malesev, Vlastimir Radonjanin và Snezana Marinkovic [3] đã nghiên cứu sản xuất kết cấu bêtông từ vụn bêtông tái chế. Nghiên cứu thay thế đá tự nhiên bằng vụn bêtông tái chế với tỷ lệ 50% và 100% trong chế tạo cấu kiện dầm bêtông cốt thép cho thấy khả năng chịu lực của dầm không có ảnh hưởng đáng kể khi sử dụng vụn bêtông thay thế cốt liệu đá tự nhiên. Brett Micheal Schoppe [4] đã thực nghiệm về ảnh hưởng của tỷ lệ vụn bêtông đến cường độ bêtông. Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc tăng tỷ lệ vụn trong hỗn hợp bêtông làm giảm cường độ bêtông từ 5% đến 30%.
Ngoài ra, tỷ lệ vụn bêtông cũng ảnh hưởng đến độ co ngót của bêtông do tính chất hút nước của vụn bêtông cao hơn độ hút nước của đá tự nhiên. Mirjana Malesev, Vlastimir Radonjanin và Gordana Broceta [6] đã nghiên cứu các đặc trưng của vụn bêtông tái chế. Kết quả nghiên cứu cho thấy vụn bêtông tái chế có độ hút nước cao hơn, khối lượng thể tích thấp hơn, hàm lượng hữu cơ cao, làm giảm độ kháng ma sát của bêtông so với khi sử dụng vật liệu tự nhiên. Sự hiện diện của vụn bêtông tái chế trong hỗn hợp bêtông làm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu kéo, chịu nén và mođun đàn hồi của bêtông.Các ứng dụng trong và ngoài nước 1.1 Chế tạo gạch block từ bê tông gạch vỡ tại Sơn La-Việt Nam: Tại Sơn La [7] Công ty Cổ phần Xây dựng và Thương mại An Phát đã nghiên cứu và cho ra đời sản phẩm gạch Block được hình thành từ đá vụn, cát, xi măng, từ phế thải xây dựng như gạch vỡ, vữa, bê tông.
có cường độ chịu lực cao có thể xây nhà cao tầng. Đến năm 2015, dự án đã sản xuất thử nghiệm được trên 10.000 viên gạch, tiếp thu, làm chủ và áp dụng thành công quy trình công nghệ sản xuất gạch 3 Luan van không nung bằng công nghệ đất hóa đá từ nguyên liệu sẵn có của địa phương. Qua nghiên cứu về tính tiên tiến của công nghệ cho thấy công nghệ sản xuất gạch không nung từ đất đồi và nguyên liệu có sẵn không gây ô nhiễm môi trường (do không thải khói bụi và chất thải ra môi trường, làm sạch thêm môi trường do tận thu các phế thải sản xuất công nghiệp như: bã thải khai thác khoáng sản, sỉ than, gạch vỡ…); kiểu dáng gọn; không sử dụng nhiệt nên tiết kiệm năng lượng.2 Chế tạo gạch block từ bê tông tái chế tại Nam Phi: Vụn bêtông cỡ hạt mịn và nhỏ được tái sử dụng làm cốt liệu cho việc sản xuất gạch block. Hình 3 : Gạch không nung sử dụng vụn bêtông [https://ecofootprintsa.3 Đường giao thông nội bộ sử dụng vụn bêtông tại Newzealand: Bêtông phế thải được nghiền sử dụng làm nền hạ (subbase) trong đường giao thông, thông thường ở Việt Nam đang sử dụng đá 0x4 loại 1 và loại 2 để làm nền hạ.
4 Luan van Hình 4 :Cấu tạo đường giao thông sử dụng phế thải bêtông [www.nz] Hình 5 :Nền hạ đường giao thông sử dụng phế thải bêtông [www.4 Đường cao tốc sử dụng vụn bêtông tại Mỹ: Cơ quan Vận tải Liên bang Hoa Kỳ (STA) [8] trong nhiều năm qua đã đẩy mạnh việc sử dụng thường xuyên bê tông tái chế như một dạng cốt liệu. Các thông số kỹ thuật, thực tiễn xây dựng và các thách thức trong việc thực hiện cũng được cơ quan này ghi lại và nghiên cứu. Thông tin này sau đó được phổ biến cho tất cả các cơ quan vận tải các bang thông qua các hướng dẫn kỹ thuật, đào tạo nếu cần. Cơ quan Vận tải Liên bang Hoa Kỳ đã lựa chọn các tiểu bang Minnesota, Utah, Virginia, Texas và Michigan để nghiên cứu kỹ lưỡng quy trình tổng hợp 5 Luan van cốt liệu bê tông tái chế tại các khu vực này.
Sau khảo sát, STA đã đưa ra 5 số liệu để mô tả mức độ sử dụng cốt liệu bê tông tái chế ở từng bang. Kết luận được STA rút ra từ những con số này cho thấy: Bê tông thường được tái chế để sử dụng làm đường cao tốc ở Hoa Kỳ; Ứng dụng chính của RCA ở Hoa Kỳ được coi như một vật liệu cơ bản; Việc sử dụng RCA trong nhựa đường nóng (HMA) vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi ở Hoa Kỳ.5 Dự án cải tạo sân bay Changi - Singapore: Tại Singapore [5] cốt liệu bê tông tái chế đã được sử dụng để xây dựng và cải tạo nhiều công trình, trong đó có việc xây dựng cảng xuất nhập khẩu tại Sân bay quốc tế Changi. Tập đoàn sân bay Changi đã khởi xướng dự án sử dụng bê tông tái chế từ việc phá dỡ các công trình quanh sân bay để tái tạo mặt sàn cứng cho máy bay. Dự án đã thể hiện tính khả thi của việc sử dụng RCA như một giải pháp thay thế cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông để xây dựng.
Để khắc phục mặt sàn cứng đã bị hỏng hóc, máy cắt thủy lực và bê tông phế liệu đã được vận chuyển đến cơ sở tái chế gần đó để chế biến. Phế liệu này chủ yếu là bê tông nghiền, kim loại màu. Việc chế biến được thực hiện bằng cách sử dụng máy nghiền di động kết hợp với hệ thống băng tải. Các quy trình chính bao gồm nghiền, sàng lọc RCA theo kích cỡ yêu cầu cho ứng dụng bê tông.
Hình 6 Tái sử dụng vụn bêtông, Sân bay Changi – Singapore 6 Luan van 1. Những khó khăn trong ứng dụng vụn bêtông: Việc sử dụng phế thải bêtông trong chế tạo bêtông tại công trình đòi hỏi mặt bằng thi công rộng để bố trí khu vực nghiền và phân loại phế thải bêtông. Bêtông sử dụng phế thải bêtông chưa được quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam nên việc áp dụng vào công trình nhà nước sẽ gặp nhiều khó khăn. Các công trình nghiên cứu ứng dụng thực tế sử dụng phế thải bêtông trong chế tạo bêtông tại Việt Nam chưa nhiều và chưa được công bố rộng rãi.
Cần thí nghiệm các chỉ tiêu phế thải bêtông trước khi ứng dụng vào từng công trình cụ thể. Do cường độ phế thải bêtông thường nhỏ hơn đá tự nhiên nên khó sử dụng trong chế tạo bêtông mác cao. Chế tạo bêtông từ phế thải bêtông đòi hỏi chi phí cao (tham khảo bảng tổng hợp chi phí thi công đường sân golf sử dụng vụn bêtông [9]). Bảng 1 Chi phí thi công đường sân golf sử dụng vụn bêtông Khối lượng Giá tiền Giá trị tổng (m³) (USD/m³) USD AP65 (concrete) 2,400 16 38,400 AP40 (concrete) 600 24 14,400 Bê tông tái chế 520 130 67,600 120,400 Bảng 2 Chi phí thi công đường sân golf sử dụng cốt liệu tự nhiên Khối lượng Giá tiền Giá trị tổng (m³) (USD/m³) USD AP65 (concrete) 2,400 8 19,200 AP40 (concrete) 600 12 7,200 Hỗn hợp nhựa nóng 520 150 78,000 104,400 1.
Những thuận lợi trong sử dụng phế thải bêtông: Bêtông được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam nên phế thải bêtông dễ tìm. 7 Luan van Sử dụng phế thải bêtông làm vật liệu xây dựng góp phần bảo vệ môi trường. Trong xu hướng phát triển chung của ngành vật liệu xây dựng, việc sử dụng loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường được khuyến khích cũng như việc hạn chế khai thác các loại tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt như đá, cát… sẽ giúp việc ứng dụng phế thải bêtông vào chế tạo bêtông được phát triển rộng rải.