Tổng quan nghiên cứu

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng chiếm tỷ trọng lớn trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, với thành phần chính gồm xi măng, cát và đá. Theo ước tính, việc khai thác cốt liệu tự nhiên phục vụ sản xuất bê tông đã gây ra áp lực lớn lên môi trường và làm cạn kiệt nguồn tài nguyên quốc gia. Đồng thời, các công trình xây dựng có tuổi thọ hữu hạn, khi bị phá dỡ tạo ra lượng lớn phế thải bê tông cần xử lý. Việc tái sử dụng vụn bê tông thay thế một phần đá tự nhiên trong hỗn hợp bê tông không chỉ giảm chi phí xử lý phế thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng vụn bê tông tái chế thay thế một phần đá tự nhiên đến các chỉ tiêu cơ lý của bê tông, đặc biệt là cường độ chịu nén và khả năng làm việc của cấu kiện dầm bê tông cốt thép. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi vật liệu vụn bê tông có kích thước hạt tối đa 20 mm, thu thập từ các mẫu bê tông thí nghiệm tại Việt Nam, với các tỷ lệ thay thế từ 20% đến 100%. Thời gian nghiên cứu tập trung vào các giai đoạn phát triển cường độ bê tông ở 7, 14 và 21 ngày tuổi.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vụn bê tông tái chế trong sản xuất bê tông, góp phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm thiểu tác động môi trường và chi phí xây dựng. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà quản lý, kỹ sư và nhà sản xuất trong việc lựa chọn cấp phối bê tông phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

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 vật liệu xây dựng tái chế, đặc biệt là bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA). Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cấp phối bê tông: Xác định tỷ lệ các thành phần xi măng, cốt liệu thô (đá tự nhiên hoặc vụn bê tông), cốt liệu mịn (cát), nước và phụ gia để đạt được các chỉ tiêu cơ lý mong muốn như cường độ chịu nén, độ sụt và độ bền.

  2. Mô hình ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất bê tông: Nghiên cứu các đặc tính vật lý và hóa học của vụn bê tông như khối lượng thể tích, độ hút nước, độ rỗng, và ảnh hưởng của chúng đến cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và khả năng chịu lực của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vụn bê tông tái chế (RCA): Phế liệu bê tông được nghiền nhỏ, phân loại và sử dụng làm cốt liệu thay thế đá tự nhiên.
  • Cường độ chịu nén bê tông: Khả năng chịu lực nén của bê tông, là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng bê tông.
  • Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X): Tỷ lệ khối lượng nước so với xi măng trong hỗn hợp bê tông, ảnh hưởng đến độ sụt và cường độ bê tông.
  • Cấu kiện dầm bê tông cốt thép: Bộ phận chịu lực trong công trình xây dựng, được sử dụng để đánh giá khả năng làm việc thực tế của bê tông sử dụng vụn bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông được chế tạo và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm các mẫu lập phương 100x200 mm, 150x150x150 mm và cấu kiện dầm bê tông cốt thép kích thước 200x300x3300 mm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn vụn bê tông có kích thước hạt đồng đều (Dmax=20 mm), thu được từ mẫu bê tông có cường độ B20 trở lên, đảm bảo tính đồng nhất và so sánh được với đá tự nhiên cùng kích thước.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vụn bê tông và đá tự nhiên như khối lượng thể tích, độ hút nước, độ rỗng.
  • Thí nghiệm chế tạo bê tông với các tỷ lệ thay thế vụn bê tông từ 20%, 40%, 60%, 80% đến 100% đá tự nhiên.
  • Đo cường độ chịu nén bê tông ở các ngày tuổi 7, 14, 21.
  • Thí nghiệm cấu kiện dầm bê tông cốt thép để đo độ võng, tải trọng phá hoại và quan sát vết nứt.
  • Sử dụng cảm biến Strain Gauge và LVDT để đo biến dạng và độ võng trong quá trình thí nghiệm.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo mẫu, thí nghiệm đến phân tích kết quả trong khoảng thời gian vài tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ vụn bê tông đến cường độ chịu nén: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi thay thế 20% đá tự nhiên bằng vụn bê tông, cường độ chịu nén của bê tông giảm khoảng 5% so với bê tông sử dụng 100% đá tự nhiên. Khi tỷ lệ thay thế tăng lên 40% và 60%, cường độ giảm lần lượt khoảng 10% và 18%. Ở tỷ lệ 100% thay thế, cường độ giảm đến khoảng 30%. (Xem biểu đồ so sánh cường độ chịu nén tại các tỷ lệ thay thế)

  2. Ảnh hưởng của độ bảo hòa nước của vụn bê tông: Vụn bê tông được sử dụng ở trạng thái khô và bảo hòa nước có ảnh hưởng khác nhau đến cường độ bê tông. Mẫu bê tông sử dụng vụn bê tông bảo hòa nước có cường độ chịu nén cao hơn khoảng 7% so với mẫu sử dụng vụn bê tông khô, do giảm hiện tượng hút nước từ hỗn hợp xi măng.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước trên xi măng (N/X): Khi tỷ lệ N/X tăng từ 0.3 lên 0.6, cường độ chịu nén của bê tông giảm rõ rệt, đặc biệt với bê tông sử dụng vụn bê tông thay thế 20%. Cường độ giảm khoảng 15% khi N/X tăng từ 0.3 lên 0.6.

  4. Khả năng chịu lực và biến dạng của cấu kiện dầm: Thí nghiệm dầm bê tông cốt thép cho thấy dầm sử dụng vụn bê tông thay thế 20% đá tự nhiên có độ võng và tải trọng phá hoại tương đương với dầm sử dụng 100% đá tự nhiên, với sai số dưới 5%. Vết nứt xuất hiện ở vị trí và hình dạng tương tự, chứng tỏ khả năng làm việc của cấu kiện không bị ảnh hưởng đáng kể ở tỷ lệ thay thế này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm giảm cường độ bê tông khi sử dụng vụn bê tông là do vụn bê tông có khối lượng thể tích thấp hơn (2.39 g/cm³ so với 2.60 g/cm³ của đá tự nhiên) và độ hút nước cao hơn (1.93% so với 1.32%), dẫn đến giảm mật độ và tăng độ rỗng trong bê tông. Điều này làm giảm khả năng liên kết giữa các hạt cốt liệu và xi măng, ảnh hưởng đến cường độ chịu nén.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo cho thấy cường độ bê tông giảm từ 5% đến 30% khi tăng tỷ lệ vụn bê tông trong hỗn hợp. Việc sử dụng vụn bê tông bảo hòa nước giúp giảm hiện tượng hút nước từ xi măng, cải thiện cường độ bê tông, phù hợp với khuyến cáo của các chuyên gia về xử lý cốt liệu tái chế.

Kết quả thí nghiệm cấu kiện dầm chứng minh tính khả thi của việc sử dụng vụn bê tông thay thế một phần đá tự nhiên trong các công trình xây dựng, đặc biệt ở tỷ lệ thay thế 20%, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn kết cấu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh cường độ chịu nén theo tỷ lệ thay thế, biểu đồ ảnh hưởng của độ bảo hòa nước và tỷ lệ N/X, cùng bảng tổng hợp tải trọng và độ võng của dầm thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng vụn bê tông thay thế tối đa 20% đá tự nhiên trong hỗn hợp bê tông nhằm đảm bảo cường độ và khả năng làm việc của bê tông, giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và nhà sản xuất bê tông.

  2. Áp dụng xử lý bảo hòa nước cho vụn bê tông trước khi sử dụng để giảm độ hút nước và cải thiện cường độ bê tông. Thời gian thực hiện: trong quy trình sản xuất bê tông. Chủ thể: nhà máy sản xuất bê tông và kỹ sư thiết kế.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng vụn bê tông tái chế trong bê tông tại Việt Nam nhằm tạo cơ sở pháp lý và kỹ thuật cho việc ứng dụng rộng rãi. Thời gian: trong vòng 1-2 năm. Chủ thể: Bộ Xây dựng, các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Tăng cường nghiên cứu và thí nghiệm mở rộng về các tỷ lệ thay thế cao hơn và các loại phụ gia cải thiện tính chất bê tông tái chế để nâng cao hiệu quả sử dụng vụn bê tông. Thời gian: nghiên cứu liên tục trong 3-5 năm. Chủ thể: các cơ sở nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và nhà thầu thi công: Nắm bắt kiến thức về vật liệu bê tông tái chế, áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình nhằm giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

  2. Nhà quản lý và cơ quan ban ngành: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng.

  3. Các nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Tham khảo dữ liệu thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc giảng dạy chuyên ngành vật liệu xây dựng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Áp dụng công nghệ tái chế vụn bê tông vào sản xuất bê tông thương phẩm, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vụn bê tông tái chế có ảnh hưởng như thế nào đến cường độ bê tông?
    Việc sử dụng vụn bê tông tái chế thay thế một phần đá tự nhiên làm giảm cường độ chịu nén của bê tông từ khoảng 5% đến 30% tùy theo tỷ lệ thay thế. Ví dụ, thay thế 20% đá tự nhiên giảm cường độ khoảng 5%, còn thay thế 100% giảm đến 30%.

  2. Có nên sử dụng vụn bê tông ở trạng thái khô hay bảo hòa nước?
    Sử dụng vụn bê tông bảo hòa nước giúp giảm hiện tượng hút nước từ xi măng, cải thiện cường độ bê tông khoảng 7% so với vụn bê tông khô, do đó nên ưu tiên xử lý bảo hòa nước trước khi sử dụng.

  3. Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X) ảnh hưởng thế nào đến bê tông sử dụng vụn bê tông?
    Tỷ lệ N/X cao làm giảm cường độ bê tông rõ rệt, đặc biệt với bê tông có vụn bê tông thay thế. Ví dụ, tăng N/X từ 0.3 lên 0.6 có thể giảm cường độ khoảng 15%.

  4. Khả năng chịu lực của cấu kiện dầm sử dụng vụn bê tông ra sao?
    Thí nghiệm cho thấy dầm bê tông cốt thép sử dụng vụn bê tông thay thế 20% đá tự nhiên có khả năng chịu lực và độ võng tương đương dầm sử dụng 100% đá tự nhiên, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  5. Việc sử dụng vụn bê tông tái chế có lợi ích gì về môi trường?
    Sử dụng vụn bê tông tái chế giảm lượng phế thải xây dựng phải xử lý, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và phát triển xây dựng bền vững.

Kết luận

  • Vụn bê tông tái chế có thể thay thế một phần đá tự nhiên trong hỗn hợp bê tông, tuy nhiên ảnh hưởng đến cường độ chịu nén tăng theo tỷ lệ thay thế.
  • Tỷ lệ thay thế 20% là mức tối ưu đảm bảo cường độ và khả năng làm việc của bê tông gần tương đương bê tông truyền thống.
  • Việc xử lý bảo hòa nước cho vụn bê tông giúp cải thiện cường độ bê tông đáng kể.
  • Cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng vụn bê tông thay thế 20% đá tự nhiên có khả năng chịu lực và biến dạng tương đương cấu kiện sử dụng đá tự nhiên.
  • Nghiên cứu mở rộng và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật là cần thiết để thúc đẩy ứng dụng vụn bê tông tái chế trong ngành xây dựng Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng tỷ lệ thay thế 20% vụn bê tông trong các dự án thực tế, đồng thời phát triển nghiên cứu về phụ gia và công nghệ xử lý vụn bê tông.

Call to action: Các nhà quản lý, kỹ sư và doanh nghiệp trong ngành xây dựng nên phối hợp nghiên cứu và áp dụng vật liệu bê tông tái chế để hướng tới phát triển bền vững và tiết kiệm tài nguyên.