Luận văn: Nghiên cứu sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển Khánh Hòa

Luận văn nghiên cứu sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển khu vực Nha Trang. Đánh giá cường độ chịu nén và khả năng ứng dụng trong xây dựng.

• Tác giả: Trần Văn Châu
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Hoài Chính
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển khu vực Nha Trang - Khánh Hòa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• TRANG BÌA
• LỜI CAM ĐOAN
• TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp và nội dung nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Kết cấu luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG
• 1.1. Định nghĩa và phân loại bê tông
• 1.1.1. Định nghĩa về bê tông
• 1.1.2. Cấu trúc bê tông
• 1.1.3. Phân loại bê tông
• 1.2. Các vật liệu cấu thành bê tông
• 1.2.1. Chất kết dính
• 1.2.2. Chất phụ gia
• 1.3. Mác bê tông và cấp độ bền của bê tông
• 1.3.1. Mác bê tông theo cường độ chịu nén
• 1.3.2. Mác bê tông theo cường độ chịu kéo
• 1.3.3. Cấp độ bền chịu nén
• 1.3.4. Tương quan giữa M và B
• 1.4. Nguyên lý hình thành bê tông thông qua phản ứng thủy hóa của xi măng
• 1.4.1. Quá trình rắn chắc của xi măng
• 1.4.1.1. Giai đoạn hòa tan
• 1.4.1.2. Giai đoạn hóa keo
• 1.4.1.3. Giai đoạn kết tinh
• 1.5. Sự phát triển cường độ của bê tông theo thời gian
• 1.5.1. Bê tông thông thường
• 1.5.2. Bê tông bảo dưỡng nước biển
• 1.6. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông
• 1.7. Ăn mòn hóa học trong bê tông
• 1.8. Ảnh hưởng của cát biển, nước biển đến cường độ bê tông xi măng
• 1.8.1. Ảnh hưởng của cát biển, nước biển trong quá trình chế tạo
• 1.8.2. Ảnh hưởng của cát biển, nước biển trong quá trình khai thác sử dụng
• 1.9. Một số nghiên cứu về bê tông sử dụng cát biển, nước biển
• 1.9.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.9.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.10. Nhận xét chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN VẬT LIỆU VÀ XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG
• 2.1. Một số đặc điểm về cát biển, nước biển
• 2.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu để chế tạo bê tông
• 2.3. Phương pháp xác định cường độ nén của bê tông
• 2.3.1. Thiết bị thử
• 2.3.2. Chuẩn bị mẫu thử
• 2.3.3. Lấy mẫu, chế tạo, đúc mẫu
• 2.3.4. Tiến hành thử
• 2.3.5. Tính kết quả
• 2.4. Nhận xét chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA BÊ TÔNG
• 3.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.2. Vật liệu sử dụng
• 3.2.1. Cốt liệu lớn (Đá dăm)
• 3.2.2. Chất phụ gia
• 3.3. Cấp phối cho bê tông
• 3.4. Mẫu thí nghiệm
• 3.5. Đúc mẫu, bảo dưỡng
• 3.5.1. Đúc mẫu bê tông
• 3.5.2. Bảo dưỡng mẫu
• 3.6. Thí nghiệm và kết quả nén mẫu bê tông
• 3.6.1. Thí nghiệm nén mẫu
• 3.6.2. Kết quả thí nghiệm cường độ nén
• 3.7. Nhận xét chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
• CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
• BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

Tóm tắt

I. Bê tông cát biển Nha Trang Giải pháp cho xây dựng bền vững

Việc nghiên cứu và sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển Nha Trang mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng, đáp ứng nhu cầu cấp thiết về vật liệu xây dựng tại địa phương. Bối cảnh cát sông cạn kiệt do khai thác quá mức đã và đang gây ra nhiều hệ lụy về môi trường và kinh tế, đặc biệt tại các tỉnh ven biển như tỉnh Khánh Hòa. Nhu cầu xây dựng các công trình ven biển và trên hải đảo ngày càng tăng, đòi hỏi một giải pháp thay thế hiệu quả, tận dụng nguồn vật liệu xây dựng tại chỗ. Đề tài nghiên cứu của tác giả Trần Văn Châu tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã tập trung vào việc đánh giá khả năng sử dụng nguồn tài nguyên biển dồi dào tại Nha Trang để sản xuất bê tông xi măng. Nghiên cứu này không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn to lớn, hướng tới một nền xây dựng bền vững. Việc tận dụng cát biển và nước biển giúp giảm chi phí vận chuyển vật liệu từ đất liền, hạn chế tác động tiêu cực đến hệ sinh thái sông ngòi và cung cấp một nguồn vật liệu thay thế ổn định. Các nghiên cứu trước đây trong và ngoài nước đã chứng minh tính khả thi của bê tông nước mặn, tuy nhiên, mỗi khu vực biển lại có đặc tính vật liệu khác nhau. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu tại khu vực Nha Trang là vô cùng cần thiết để xác định các thông số kỹ thuật, cấp phối bê tông tối ưu và các biện pháp xử lý phù hợp, đảm bảo chất lượng và tuổi thọ công trình.

1.1. Bối cảnh cát sông cạn kiệt và nhu cầu vật liệu tại chỗ

Tình trạng khai thác cát sông quá mức để phục vụ các hoạt động xây dựng đã dẫn đến sự cạn kiệt nghiêm trọng nguồn tài nguyên này. Hậu quả là sạt lở bờ sông, thay đổi dòng chảy, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sinh thái và làm tăng chi phí xây dựng. Theo Quyết định số 4013/QĐ-UBND của tỉnh Khánh Hòa, nhu cầu cát xây dựng của tỉnh lên đến 1,9 triệu m³/năm, trong khi công suất khai thác chỉ đáp ứng khoảng 1,45 triệu m³/năm. Sự thiếu hụt này thúc đẩy việc tìm kiếm một giải pháp thay thế cát sông hiệu quả. Cát biển, với trữ lượng khổng lồ dọc bờ biển dài 385 km của Khánh Hòa, nổi lên như một nguồn vật liệu xây dựng tại chỗ đầy hứa hẹn, giúp giải quyết bài toán khan hiếm vật liệu và giảm giá thành công trình.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu sản xuất bê tông từ tài nguyên biển

Mục tiêu chính của đề tài nghiên cứu khoa học này là đánh giá khả năng sử dụng cát biển và nước biển khu vực Nha Trang để sản xuất bê tông không cốt thép, cụ thể là các mác B15 (M200) và B20 (M250). Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian (lên đến 90 ngày) qua các mẫu thí nghiệm với những cấp phối khác nhau. Từ đó, đề tài đưa ra những so sánh, đánh giá khách quan về ảnh hưởng của cát biển, nước biển và các loại phụ gia đến chất lượng bê tông, làm cơ sở khoa học cho việc ứng dụng loại vật liệu xanh này vào thực tiễn xây dựng các công trình tại địa phương, đặc biệt là các hạng mục không yêu cầu kết cấu chịu lực phức tạp.

II. Thách thức lớn khi dùng cát nước biển làm bê tông cốt thép

Mặc dù sở hữu tiềm năng to lớn, việc sử dụng cát và nước biển để sản xuất bê tông, đặc biệt là bê tông cốt thép, phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật đáng kể. Rào cản lớn nhất đến từ thành phần hóa học của nước biển, vốn chứa nồng độ muối cao, chủ yếu là các ion clorua (Cl-) và sunfat (SO42-). Các ion này là tác nhân chính gây ra các quá trình ăn mòn hóa học, làm suy giảm nghiêm trọng độ bền và tuổi thọ của kết cấu bê tông. Theo nghiên cứu của Trương Hoài Chính (2008), sự thâm nhập của ion Cl- và SO42- là nguyên nhân hàng đầu gây phá hủy bê tông cốt thép trong môi trường biển. Ion Cl- phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép, khởi đầu quá trình ăn mòn điện hóa. Trong khi đó, ion sunfat phản ứng với các thành phần trong xi măng tạo ra các hợp chất trương nở, gây nứt vỡ bê tông từ bên trong. Chính vì vậy, việc kiểm soát và hạn chế tác động của các yếu tố xâm thực này là bài toán cốt lõi cần giải quyết trước khi có thể ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này, đặc biệt đối với các công trình đòi hỏi độ bền cao và làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

2.1. Nguy cơ ăn mòn cốt thép do ion clorua Cl nồng độ cao

Trong các loại bê tông nước mặn, ion clorua (Cl-) là kẻ thù số một của cốt thép. Các ion này có khả năng xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ, tiến đến bề mặt cốt thép và phá hủy lớp màng oxit thụ động. Khi lớp màng này bị phá vỡ, quá trình ăn mòn cốt thép sẽ diễn ra nhanh chóng, tạo thành rỉ sét. Sản phẩm của quá trình ăn mòn có thể tích lớn hơn thép ban đầu nhiều lần, gây ra ứng suất nội tại, dẫn đến hiện tượng nứt, vỡ và bung lớp bê tông bảo vệ. Điều này không chỉ làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu mà còn mở đường cho các tác nhân xâm thực khác thâm nhập sâu hơn, đẩy nhanh quá trình phá hủy toàn diện công trình.

2.2. Ảnh hưởng của sunfat đến độ bền kết cấu bê tông dài hạn

Ăn mòn sunfat là một dạng phá hủy hóa học nguy hiểm đối với bê tông. Các ion sunfat (SO42-) có trong nước biển sẽ phản ứng với canxi hydroxit và canxi aluminat hydrat (sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng) để tạo thành thạch cao và ettringite. Các khoáng mới này có thể tích lớn hơn rất nhiều so với các chất ban đầu, gây ra sự trương nở và áp lực lớn bên trong cấu trúc bê tông, dẫn đến nứt vỡ và suy giảm cường độ. Để chống lại hiện tượng này, việc sử dụng các loại xi măng bền sunfat hoặc các phụ gia chống ăn mòn đặc hiệu là giải pháp kỹ thuật quan trọng nhằm đảm bảo độ bền sunfat cho công trình.

III. Phương pháp xử lý cát biển và lựa chọn vật liệu xây dựng

Để vượt qua các thách thức kỹ thuật, nghiên cứu đã đề ra một phương pháp tiếp cận khoa học, bắt đầu từ khâu kiểm định và lựa chọn vật liệu đầu vào. Việc xử lý cát biển và lựa chọn các thành phần khác trong cấp phối đóng vai trò quyết định đến chất lượng cuối cùng của bê tông. Nghiên cứu của Trần Văn Châu đã tiến hành các thí nghiệm chi tiết tại phòng thí nghiệm trọng điểm (LAS – XD 1396) để phân tích các chỉ tiêu cơ lý của cát biển và cát sông Cái tại Nha Trang, cũng như thành phần hóa học của nước biển. Kết quả cho thấy cát biển Nha Trang có mô đun độ lớn Mđl = 3.0, thuộc nhóm cát thô, phù hợp để chế tạo bê tông. Tuy nhiên, vấn đề cốt lõi là kiểm soát hàm lượng muối. Mặc dù đề tài tập trung vào bê tông không cốt thép, việc hiểu rõ các phương pháp như rửa cát nhiễm mặn hay khử muối trong cát vẫn là nền tảng cho các ứng dụng trong tương lai. Lựa chọn xi măng Pooclăng hỗn hợp PCB40 của Hà Tiên 1, đá dăm 1x2 tại mỏ Hòn Ngang và phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-10 đều tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), đảm bảo tính đồng nhất và độ tin cậy của kết quả thực nghiệm.

3.1. Quy trình kiểm định vật liệu cát biển nước biển Nha Trang

Trước khi đưa vào chế tạo bê tông, các mẫu cát biển và nước biển Nha Trang đã được lấy và phân tích theo TCVN 7570:2006 và TCVN 4506:2012. Đối với cát biển, các chỉ tiêu quan trọng như thành phần hạt, mô đun độ lớn, hàm lượng bùn bụi sét và đặc biệt là hàm lượng ion Cl- (3,0 g/m³) và SO42- (2,55 g/m³) đã được xác định. Tương tự, nước biển được kiểm tra độ pH, tổng muối hòa tan và các thành phần hóa học khác. Quy trình kiểm định nghiêm ngặt này đảm bảo các số liệu đầu vào là chính xác, làm cơ sở cho việc thiết kế cấp phối bê tông và đánh giá khách quan ảnh hưởng của chúng đến cường độ bê tông.

3.2. Vai trò của xi măng PCB40 và cốt liệu đạt chuẩn TCVN

Chất lượng của xi măng và cốt liệu lớn là yếu tố nền tảng quyết định cường độ của bê tông. Nghiên cứu sử dụng xi măng Pooclăng hỗn hợp PCB40, một loại xi măng phổ biến và đạt TCVN 6260:2009. Đá dăm 1x2 từ mỏ đá Hòn Ngang cũng được kiểm tra và xác nhận đạt các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 7570:2006 về thành phần hạt, độ nén dập và hàm lượng hạt thoi dẹt. Việc sử dụng các vật liệu đạt chuẩn giúp loại bỏ các biến số không mong muốn, từ đó tập trung đánh giá chính xác tác động của việc thay thế cát sông và nước ngọt bằng cát biển và nước biển.

IV. Bí quyết thiết kế cấp phối bê tông nước mặn tối ưu cường độ

Chìa khóa để sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển Nha Trang thành công nằm ở việc thiết kế một cấp phối bê tông khoa học. Nghiên cứu đã xây dựng 10 cấp phối thí nghiệm khác nhau cho hai cấp độ bền B15 (M200) và B20 (M250) để so sánh và đánh giá. Các cấp phối này được chia thành các nhóm: nhóm đối chứng sử dụng cát vàng và nước máy; nhóm sử dụng cát biển và nước biển không có phụ gia; và các nhóm sử dụng cát biển, nước biển kết hợp với phụ gia chống ăn mòn Sika Viscocrete 3000-10 ở các tỷ lệ khác nhau (0,7% và 1%). Một trong những bí quyết quan trọng được áp dụng là điều chỉnh giảm tỷ lệ nước khi sử dụng phụ gia siêu dẻo. Cụ thể, lượng nước được giảm từ 5% đến 10%, giúp tăng độ đặc chắc của đá xi măng và cải thiện cường độ bê tông. Cách tiếp cận này không chỉ giúp khảo sát ảnh hưởng của từng thành phần mà còn tìm ra công thức tối ưu, cân bằng giữa yếu tố kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, mở đường cho việc ứng dụng thực tiễn trong các công trình ven biển.

4.1. So sánh các cấp phối bê tông M200 B15 và M250 B20

Nghiên cứu tiến hành song song trên hai cấp độ bền phổ biến là M200 và M250. Đối với mỗi cấp độ bền, 5 loại cấp phối (CP1-CP5 cho M200 và CP6-CP10 cho M250) được thiết kế. Cấp phối đối chứng (CP1, CP6) dùng vật liệu truyền thống. Các cấp phối còn lại thay thế dần cát và nước, đồng thời bổ sung phụ gia. Ví dụ, CP2 thay cả cát biển và nước biển, trong khi CP3 chỉ thay cát biển và dùng nước máy. CP4, CP5, CP9 và CP10 kiểm tra hiệu quả của phụ gia Sika ở các nồng độ khác nhau. Việc so sánh đa dạng các cấp phối này cho phép đánh giá một cách toàn diện và chi tiết nhất.

4.2. Tác động của phụ gia siêu dẻo Sika đến cường độ bê tông

Phụ gia Sika Viscocrete 3000-10, một chất siêu hóa dẻo gốc polyme, đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện chất lượng bê tông nước mặn. Phụ gia này có khả năng giảm nước cực cao, giúp tăng độ linh động của hỗn hợp bê tông mà không cần thêm nước. Việc giảm lượng nước trộn giúp giảm độ rỗng mao quản trong cấu trúc bê tông sau khi đóng rắn, từ đó tăng cường độ đặc chắc, cải thiện cường độ chịu nén và hạn chế sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn từ môi trường. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rõ rệt hiệu quả của phụ gia trong việc nâng cao cường độ bê tông.

V. Kết quả thực nghiệm cường độ bê tông từ cát và nước biển

Kết quả thực nghiệm từ đề tài nghiên cứu khoa học của Trần Văn Châu cung cấp những dữ liệu quý giá về sự phát triển cường độ bê tông khi sử dụng vật liệu từ biển Nha Trang. Các mẫu bê tông được đúc và thí nghiệm nén ở các tuổi 3, 7, 14, 28, 60 và 90 ngày. Phân tích số liệu cho thấy, các mẫu bê tông sử dụng cát biển và nước biển không có phụ gia (CP2, CP7) có cường độ thấp hơn đáng kể so với mẫu đối chứng dùng cát sông (CP1, CP6) ở mọi thời điểm. Cụ thể, ở tuổi 28 ngày, cường độ của mẫu CP2 (162,40 daN/cm²) chỉ đạt khoảng 64% so với mẫu CP1 (253,89 daN/cm²). Tuy nhiên, một phát hiện đột phá là khi sử dụng phụ gia chống ăn mòn Sika Viscocrete 3000-10, cường độ bê tông đã được cải thiện vượt bậc. Mẫu CP5 (M200, 1% phụ gia) đạt 211,28 daN/cm² và mẫu CP10 (M250, 1% phụ gia) đạt 231,72 daN/cm² ở 28 ngày tuổi. Mặc dù vẫn thấp hơn mẫu đối chứng, kết quả này cho thấy tiềm năng to lớn trong việc sản xuất bê tông đạt mác yêu cầu từ cát và nước biển nếu có giải pháp công nghệ phù hợp.

5.1. Phân tích biểu đồ phát triển cường độ nén sau 28 và 90 ngày

Biểu đồ phát triển cường độ cho thấy tất cả các mẫu đều tăng cường độ theo thời gian, nhưng với tốc độ khác nhau. Các mẫu bê tông có phụ gia (CP4, CP5, CP9, CP10) không chỉ có cường độ ban đầu cao hơn mà còn duy trì tốc độ phát triển tốt hơn so với các mẫu không có phụ gia. Ở tuổi 90 ngày, sự chênh lệch càng rõ rệt. Ví dụ, mẫu CP5 đạt 228,14 daN/cm², cao hơn đáng kể so với 178,34 daN/cm² của mẫu CP2. Điều này khẳng định vai trò của phụ gia trong việc thúc đẩy quá trình thủy hóa xi măng và bù đắp các tác động tiêu cực từ muối biển.

5.2. Đánh giá tiềm năng ứng dụng cho công trình ven biển Khánh Hòa

Dựa trên kết quả nghiên cứu, bê tông cát biển có sử dụng phụ gia hoàn toàn có khả năng đáp ứng yêu cầu cho các cấp độ bền B15 và tiến gần đến B20. Loại bê tông này rất phù hợp để ứng dụng vào các cấu kiện bê tông không cốt thép hoặc các hạng mục ít chịu tải, ít yêu cầu về chống ăn mòn cốt thép như: gạch block, bê tông lót, nền đường, kè chắn sóng (phần không ngập mặn), sân bãi... Việc ứng dụng này tại tỉnh Khánh Hòa sẽ mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội lớn, là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển vật liệu xanh và xây dựng bền vững.

VI. Tương lai bê tông cát biển Hướng đi cho ngành vật liệu xanh

Nghiên cứu sản xuất bê tông từ cát biển, nước biển Nha Trang đã khẳng định một hướng đi đầy triển vọng cho ngành vật liệu xây dựng Việt Nam. Đây không chỉ là một giải pháp thay thế cát sông tạm thời mà còn là một chiến lược phát triển vật liệu xanh lâu dài, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và cạn kiệt tài nguyên. Kết luận từ đề tài của Trần Văn Châu cho thấy, mặc dù còn những thách thức về cường độ và độ bền lâu dài, nhưng với sự hỗ trợ của công nghệ phụ gia hiện đại, việc sản xuất bê tông đạt chuẩn từ vật liệu biển là hoàn toàn khả thi. Tầm nhìn trong tương lai là hoàn thiện công nghệ này, nghiên cứu các loại phụ gia ức chế ăn mòn hiệu quả hơn để có thể áp dụng cho cả bê tông cốt thép. Việc chuẩn hóa quy trình từ khâu khai thác, xử lý cát biển đến thiết kế cấp phối và thi công sẽ giúp đưa loại vật liệu này vào các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu như Viện khoa học công nghệ xây dựng, các trường đại học như Đại học Xây dựng, và doanh nghiệp sẽ là động lực chính để biến tiềm năng của bê tông biển thành hiện thực, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

6.1. Kết luận chính từ đề tài nghiên cứu khoa học đã thực hiện

Nghiên cứu đã kết luận rằng có thể sử dụng cát biển và nước biển Nha Trang để sản xuất bê tông mác M200 và M250. Tuy nhiên, nếu không có phụ gia, cường độ bê tông sẽ suy giảm đáng kể. Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-10 với tỷ lệ 1% trên khối lượng xi măng đã cải thiện rõ rệt cường độ chịu nén của bê tông, cho thấy đây là một giải pháp kỹ thuật hiệu quả. Đề tài đã cung cấp một bộ dữ liệu thực nghiệm quan trọng, làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng thực tiễn tại tỉnh Khánh Hòa.

6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện công nghệ

Để hoàn thiện công nghệ, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần được triển khai. Thứ nhất, cần nghiên cứu sâu hơn về độ bền lâu dài của bê tông nước mặn trong điều kiện xâm thực thực tế, đặc biệt là khả năng chống ăn mòn cốt thép. Thứ hai, cần thử nghiệm với các loại xi măng khác nhau, như xi măng bền sunfat, và các loại phụ gia ức chế ăn mòn chuyên dụng. Cuối cùng, việc nghiên cứu các phương pháp rửa cát nhiễm mặn hiệu quả và kinh tế cũng là một hướng đi quan trọng để mở rộng phạm vi ứng dụng cho các kết cấu bê tông cốt thép đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp xây dựng hiện đại, bê tông chiếm tỷ trọng vượt trội với hơn 60% tổng khối lượng các loại kết cấu công trình. Tuy nhiên, việc khai thác cát sông và sử dụng nguồn nước ngọt truyền thống đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt tài nguyên nghiêm trọng, gây xói lở bờ sông và suy thoái môi trường sinh thái. Tại tỉnh Khánh Hòa, địa phương sở hữu 385 km bờ biển cùng hơn 250 đảo và quần đảo, áp lực hạ tầng đang gia tăng nhanh chóng theo Chương trình phát triển đô thị với mục tiêu tỷ lệ đô thị hóa đạt 60% vào năm 2020 và 70% vào năm 2030, đòi hỏi tổng nguồn vốn đầu tư ước tính khoảng 63 nghìn tỷ đồng. Theo quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng của tỉnh, nhu cầu cát xây dựng hàng năm dao động từ 1,6 đến 1,9 triệu m3, trong khi tổng công suất khai thác cấp phép chỉ đạt khoảng 1,45 triệu m3/năm, dẫn đến tình trạng thiếu hụt cục bộ từ 150.000 đến 450.000 m3/năm.

Đặc biệt tại các khu vực hải đảo và dải ven biển, chi phí vận chuyển cát vàng và nước ngọt từ đất liền thường làm tăng tổng mức đầu tư xây dựng lên từ 2 đến 3 lần so với công trình thông thường. Xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn thạc sĩ kỹ thuật của học viên Trần Văn Châu dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Trương Hoài Chính tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã tập trung nghiên cứu sản xuất bê tông từ nguồn cát biển và nước biển sẵn có tại khu vực thành phố Nha Trang. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là đánh giá toàn diện các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu địa phương, thiết kế cấp phối tối ưu cho bê tông không cốt thép đạt cấp độ bền B15 (M200) và B20 (M250), đồng thời theo dõi quy luật phát triển cường độ chịu nén thực tế qua các mốc thời gian đến 90 ngày. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và môi trường to lớn, giúp giảm 15% đến 25% giá thành xây dựng các công trình phòng hộ ven biển, kè chắn sóng, đường giao thông nông thôn và cấu kiện đúc sẵn tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy hóa và đóng rắn chất kết dính vô cơ của Baikov – Rebinder, phân tích quá trình chuyển hóa vật lý - hóa lý của hồ xi măng qua 3 giai đoạn then chốt: hòa tan khoáng clinke, hóa keo ngưng tụ và kết tinh tạo khung đá xi măng chịu lực. Động học phát triển cường độ bê tông theo thời gian được đối chiếu qua mô hình hàm logarit thực nghiệm của B. Skramtaev và tiêu chuẩn của Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI) nhằm dự báo sự gia tăng cường độ từ 3 đến 90 ngày tuổi.

Về mặt hóa lý môi trường xâm thực, nghiên cứu kế thừa các luận điểm của các nhà khoa học trong và ngoài nước về cơ chế ăn mòn ion clo (Cl-) và ion sunfat (SO42-). Sự hiện diện của muối khoáng trong nước biển làm thay đổi cấu trúc vi mô do phản ứng tạo khoáng ettringite gây trương nở thể tích lên tới 227% hoặc quá trình rửa trôi canxi hydroxit Ca(OH)2. Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật cốt lõi được áp dụng xuyên suốt đề tài bao gồm TCVN 5574:2012 về thiết kế kết cấu bê tông, TCVN 7570:2006 và TCVN 7572:2006 quy định yêu cầu kỹ thuật cùng phương pháp thử cho cốt liệu, TCVN 6260:2009 cho xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40, và TCVN 4506:2012 về nước trộn bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp giải tích đối chứng, sử dụng toàn bộ nguồn vật tư thu thập trực tiếp tại Khánh Hòa: xi măng PCB40 của Công ty Xi măng Hà Tiên 1 (Trạm nghiền Cam Ranh, lô sản xuất ngày 01/9/2017), cát vàng sông Cái (mô đun độ lớn 3,0; hàm lượng bùn bụi sét 1,12%), cát biển Nha Trang (mô đun độ lớn 3,0; bùn bụi sét 0,57%; hàm lượng Cl- đạt 3,0 g/m3; SO42- đạt 2,55 g/m3), đá dăm 1x2 mỏ Hòn Ngang - Diên Khánh (độ nén dập trong xi lanh 7,3%; hạt thoi dẹt 5,8%), nước máy sinh hoạt và nước biển Vịnh Nha Trang lấy cách bờ 20 m (độ pH 8,32; hàm lượng muối hòa tan 34,765 g/l; Cl- 17,906 g/l; SO42- 2,067 g/l). Chất phụ gia được chọn là siêu hóa dẻo giảm nước cao cấp gốc polymer thế hệ thứ ba Sika Viscocrete 3000-10 với tỷ trọng từ 1,04 đến 1,07 kg/lít.

Quy mô thực nghiệm bao gồm tổng cộng 180 mẫu thử khối lập phương chuẩn kích thước 150x150x150 mm, phân bổ thành 60 tổ mẫu (mỗi tổ 3 viên theo quy định). Các mẫu được chế tạo theo 10 cấp phối định lượng trên 1 m3 bê tông dựa theo định mức tại Quyết định số 1329/QĐ-BXD của Bộ Xây dựng:

• Nhóm cấp bền B15 (M200, sử dụng 293 kg xi măng PCB40, 0,847 m3 đá dăm, 0,466 m3 cát): CP1 (cát vàng, nước máy), CP2 (cát biển, nước biển), CP3 (cát biển, nước máy), CP4 (cát biển, nước biển, 0,7% phụ gia, giảm 5% nước), CP5 (cát biển, nước biển, 1,0% phụ gia, giảm 10% nước).
• Nhóm cấp bền B20 (M250, sử dụng 341 kg xi măng PCB40, 0,838 m3 đá dăm, 0,447 m3 cát): CP6 (cát vàng, nước máy), CP7 (cát biển, nước biển), CP8 (cát biển, nước máy), CP9 (cát biển, nước biển, 0,7% phụ gia, giảm 5% nước), CP10 (cát biển, nước biển, 1,0% phụ gia, giảm 10% nước).

Quy trình đầm tạo hình và dưỡng ẩm tiêu chuẩn ở nhiệt độ 27 ± 2 độ C, độ ẩm trên 95% tuân thủ nghiêm ngặt TCVN 3105:1993. Phép thử phá hủy nén được thực hiện trên máy nén thủy lực TYA-2500 công suất 2500 kN tại Trung tâm Quy hoạch và Kiểm định Xây dựng Khánh Hòa (LAS-XD 1396) với tốc độ tăng tải từ 4 đến 6 daN/cm2/s theo TCVN 3118:1993 tại 6 mốc tuổi gồm 3, 7, 14, 28, 60 và 90 ngày nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê vượt 95%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả thử nghiệm nén 180 viên mẫu đã chỉ ra những quy luật biến thiên cường độ chịu nén vô cùng rõ rệt giữa các nhóm cấp phối:

Thứ nhất, việc sử dụng trực tiếp cát biển và nước biển tự nhiên không phụ gia làm suy giảm đáng kể cường độ chịu nén ở tuổi chuẩn 28 ngày. Ở mác 200, mẫu đối chứng CP1 (cát vàng, nước ngọt) đạt 253,89 daN/cm2, trong khi CP2 (cát biển, nước biển) chỉ đạt 162,40 daN/cm2 (tương đương 63,96% so với mẫu chuẩn). Ở mác 250, mẫu CP6 chuẩn đạt 277,23 daN/cm2, trong khi CP7 (cát biển, nước biển) chỉ đạt 192,36 daN/cm2 (đạt 69,38% so với đối chứng).

Thứ hai, bê tông cát biển và nước biển thể hiện tốc độ phát triển cường độ ban đầu (3 đến 7 ngày) rất nhanh. Tại 3 ngày tuổi, cấp phối CP2 đạt 104,44 daN/cm2, chiếm tới 64,31% cường độ tuổi 28 ngày của chính nó. Đặc biệt ở cấp phối CP10 (M250 có 1% phụ gia), cường độ 3 ngày đạt mức 161,53 daN/cm2, cao hơn 9,03% so với mẫu bê tông truyền thống CP6 (đạt 148,15 daN/cm2).

Thứ ba, sự kết hợp của phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-10 đã khắc phục hoàn toàn hiện tượng suy giảm cường độ dài hạn. Với tỷ lệ phụ gia 0,7% (giảm 5% nước), cường độ 28 ngày của CP4 (M200) đạt 187,97 daN/cm2 (tăng 15,74% so với CP2) và CP9 (M250) đạt 216,02 daN/cm2 (tăng 12,30% so với CP7). Khi nâng tỷ lệ phụ gia lên 1,0% (giảm 10% nước), cấp phối CP5 đạt 211,28 daN/cm2 ở 28 ngày và 228,14 daN/cm2 ở 90 ngày (vượt mác thiết kế M200); cấp phối CP10 đạt 231,72 daN/cm2 ở 28 ngày và chạm mốc 253,44 daN/cm2 ở 90 ngày, hoàn toàn thỏa mãn cấp độ bền thiết kế B20 (M250).

Thảo luận kết quả

Cơ chế hóa lý giải thích hiện tượng tăng cường độ nhanh trong 7 ngày đầu của bê tông nước biển là do hàm lượng ion Cl- cao (17,906 g/l) đóng vai trò chất xúc tác thúc đẩy phản ứng thủy hóa khoáng C3S và C3A diễn ra mạnh mẽ, hình thành nhanh mạng tinh thể canxi hydrosilicat. Tuy nhiên, sau 28 đến 90 ngày, sự hiện diện của muối khoáng tổng số 34,765 g/l cùng gốc SO42- (2,067 g/l) tạo ra các hợp chất dễ hòa tan hoặc khoáng trương nở, cản trở sự liên kết đặc chắc của đá xi măng và tạo ra các vi lỗ rỗng tự do.

Khi bổ sung phụ gia polyme Sika 3000-10, các chuỗi polymer bám dính trên bề mặt hạt xi măng tạo lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng cản trở không gian, giúp phân tán đều các hạt mịn. Nhờ đó, lượng nước nhào trộn giảm được từ 10 đến 20 lít/m3 (tương đương giảm 5% đến 10%), tỷ lệ Nước/Xi măng giảm sâu, làm tăng độ chặt của cấu trúc đá xi măng, triệt tiêu độ rỗng và kháng lại tác động tiêu cực của các ion muối.

Về phương thức trực quan hóa dữ liệu nghiên cứu, toàn bộ kết quả nén từ 3 đến 90 ngày được tổng hợp trực quan qua biểu đồ đường động học phát triển cường độ và biểu đồ cột so sánh tương quan phần trăm giữa 10 cấp phối, phản ánh rõ nét bước nhảy cường độ khi có và không có mặt phụ gia polyme.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính ứng dụng cao cho ngành xây dựng:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình cấp phối bê tông cát biển - nước biển kết hợp phụ gia siêu dẻo. Khuyến nghị các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu áp dụng tỷ lệ phụ gia gốc polyme từ 0,7% đến 1,0% khối lượng xi măng kết hợp giảm từ 5% đến 10% lượng nước trộn, nhằm đảm bảo cường độ nén 28 ngày đạt trên 200 daN/cm2 đối với mác B15 và trên 230 daN/cm2 đối với mác B20. Đơn vị thực hiện là các phòng thí nghiệm LAS-XD và nhà thầu thi công hạ tầng ven biển, áp dụng ngay trong năm 2026.

Thứ hai, triển khai sản xuất cấu kiện bê tông không cốt thép quy mô công nghiệp tại các huyện đảo và vùng bãi ngang duyên hải. Mục tiêu ứng dụng cát biển và nước biển tại chỗ để đúc khối Tetrapod kè biển, tấm lát vỉa hè, gạch block xây tường và cấu kiện móng không cốt thép, hướng tới thay thế từ 30% đến 40% khối lượng cát sông thương phẩm. Chủ thể triển khai là các doanh nghiệp sản xuất bê tông thương phẩm dưới sự hướng dẫn của Sở Xây dựng Khánh Hòa trong giai đoạn 2026 - 2028.

Thứ ba, thiết lập quy chuẩn kiểm soát nồng độ muối đầu vào của vật liệu địa phương. Các trạm trộn cần kiểm định định kỳ hàm lượng tạp chất hữu cơ, chỉ số Cl- dưới 3,5 g/m3 và SO42- dưới 2,7 g/m3 trong cát biển trước khi phối trộn để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn cấu trúc vữa. Thời gian thực hiện định kỳ hàng quý do Trung tâm Kiểm định Xây dựng chủ trì.

Thứ tư, đẩy mạnh nghiên cứu bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép sử dụng vật liệu biển. Khuyến nghị các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thử nghiệm giải pháp thay thế cốt thép truyền thống bằng thanh cốt sợi composite thủy tinh hoặc sợi bazan (FRP), kết hợp xi măng bền sunfat để mở rộng tuổi thọ công trình lên trên 50 năm trong môi trường xâm thực mặn. Lộ trình thực hiện đề xuất kéo dài từ 1 đến 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và tập dữ liệu thực nghiệm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư kết cấu và chỉ huy trưởng công trình biển đảo: Giúp nắm vững công thức phối trộn vật liệu tại chỗ, giải bài toán thiếu nước ngọt và cát vàng, đồng thời tối ưu hóa 20% đến 30% chi phí vận chuyển vật tư ra các đảo xa bờ.
2. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để Sở Xây dựng và Ủy ban nhân dân các tỉnh ven biển ban hành định mức dự toán xây dựng chuyên ngành, hỗ trợ giải quyết tình trạng thiếu hụt từ 150.000 đến 450.000 m3 cát xây dựng mỗi năm.
3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và bê tông đúc sẵn: Hướng dẫn chi tiết quy trình công nghệ đưa phụ gia siêu dẻo vào dây chuyền sản xuất gạch block, ống cống không cốt thép, cấu kiện đê kè chắn sóng với biên lợi nhuận cải thiện từ 15% đến 20%.
4. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Xây dựng: Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chuẩn tắc gồm 180 mẫu thử kéo dài đến 90 ngày tuổi, làm tiền đề mở rộng các đề tài nghiên cứu về bê tông tính năng cao trong môi trường biển nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

Bê tông sản xuất từ cát biển và nước biển tự nhiên có đạt yêu cầu chịu lực thiết kế không? Có, nhưng cần phải bổ sung phụ gia hóa dẻo giảm nước. Nếu không có phụ gia, bê tông cát biển nước biển chỉ đạt khoảng 64% đến 69% cường độ so với bê tông chuẩn. Khi bổ sung 1,0% phụ gia Sika 3000-10, cường độ 28 ngày đạt 211,28 daN/cm2 (vượt chuẩn M200) và ở 90 ngày đạt 253,44 daN/cm2 (đạt chuẩn M250).

Tại sao bê tông nước biển lại phát triển cường độ rất nhanh trong 3 ngày đầu? Do trong nước biển chứa hàm lượng muối clorua hòa tan cao (khoảng 17,906 g/l Cl-). Ion Cl- hoạt động như một chất kích thích đông kết nhanh, gia tốc phản ứng thủy hóa của khoáng xi măng C3S, giúp mẫu CP10 đạt tới 161,53 daN/cm2 chỉ sau 3 ngày, cao hơn mẫu nước ngọt đối chứng.

Luận văn có cho phép sử dụng cấp phối cát biển nước biển cho bê tông cốt thép thông thường không? Chưa cho phép áp dụng cho kết cấu cốt thép thông thường. Ion clorua tự do trong nước biển sẽ phá hủy màng thụ động bảo vệ thép, gây rỉ sét và nứt vỡ kết cấu nhanh chóng. Đề tài khuyến nghị chỉ ứng dụng cho kết cấu bê tông không cốt thép hoặc cần nghiên cứu dùng cốt sợi phi kim loại.

Phụ gia siêu hóa dẻo Sika Viscocrete 3000-10 đóng vai trò gì trong cấp phối? Phụ gia polyme thế hệ 3 này giúp phân tán đồng đều các hạt xi măng mịn, giảm lượng nước trộn từ 5% đến 10% mà vẫn duy trì độ sụt tiêu chuẩn 6 đến 8 cm. Nhờ đó, cấu trúc đá xi măng đặc chắc hơn, bù đắp hoàn toàn sự suy giảm cường độ do muối biển gây ra.

Cát biển khu vực Nha Trang có cần qua công đoạn rửa mặn bằng nước ngọt trước khi đúc không? Trong phạm vi chế tạo bê tông không cốt thép theo nghiên cứu, cát biển Nha Trang có hàm lượng Cl- ở mức 3,0 g/m3 và SO42- là 2,55 g/m3 có thể sử dụng trực tiếp kết hợp phụ gia mà không cần qua quy trình rửa lọc nước ngọt tốn kém, giúp tiết kiệm triệt để tài nguyên nước.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi khoa học và thực tiễn cao của việc sử dụng cát biển và nước biển Nha Trang để sản xuất bê tông không cốt thép đạt cấp độ bền B15 và B20.
• Khẳng định vai trò quyết định của phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-10 với liều lượng tối ưu 1,0% giúp tăng 30,1% cường độ nén ở 28 ngày so với mẫu cát biển không phụ gia.
• Xác lập bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác qua 180 mẫu nén ở 6 mốc tuổi từ 3 đến 90 ngày, tuân thủ chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN.
• Đóng góp giải pháp công nghệ trực tiếp nhằm tháo gỡ bài toán khan hiếm cát xây dựng cục bộ từ 1,6 đến 1,9 triệu m3/năm và hạ giá thành xây dựng công trình biển đảo tại Khánh Hòa.
• Đề ra định hướng ứng dụng thực tế ngay trong giai đoạn 2026 - 2028 cho các cấu kiện hạ tầng bảo vệ bờ biển, mở đường cho các đề tài nghiên cứu bê tông cốt sợi composite tiếp theo.

Hãy liên hệ ngay với các đơn vị tư vấn và phòng thí nghiệm chuyên ngành để ứng dụng giải pháp bê tông cát biển bền vững vào dự án công trình ven biển của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CÁT BIỂN, NƢỚC BIỂN VÀ XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG 1. Định nghĩa và phân loại bê tông 1. Định nghĩa về bê tông Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 191:1996 Bê tông là hỗn hợp đóng rắn, của các vật liệu gồm chất kết dính, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và nƣớc. Có thể có hoặc không có phụ gia.

Bê tông xi măng (thƣờng gọi tắt là bê tông) là loại vật liệu đá nhân tạo đƣợc hình thành bằng cách tạo hình và làm rắn chắc hỗn hợp đƣợc lựa chọn hợp lý của xi măng, nƣớc, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia. Trong đó, cốt liệu chính là đá và cát, là những thành phần chịu lực chủ yếu của bê tông; còn xi măng, sau khi trộn với nƣớc sẽ dần đông cứng lại và trở thành một chất kết dính hỗn hợp. Trong bê tông, cốt liệu thƣờng chiếm từ 80% - 85% thể tích, còn xi măng chiếm từ 8% - 15% khối lƣợng. Cấu trúc bê tông Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thƣớc cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một ít nƣớc thừa và những lỗ rỗng li ti (do nƣớc thừa bốc hơi).

Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lƣợng nƣớc cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo [1,2]. Phân loại bê tông Có nhiều cách để phân loại bê tông, tùy theo yêu cầu có thể phân loại bê tông theo các loại nhƣ sau: Theo cƣờng độ: Bê tông thƣờng có cƣờng độ nén từ 20 đến 50 (MPa); bê tông chất lƣợng cao và rất cao có cƣờng độ nén từ 50 đến 250 (MPa). Theo loại chất kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông polime, bê tông đặc biệt (dùng chất kết dính đặc biệt).

Theo dạng cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu a xít), bê tông cốt kim loại,. Theo khối lƣợng thể tích: Bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500 kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt; bê tông nặng (ρv = 2250 ÷ 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thƣờng, dùng cho kết cấu chịu lực; bê tông tƣơng đối nặng (ρv = 1800 ÷ 2250 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực; bê tông nhẹ (ρv = 500 ÷ 1800 kg/m3), gồm bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), bê tông cốt liệu 5 rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên) và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ); bê tông đặc biệt nhẹ, là dạng bê tông nhẹ, nhƣng có ρv < 500 kg/m3 [1,2]. Các vật liệu cấu thành bê tông 1. Chất kết dính Theo TCXD 191:1996 Chất kết dính là vật liệu có khả năng ninh kết và đóng rắn nhờ phản ứng tƣơng tác hóa lý với nƣớc, và gắn kết các cốt liệu tạo thành bê tông.

Có chất kết dính thủy lực nhƣ các loại xi măng, chất kết dính không khí nhƣ vôi, chất kết dính hữu cơ nhƣ atphan, cao su epoxy,… Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cƣờng độ cho bê tông. Chất lƣợng và hàm lƣợng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cƣờng độ cho bê tông. Hiện nay, có rất nhiều loại xi măng để sản xuất bê tông nhƣ xi măng pooc lăng, xi măng pooc lăng bền sunfat, xi măng pooc lăng xỉ, xi măng pooc lăng puzolan,. Yêu cầu kỹ thuật của xi măng đƣợc quy định theo TCVN 2682 : 2009.

Cốt liệu Theo TCVN 7570:2006 Cốt liệu là các vật liệu rời nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo có thành phần hạt xác định, khi nhào trộn với xi măng và nƣớc, tạo thành bê tông. Theo kích thƣớc hạt, cốt liệu đƣợc phân ra cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn. Cốt liệu nhỏ Cốt liệu nhỏ là hỗn hợp các hạt cốt liệu kích thƣớc chủ yếu từ 0,14 mm đến 5 mm. Cốt liệu nhỏ có thể là cát tự nhiên (cát sông, cát suối, cát đồi), nhân tạo (cát xỉ, cát Keramzir), cát nghiền và hỗn hợp từ cát tự nhiên và cát nghiền.

Cát tự nhiên là hỗn hợp các hạt cốt liệu nhỏ đƣợc hình thành do quá trình phong hóa của các đá tự nhiên. Cát nghiền là hỗn hợp là hỗn hợp các hạt cốt liệu kích thƣớc nhỏ hơn 5 mm thu đƣợc do đập hoặc nghiền từ đá. Yêu cầu kỹ thuật cát dùng trong bê tông đƣợc quy định theo TCVN 7570: 2006. Cốt liệu lớn Cốt liệu lớn là hỗn hợp các loại cốt liệu có kích thƣớc từ 5 mm đến 70 mm.

Cốt liệu lớn có thể là đá dăm, sỏi, sỏi dăm (đập hoặc nghiền từ sỏi) và hỗn hợp từ đá dăm và sỏi hay sỏi dăm. Đá dăm đƣợc sản xuất bằng cách đập và nghiền đá, hoặc nghiền từ đá nhƣ đá vôi, đá granit… Sỏi đƣợc hình thành do quá trình phong hóa của đá tự nhiên hoặc đá kết theo các dòng chảy, sỏi dăm đƣợc sản xuất bằng cách đập và nghiền cuội, sỏi kích thƣớc lớn. Thành phần chế tạo bê tông [7] 1. Nước Nƣớc là thành phần giúp cho xi măng phản ứng tạo ra các sản phẩm thủy hóa làm cho cƣờng độ của bê tông tăng lên.

Nƣớc còn tạo ra độ lƣu động cần thiết để quá trình thi công đƣợc dễ dàng. Nƣớc biển có thể dùng để chế tạo bê tông cho những kết cấu làm việc trong nƣớc biển, nếu tổng các loại muối không vƣợt quá 35g trong 1 lít nƣớc biển. Chất phụ gia Trong công nghệ chế tạo bê tông hiện nay, phụ gia đƣợc sử dụng khá phổ biến. Phụ gia thƣờng sử dụng có 2 loại, loại rắn nhanh và loại hoạt động bề mặt.

Phụ gia rắn nhanh thƣờng là các loại muối gốc clo (ví dụ CaCl2, NaCl, FeCl3), hoặc là hỗn hợp của chúng. Do làm tăng nhanh quá trình thủy hóa mà phụ gia rắn nhanh có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong điều kiện tự nhiên, cũng nhƣ nâng cao cƣờng độ bê tông sau khi bảo dƣỡng nhiệt và ở tuổi 28 ngày. Phụ gia hoạt động bề mặt, mặc dù chỉ sử dụng một lƣợng nhỏ, nhƣng có khả năng cải thiện đáng kể tính dẻo của hỗn hợp bê tông và tăng cƣờng nhiều tính chất khác của bê tông nhƣ tăng cƣờng độ chịu lực, tăng khả năng chống thấm. Trong đa số các trƣờng hợp, phụ gia dẻo và siêu dẻo là polime tổng hợp, các dẫn xuất của nhựa melamin hoặc của axit naftalin sunforic và các loại khác.

Mác bê tông và cấp độ bền của bê tông 1. Mác bê tông theo cường độ chịu nén Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574–2012, Mác bê tông hay mác theo cƣờng độ chịu nén, kí hiệu bằng chữ M, lấy bằng cƣờng độ chịu nén (cƣờng độ trung bình), tính theo đơn vị kg/cm2 của mẫu thử chuẩn khối lập phƣơng vuông, có cạnh bằng 150mm, đƣợc dƣỡng hộ và thí nghiệm ở tuổi 28 ngày, theo điều kiện chuẩn ở nhiệt độ 27 + 2oC, độ ẩm không nhỏ hơn 95%. 7 Theo TCVN 5574–2012 có các mác bê tông M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600,… 1. Mác bê tông theo cường độ chịu kéo Ký hiệu bằng K, đƣợc xác định bằng cách lấy bằng cƣờng độ chịu kéo trung bình Rm của mẫu thử chuẩn, tính theo đơn vị (kg/cm2).

Theo TCVN 5574–2012 có các mác bê tông: K10, K15, K20, K25, K30, K40 đối với bê tông nặng; và mác K10, K15, K20, K25, K30 đối với bê tông nhẹ. Cấp độ bền chịu nén Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574–2012, khái niệm cấp độ bền chịu nén của bê tông, ký hiệu bằng chữ B, là giá trị trung bình thống kê của cƣờng độ chịu nén tức thời, tính bằng đơn vị Mpa, với xác suất đảm bảo không dƣới 95%, xác định trên các mẫu lập phƣơng kích thƣớc tiêu chuẩn (150x150x150) mm đƣợc chế tạo, dƣỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm ở tuổi 28 ngày. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574–2012, bê tông có các cấp độ bền B3. Tương quan giữa M và B: Tƣơng quan giữa mác M và cấp độ bền B của cùng một loại bê tông đƣợc thể hiện qua công thức: (1.1) Trong đó: - : Hệ số đổi đơn vị từ kg/cm2 sang (MPa; N/mm2), lấy = 0,1 - : Hệ số chuyển đổi từ cƣờng độ trung bình sang cƣờng độ đặc trƣng, với xác suất đảm bảo 95%; = (1- Sv)= 0,778.

Bảng quy đổi mác bê tông (M) tƣơng ứng với cấp độ bền (B) đến M300 (B22,5) theo TCVN 5574:2012 thể hiện ở Bảng 1. Bảng quy đổi mác bê tông (M) tƣơng ứng với cấp độ bền (B) Cấp độ bền (B) Cƣờng độ chịu nén (Mpa) Mác bê tông (M) B3. Nguyên lý hình thành bê tông thông qua phản ứng thủy hóa của xi măng 1. Quá trình rắn chắc của xi măng: Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học, tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nƣớc, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau biến thành đá cứng có cƣờng độ.

Các quá trình tác dụng tƣơng hỗ của từng khoáng với nƣớc để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hƣởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tƣơng hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới. Do đó, hồ xi măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc, thành phần cũng nhƣ sự biến đổi. Để giải thích quá trình rắn chắc ngƣời ta thƣờng dùng thuyết của Baikov–Rebinder.

Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng đƣợc chia làm 3 giai đoạn: 1. Giai đoạn hòa tan Khi nhào trộn xi măng với nƣớc các thành phần khoáng của clinke sẽ tác dụng với nƣớc ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những sản phẩm mới tan đƣợc [Ca(OH) 2; CaO.6H2O] sẽ tan ra. Nhƣng vì độ tan của nó không lớn và lƣợng nƣớc có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hoà [2,3].