Báo cáo khoa học: "NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT THẢI TỪ MỎ ĐÁ LÀM CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG CÁT"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

102
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Nghiên cứu tận dụng đá mạt thải từ các mỏ đá để làm cốt liệu cho bê tông cát là một giải pháp làm sạch môi trường và giải phóng mặt bằng tại các mỏ khai thác đá. Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát vàng bằng đá mạt Hóa an để làm cốt liệu cho bê tông cát. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bê tông cát sử dụng đá mạt có các tính chất được cải thiện so với bê tông cát thông thường. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT THẢI TỪ MỎ ĐÁ LÀM CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG CÁT"

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT THẢI TỪ MỎ ĐÁ LÀM CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG CÁT NCS. NGUYỄN THANH SANG KS. TRẦN LÊ THẮNG Bộ môn Vật liệu Xây dựng Viện Khoa học & Công nghệ Xây dựng Giao thông Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Nghiên cứu tận dụng đá mạt thải từ các mỏ đá để làm cốt liệu cho bê tông cát là một giải pháp làm sạch môi trường và giải phóng mặt bằng tại các mỏ khai thác đá. Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát vàng bằng đá mạt Hóa an để làm cốt liệu cho bê tông cát. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bê tông cát sử dụng đá mạt có các tính chất được cải thiện so với bê tông cát thông thường. Summary: Study the crushed stone wastes from quarry to use as aggregate of sand concrete is environmental method and land cleanracing in quarry. This article concerns replacing coarse sand by crushed stone wastes from Hoa an quarry to use aggregate of sand concrete. Results show that characteristics of sand concrete use creshed stone wastes have been improved than whichs of ordinary sand concrete. CT 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Các nước trên thế giới việc sử dụng đá mạt hay cốt liệu nghiền từ các cở sở sản xuất cốt liệu hoặc nhà máy cốt liệu, để thay thế nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt. Theo các tài liệu [5], [6], [7], [8] đã sử dụng cát bồi, cát phong hóa từ đá, cát nghiền, bột đá thay thế một phần cát tự nhiên dùng vữa xây và bê tông. Với tốc độ xây dựng công trình như hiện nay, càng ngày cốt liệu cho bê tông xi măng càng khan hiếm dần. Vùng Nam bộ đang thiếu một lượng lớn cốt liệu cho bê tông xi măng, theo tài liệu [1] lượng cát có Mk ≥ 2 cần dùng trong cho bê tông năm 2010 là 9 triệu m3, đến năm 2020 tăng lên là 2,6 lần. Trong khi khả năng cung cấp nguồn cát có mô đun độ lớn Mk ≥ 2 rất hạn chế thì khả năng khai thác nguồn cát có mô đun độ mịn Mk ≤ 2 khá dồi dào (khoảng 100 triệu m3/năm [4]), và lượng đá mạt thải ở một số mỏ đá ở khu vực Bình Phước, Kiên Giang, Đồng Nai, Tây Ninh có khá nhiều. Bê tông cát là bê tông hạt nhỏ bao gồm: cát hạt lớn, cát hạt nhỏ, bột mịn, xi măng, nước và phụ gia và có thể trộn thêm đến 30% đá dăm [9]. Việc sử dụng đá mạt thay thế cho cát hạt lớn và đá dăm có thể trộn thêm vào loại bê tông này là một giải pháp tận dụng được đá mạt hiện đang dư thừa ở các cơ sở sản xuất đá. Trong bê tông cát, cát là bộ khung cốt liệu, và được kéo dài dải cấp phối bằng cách sử dụng thêm chất độn mịn như bụi tro bay, xỉ lò cao, bột đá nghiền.
Cát hạt nhỏ tự nhiên thường chứa các tạp chất có hại đến bê tông, do các hạt nhỏ hơn sàng 75µm trong nó thường là các hạt sét, bùn và bụi [5], [6]. Với đá mạt thì lượng hạt nhỏ chủ yếu là bột do quá trình nghiền đá và đối với bê tông cát loại bột này đóng vai trò quan trọng là bột mịn-một thành phần của cốt liệu. Bài báo này giới thiệu nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát vàng, cốt liệu chính cho bê tông cát, bằng đá mạt ở mỏ đá Hóa An (Đồng Nai) và dùng thêm cát mịn Vĩnh Long và bụi đá còn trong đá mạt. II. VẬT LIỆU CHẾ TẠO Nguyên tắc chế tạo bê tông cát là giảm đường kính lớn nhất của cốt liệu (D) và kéo dài dải hạt bằng cách cho thêm vào trong thành phần cốt liệu các chất độn mịn là các loại bột khoáng nghiền mịn [9]. Vật liệu chế tạo bê tông cát bao gồm: 2.1. Cốt liệu Cát mịn có nguồn gốc từ Vĩnh Long có lượng hạt < 0.63mm chiếm 83%, độ hút nước 2.15%, hàm lượng ion Cl- chiếm 0.006%, hàm lượng bụi bùn sét chiếm 2%, tạp chất hữu cơ nhạt hơn màu chuẩn. Cát thô được lấy từ hồ Trị An, có thành phần hạt phân bố từ 0,075 đến 4,75mm, nhưng hàm lượng hạt nhỏ hơn 0,3mm rất nhỏ, hàm lượng bụi bùn sét chiếm 1.3%, tạp chất hữu cơ dùng phương pháp so màu: không thẫm hơn màu chuẩn. Thành phần của hỗn hợp sử dụng được trộn theo tỷ lệ cát thô/cát mịn là 6/4 theo khối lượng. Đá thải Hóa an sau khi phân tích thành phần có: 46% cỡ hạt từ 4,75 ÷ 9,5mm, 6,4% cỡ hạt CT 2 lọt qua sàng 75µm, và thành phần còn lại được trộn với cát mịn Vĩnh Long theo tỷ lệ là 60% đá thải và 40% cát mịn có thành phần được ghi ra bảng sau: Bảng 1. Thành phần cấp phối của các loại vật liệu sử dụng Lượng lọt sàng (%) Đường Cát mịn Cát thô Đá thải Hỗn hợp cát Hỗn hợp Theo kính sàng Vĩnh Trị An Hóa An mịn và cát thô cát mịn ASTM C33 mm Long (đã sàng) và đá thải 9.5 100 100 100 100 100 100 4.75 99.9 94.50 100 97.74 99.96 95 ÷ 100 2.36 96.6 79 69.60 89.56 80.40 80 ÷ 100 1.18 93.0 56.5 37.00 78.4 59.40 50 ÷ 85 0.6 83.0 22 20.80 58.6 45.68 25 ÷ 60 0.3 52.0 5.5 6.0 33.4 24.44 5 ÷ 30 0.15 2.0 0 2.0 1.2 2 0 ÷ 10 Mô đun 1.74 3.33 3.65 2.75 2.88 độ lớn: Mk Thành phần của đá mạt bảng trên sau khi đã sang bỏ các hạt > 4,75mm (coi như các hạt này là lượng đá dăm trộn vào bê tông cát). Các chỉ tiêu cơ lý của cát và đá mạt đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn cốt liệu cho bê tông TCVN 7570-2006 và ASTM. Đối với lượng bột đá trong đá mạt
thì có thể coi là lượng bột mịn chiếm tỷ lệ theo khối lượng là 6.4%, theo ASTM C33 là 5% với các loại cốt liệu bê tông, nhưng tỷ lệ này theo BS 822 có thể là 15% [5]. Hỗn hợp cốt liệu được dùng để thí nghiệm gồm có 2 loại: hỗn hợp hai cát kí hiệu mẫu là C, hỗn hợp đá thải và cát kí hiệu mẫu là DC, được chế tạo để đánh giá các tính năng cơ học cũng như về tính độ bền. Khi trộn đá mạt Hóa an với cát mịn Vĩnh Long theo tỷ lệ trên đây kết quả cho thấy rằng hỗn hợp cốt liệu này gồm: Đá 4,75÷9,5mm chiếm: 46%*60% = 27,6% theo khối lượng của hỗn hợp cốt liệu – tỷ lệ này < 30% cốt liệu lớn do đó có thể coi rằng bê tông cát loại có trộn cốt liệu lớn. Hàm lượng bột trong đá thải chiếm: 6,4%*60% = 3,84 % theo khối lượng của hỗn hợp cốt liệu đây là thành phần bột mịn trong cốt liệu của bê tông cát, tuy nhiên khi sử dụng cho bê tông cát thì được trộn thêm với bột đá vôi để đảm bảo rằng lượng bột tối ưu như các nghiên cứu trước đây. 2.2. Xi măng Xi măng Nghi sơn PCB40 có khối lượng riêng là 3,1g/cm3, có tỷ diện tích bề mặt đạt: 3690 (cm2/g) và có thành phần hóa học và khoáng vật ghi trong bảng 2 và bảng 3. Bảng 2. Thành phần hóa học của xi măng Nghi Sơn PCB40 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO 3 Na2O K2O CaO tự do 21.29 5.72 3.30 63.18 1.1 1.9 0.12 0.30 0.193 Bảng 3. Thành phần khoáng vật của xi măng Nghi Sơn PCB40 C3S C2S C3A C4AF Phụ gia khoáng 52.5 25 5.1 10 7.4 Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này tương đương với xi măng CEM I, hoặc ASTM C1157 loại I. CT 2 2.3. Các chất độn mịn * Tro bay: Tro bay là một phụ gia hoạt tính cao, còn được gọi là puzzolan nhân tạo, có tính puzzulan cao, thành phần của nó nó bao gồm: silic oxit, nhôm oxít, canxi oxit, mange oxit là lưu huỳnh oxít và một lượng than chưa cháy hết (gọi là hàm lượng mất khi nung). Tro bay loại F chỉ có tính pozzulan còn tro bay loại C có thêm đặc tính dính kết. Tro bay là những hạt cầu mịn, cỡ hạt 1μm đến 1000 μm, tỉ diện bề mặt 250 đến 350 m2/kg. Yêu cầu về thành phần hoá học của loại tro dùng trong nghiên cứu này ghi trong bảng 4. Bảng 4. Thành phần hóa học của tro bay Phú Mỹ Tro bay Thành phần Tro bay loại F Tro bay loại C Phú Mỹ Silic dioxit (SiO2) + Nhôm ôxit (Al2O3) 70 50 94 + sắt ôxit (Fe2O3), min, % Sunfua trioxit (SO3), max, % 5,0 5,0 0.1 Độ ẩm, max, % 3,0 3,0 3,0 Lượng mất khi nung, max, % 6,0 6,0 0.6 Độ kiềm chuyển đổi sang Na2O, max, % 1,5 1,5 0,1 Lượng sót trên sàng 45μm (No 325), 34 34 34 (phương pháp sang ướt), max, %.
Độ mịn của tro bay được biểu thị lượng sót tích lũy trên sàng 45μm (No 325) tính bằng %. Chỉ tiêu này không vượt quá 34% đối với cả hai loại tro bay. Các chỉ tiêu vật lý khác của tro bay phải phù hợp với các qui định của tiêu chuẩn ASTM C618-03. Tro bay trong nghiên cứu này thuộc loại F có tính pozzulan không có tính dính kết. Hàm lượng tro bay có thể từ 10÷25% so với lượng xi măng sử dụng trong bê tông cát. * Bột đá vôi: Bột đá vôi là sản phẩm của quá trình nghiền mịn đá vôi (hơn 90% hạt lọt qua sàng 0,075). Hàm lượng CaCO3 cao hơn 90%, có khi lên tới 97 - 99%. Nó có ưu điểm là rắn chắc nhanh và cường độ cao hơn vôi nhuyễn do tận dụng được nhiệt lượng tỏa ra khi tôi để tạo ra phản ứng silicat. Theo tài liệu [9] cho thấy lượng bột đá vôi để đảm bảo cả về độ dẻo và cường độ của bê tông cát nên dùng là 125 ÷ 150kg. Bột mịn dùng trong nghiên cứu là bột đá vôi nghiền mịn có thành phần khoáng vật và các thông số vật lý trình bày ở bảng sau. Bảng 5. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bột đá vôi dùng làm chất độn mịn Các yêu cầu kỹ thuật bột đá vôi Kết quả thí nghiệm Quy định tiêu chuẩn Lượng lọt qua sàng 0.063 mm 82% >70 % 321m2/kg >220m2/kg Độ mịn Blaine Tổng lượng khoáng (CaCO3+MgCO3) - >90% Tổng hàm lượng CaCO3 98% >65% Hàm lượng hợp chất hữu cơ 0.1%
Bảng 6. Thành phần cho 1m3 bê tông cát với các loại chất độn mịn Hỗn hợp bê tông cát CV CFA CSF DC Lượng nước N, lít 205 205 205 205 Xi măng, (kg/ 1m3 bê tông) 450 360 405 450 Bột đá vôi (kg/ 1m3 bê tông) 125 125 125 + 57 Tro bay (kg / % theo kl xi măng) - 90/20 - - Muội silic (kg / % theo kl xi măng) - - 45/10 - Cốt liệu lớn (4.75mm÷ 9.5mm), kg - - - 415 Cốt liệu nhỏ (Mk≥2), kg 902 902 902 653 Cốt liệu nhỏ (Mk90%. Sau 24 giờ thì tháo khuôn và ngâm vào bể nước đến ngày thí nghiệm. 3.3. Thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu thử bê tông Máy nén 300T hãng ELE đã được kiểm định của Viện đo lường chất lượng, phòng Thí nghiệm VLXD Đại học Giao thông Vận tải. Các mẫu thử được thử nghiệm theo tuổi 7, 14, 28 ngày theo ASTM C39. Mẫu thử ở trạng thái khô và được làm phẳng bề mặt của mẫu. Tốc độ tăng tải 5.3kN/s (tự động đặt theo máy đo Mode 1). 3.4. Thí nghiệm cường độ chịu uốn của mẫu thử bê tông Thử nghiệm uốn mẫu theo ASTM C78-02, mẫu dầm trạng thái uốn theo kiểu 3 điểm đặt lực. Tốc độ tăng tải cho thí nghiệm uốn là 0,2 kN/s. IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các kết quả thực nghiệm các tính chất của bê tông cát với các loại chất độn mịn bột đá vôi, tro bay và muội silic được thống kê trong bảng 7.
Bảng 7. Kết quả thí nghiệm các tính chất của bê tông cát với các loại chất độn mịn Bê tông cát CV CFA CSF DC Cường độ nén 7 ngày (MPa) 29.05 31.02 33.80 36.85 Cường độ nén 14 ngày (MPa) 33.65 40.71 43.11 47.71 Cường độ nén 28 ngày (MPa) 38.73 41.91 46.34 48.49 Cường độ kéo uốn 3 ngày (MPa) 3.76 3.82 3.74 4.30 Cường độ kéo uốn 14 ngày (MPa) 4.22 4.87 4.73 4.61 Cường độ kéo uốn 28 ngày (MPa) 4.35 4.49 4.56 5.12 Độ mài mòn (g/cm2) 0.23 0.18 0.17 0.19 Điện lượng truyền qua (Culong) 3872 1987 1578 2943 C ư ờ n g đ ộ c h ị u k éo u ố n R n (M p a ) C ư ờ n g đ ộ c h ịu n é n R n ( M p a ) 5 50 CV CV 4 40 CFA CFA 3 30 CSF CSF 2 20 DC DC 1 10 0 0 3 7 14 28 3 7 14 28 Ngày tuổi Ngày tuổi Hình 2. Sự tăng cường độ kéo uốn theo thời gian Hình 1. Sự tăng cường độ nén theo thời gian của các loại bê tông cát của các loại bê tông cát CT 2 Sự thay đổi cường độ theo thời gian của các loại bê tông cát thí nghiệm được trình bày ở hình 1 và hình 2. Kết quả cho thấy cường độ của bê tông cát khi sử dụng đá mạt, tro bay và muội đều tăng cường độ nhanh ở tuổi từ 7 đến 14 ngày. Cường độ nén đạt được ở tuổi 7 ngày của mẫu CV, CFA, CSF, DC lần lượt là: 75%, 74%, 73%, 76% so với cường độ 28 ngày tuổi của các mẫu đó. Cường độ chịu nén đạt được của bê tông cát sử dụng đá mạt ở 28 ngày tuổi cao hơn bê tông cát sử dụng bột đá vôi, tro bay và muội lần lượt là: 1.25, 1.16, 1.05. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cát sử dụng đá mạt ở 28 ngày tuổi cao hơn so với bê tông cát thường chỉ có bột đá vôi, tro bay, và muội lần lượt là: 1,18; 1,14; 1,08. 0.25 4000 Đ iệ n lượng thấ m qua (Culong) 3500 0.20 Mức trung bình Đ ộ m ài m ò n (g /c m ) 2 3000 0.15 2500 2000 0.10 1500 Mức thấp 1000 0.05 500 0.00 0 CV CFA CSF DC CV CFA CSF DC Hình 3. Ảnh hưởng của các loại bột và đá mạt Hình 4. Mức độ thấm ion Cl- của BTC đến độ mài mòn của bê tông cát
Như vậy khi trộn thêm khi trộn thêm thành phần đá nhỏ (4.75÷9.5mm) cho phép cải thiện cường độ của bê tông cát tương tự nghiên cứu [9]. Quan sát trên biểu đồ hình 3 và kết quả thí nghiệm từ bảng 7 và các tài liệu nghiên cứu trước đây cho thấy rằng: Bê tông cát khi sử dụng đá mạt, tro bay và muội silic giảm đáng kể độ chống mài mòn hay nói cách khác khả năng chống mài mòn của bê tông cát được cải thiện khi sử dụng đá mạt, tro bay hoặc muội silic. Với bê tông cát sử dụng đá mạt với tỷ lệ N/X = 0.46, đá mạt 60% và 40% cát mịn cho độ mài mòn là: 0.19 g/cm2 thấp hơn so với bê tông cát với N/X =0.46, cát thô 60% và 40% cát mịn là 83%. Mức độ chống thấm Ion Cl- của bê tông cát thấy rằng, khi sử dụng muội silic và tro bay đều làm giảm đáng kể khả năng chống thấm Ion Cl-, còn bê tông cát dùng đá mạt khả năng chống thấm Ion Cl giảm so với bê tông cát thường tuy nhiên sự thay đổi này không rõ nét. Vậy muốn cải thiện khả năng chống thấm của Ion Cl- phải bê tông cát nên cho thêm vào các bột mịn hoạt tính như tro bay, muội silic, tro trấu. V. KẾT LUẬN Đá mạt dùng trong nghiên cứu, sau khi phân tích thành phần có 46% thành phần hạt trên sàng 4.75mm, 6.4% hạt nhỏ lọt sàng 75µm, phần còn lại có cấp phối hạt tương tư như cát vàng sử dụng cho bê tông thông thường. Như vậy khi sử dụng cho bê tông cát không cần loại bỏ bất kỳ loại hạt nào mà tiến hành trộn trực tiếp đá mạt và cát mịn để thành hỗn hợp cốt liệu cho bê tông cát. CT 2 Với thành phần nghiên cứu về bê tông cát sử dụng đá mạt, bê tông cát thông thường trên đây. Độ mài mòn của bê tông cát sử dụng đá mạt cải thiện so với bê tông cát thông thường. Mức độ chống thấm ion Clo của bê tông cát sử dụng đá mạt thấp hơn so với bê tông cát thông thường. Vì vậy bê tông cát sử dụng đá mạt mở ra triển vọng chế tạo bê tông cát có độ bền cao. Khi sử dụng thay thế một phần xi măng bằng các bột khoáng mịn hoạt tính (tro bay, muội silic) đều làm tăng khả năng chống mài mòn, giảm khả năng thấm ion clo của bê tông cát và tăng cường độ chịu nén, kéo uốn cho bê tông cát chỉ sử dụng bột đá vôi. Như vậy cần có nghiên cứu xa hơn về sự kết hợp của các loại bột này trong bê tông cát để tăng độ bền cho loại bê tông này. Khi thay thế cát thô (vật liệu đang khan hiếm ở một số khu vực) bằng đá mạt (đá thải từ các mỏ đá) trong thành phần của bê tông cát thì cải thiện đáng kể cường độ chịu nén, chịu kéo uốn của bê tông cát. Cụ thể với thành phần thí nghiệm đã tiến hành của bê tông cát DC (gồm 60% đá mạt Hóa an (Đồng nai), 40% cát mịn Vĩnh Long, tỷ lệ N/X = 0.46, lượng xi măng là 450kg) thì cường độ chịu nén cao hơn 25% và kéo uốn cao hơn 18% so với bê tông cát sử dụng cát vàng CV (gồm 60% cát vàng Trị An, 40% cát mịn Vĩnh Long, tỷ lệ N/X = 0.46, lượng xi măng là 450kg).
Hiện nay các mỏ khai thác đá đều thải ra một lượng khoảng 25%÷40% là đá mạt, nếu tận dụng được nguồn đá mạt thải này thì sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế và môi trường. Tài liệu tham khảo [1]. KS Nguyễn Thị Hồng, KS Tạ Khánh Hiệp (2004): Điều chỉnh quy hoạch VLXD vùng Đồng bằng sông cửu Long, (Bà rịa Vũng Tàu, Bình Phước) đến năm 2010. Tuyển tập Các công trình NCKH công nghệ VLXD 1999-2004, Nhà xuất bản Xây dựng 2004. trang 27. [2]. TS Nguyễn Quang Cung (2004): Nghiên cứu sử dụng cát nghiền sử dụng cho bê tông và vữa xây dựng. Tuyển tập Các công trình NCKH công nghệ VLXD 1999-2004, Nhà xuất bản Xây dựng 2004. trang 97. [3]. Nguyễn Viết Trung, Đinh Công Tâm (2006): Tình hình cát dùng để sản xuất bê tông cho các dự án giao thông trong khu vực Nam bộ. Tạp chí Cầu đường Việt Nam, Số 5. trang 39. [4]. Tuyển tập báo cáo hội thảo xây dựng cầu đường Đông bằng Sông cửu Long năm 2006, TPHCM. [5]. Tahir Celik and Khaled Marar-Turkey (1996): Effect of crushed stone dust on some properties of concrete. Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 7, pp. 1121-1130. [6]. V.L. Bonavetti and E.F. Irassar- Argentina (1994): The effect of stone dust content in sand. Cement and Concrete Research, Vol. 24, No. 3, pp. 580-590. [7]. J. -K. Kim, C. -S. Lee, C. -K. Park and S. -H. Eo (1997): The fracture characteristics of crushed limestone sand concrete, Cement and Concrete Research, Volume 27, Issue 11, pp. 1719-1729. [8]. A. Omoregie, O.E. Alutu (2006): The influence of fine aggregate combinations on particle size distribution, grading parameters, and compressive strength of sandcrete blocks, Canadian Journal of Civil Engineering Volume 33, Number 10, pp. 1271-1278(8). [9]. Béton de sable, caractéristiques et pratiques d’utilisation, Synthése du Projet National de Recherche et Développement SABLOCRETE, vol. 237, Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, ISBN: 2- 85978-221-4, 1994, (in French)♦ CT 2