Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
151
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT BIỂN
THAY THẾ CÁT SÔNG ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
Ngô Thị Ngọc Vân, Nguyễn Quang Phú
Trường Đại học Thủy lợi, email: vanntn@tlu.edu.vn
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Với thực trạng hàng nghìn tấn xỉ quặng từ
các nhà máy gang thép thải ra mỗi ngày, chi
phí tốn kém cho những lần vận chuyển và
chôn lấp, nếu không biết tận dụng nguồn
nguyên liệu sẵn có này trong sản xuất vật liệu
xây dựng thì sẽ rất lãng phí và ảnh hưởng đến
môi trường. Trong khi các nguồn tài nguyên
như cốt liệu đá dăm, sỏi, cát sông (đá, cát tự
nhiên) dùng để sản xuất bê tông thì đang dần
khan hiếm và cạn kiệt do nhu cầu khai thác
và tốc độ xây dựng như hiện nay, nếu tận
dụng được các nguồn nguyên liệu xỉ quặng
này làm cốt liệu sản xuất bê tông sẽ mang lại
hiệu quả thiết thực cả về mặt kinh tế và môi
trường xây dựng.
Cát biển có thể khai thác tại vị trí xây dựng
công trình sẽ có nhiều ưu điểm để thay thế
một phần cát sông trong xây dựng, đặc biệt là
những công trình vùng ven biển và hải đảo.
Về mặt kinh tế, cát biển rẻ hơn và đang dần
có tính cạnh tranh cao so với cát sông. Trong
điều kiện xây dựng như hiện nay của Việt
Nam, khi cát sông cần được hạn chế khai
thác làm cát xây dựng thì cát biển là phương
án thay thế phù hợp theo các hướng như: tận
dụng cát biển thu được trong quá trình nạo
vét đáy biển, đưa lên bờ khử mặn bằng nước
mưa (nước ngọt) và để khô tự nhiên. Ngoài
ra, trong quá trình nạo vét cửa sông để khai
thông luồng lạch tại các cống vùng triều ven
biển, lượng cát biển này sử dụng để thi công
bê tông các công trình Thủy lợi và các công
trình ven biển sẽ tận dụng được nguồn vật
liệu tại chỗ một cách hiệu quả nhất, sẽ giảm
được giá thành xây dựng.
Để kịp thời đáp ứng yêu cầu như trên, định
hướng nghiên cứu về công nghệ sản xuất bê
tông từ cốt liệu mịn là cát biển thay thế cát
sông kết hợp với cốt liệu thô là xỉ thép, đánh
giá các đặc tính kỹ thuật của bê tông thiết kế
là hết sức cần thiết; từ đó đưa ra các đề xuất
để có thể sử dụng loại vật liệu này trong sản
xuất bê tông xây dựng các công trình tại Việt
Nam nói chung, đặc biệt là ứng dụng cho các
công trình Thủy lợi, các công trình ven biển
mang tính thời sự và có ý nghĩa khoa học.
Trong nước có rất nhiều nhà máy nhiệt
điện đốt than, hàng năm cung ứng hàng triệu
tấn Tro bay có thể sử dụng làm phụ gia
khoáng (PGK) cho bê tông sẽ mang lại hiệu
quả thiết thực, tránh lãng phí nguồn nguyên
liệu sẵn có, góp phần làm đa dạng nguồn vật
liệu sản xuất bê tông cho xây dựng các công
trình. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng PGK
là Tro bay kết hợp việc sử dụng cốt liệu thô
là xỉ thép và cốt liệu mịn là cát biển thay thế
cát sông (cát tự nhiên) để chế tạo bê tông sẽ
mang lại hiệu quả thiết thực và bê tông thiết
kế có tính ứng dụng trong thực tế rất cao.
Trong nghiên cứu sử dụng cốt liệu xỉ thép
thay thế đá dăm tự nhiên kết hợp với cát biển
và PGK hoạt tính Tro bay (FA) để sản xuất bê
tông ứng dụng cho các công trình Thủy lợi.
2. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
2.1. Xi măng
Đề tài sử dụng xi măng PC40 Chinfon Hải
Phòng thiết kế bê tông, kết quả thí nghiệm
một số tính chất của xi măng như: Khối
lượng riêng 3,15 g/cm3, lượng nước tiêu
chuẩn 29,6%, thời gian bắt đầu đông kết
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
152
118,5 phút, thời gian kết thúc đông kết 315,5
phút, giới hạn bền nén tuổi 28 ngày đạt 49,55
N/mm2 và các tính chất khác của XM đạt yêu
cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009.
2.2. Tro bay
Tro bay Phả Lại được sử dụng thay thế
một phần xi măng trong các cấp phối bê tông
thiết kế. Các tính chất cơ lý và thành phần
hóa học của Tro bay như: Độ ẩm 0,26%, khối
lượng thể tích xốp 948 kg/m3, khối lượng
riêng 2,25 g/cm3, hàm lượng SO3 = 0,18%,
hàm lượng SiO2 = 53,6%, hàm lượng Fe2O3 =
12,5%, hàm lượng Al2O3 = 33,8% và một số
tính chất khác của tro bay đạt yêu cầu theo
TCVN 10302:2014.
2.3. Cốt liệu thô (xỉ thép)
Xỉ thép được lấy ở khu công nghiệp luyện
gang thép Hòa Phát - Kinh Môn - Hải Dương
và thí nghiệm phân loại thành phần hạt sao
cho đạt cỡ hạt (5-20) mm theo tiêu chuẩn.
Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu xỉ thép như
trong bảng 1.
Bảng 1. Tính chất của cốt liệu xỉ thép
TT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả
TNo
1 Khối lượng riêng g/cm3 3,55
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 2,06
3 Độ hút nước % 2,55
2.4. Cốt liệu mịn (cát sông)
Cát được lấy từ công trình về thí nghiệm,
kết quả thí nghiệm cát dùng chế tạo bê tông:
Khối lượng riêng 2,68 g/cm3, khối lượng thể
tích xốp 1,66 g/cm3, độ rỗng 38,10%, một số
chỉ tiêu cơ lý khác và thành phần hạt của cát
phù hợp TCVN 7570-2006.
2.5. Cốt liệu mịn (cát biển)
Sử dụng cát biển từ vùng biển Hải Phòng có
các chỉ tiêu cơ lý và thành phần hạt: Cát khá
mịn (Mdl = 1,82 < 2), có hàm lượng hạt nhỏ
hơn 0,14mm là 15,2%; hàm lượng ion Clo: Cl-
= 0,20%; tạp chất khác nằm trong phạm vi cho
phép. Kết quả thí nghiệm một số tính chất cơ
lý khác của cát biển đạt TCVN 7570-2006.
2.6. Nước trộn và bảo dưỡng
Sử dụng nước sinh hoạt phù hợp tiêu
chuẩn TCVN 4506:2012.
2.7. Phụ gia siêu dẻo
Sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao
gốc Polycacboxylate (PC - phụ gia siêu dẻo thế
hệ 3) phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494.
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Thiết kế cấp phối bê tông
Đề tài nghiên cứu với bê tông sử dụng cốt
liệu cát biển và xỉ thép, sử dụng cho các công
trình Thủy lợi chịu lực, chọn độ sụt yêu cầu
SN = 10±2cm, mác bê tông thiết kế ở tuổi 28
ngày của mẫu đối chứng (cốt liệu mịn là cát
tự nhiên) đạt 30MPa. Sau khi tính toán được
khối lượng các loại vật liệu cho 1m3 bê tông
với cát tự nhiên là (CP1), thay cát biển
(CP2). Thành phần vật liệu cho các cấp phối
bê tông thiết kế như trong bảng 2.
Bảng 2. Thành phần vật liệu 1m3 bê tông
Cấp
phôi
XM
(kg)
FA
(kg)
Nước
(lít)
Cát
biển
(kg)
Cát
tự
nhiên
(kg)
Xỉ
thép
(kg)
PGSD
(lít)
CP1 270 90 162 860 - 1380 4,32
CP2 270 90 162 - 860 1380 4,32
3.2. Kết quả thí nghiệm độ sụt
Sử dụng nón cụt tiêu chuẩn (D10D20H30)
thí nghiệm xác định độ sụt của các hỗn hợp
bê tông (HHBT) cho các cấp phối bê tông
khác nhau theo tiêu chuẩn, sau đó giữ HHBT
sau 30 phút để kiểm tra lại độ sụt. Kết quả
kiểm tra độ sụt của các HHBT thể hiện như
trong bảng 3.
Bảng 3. Kết quả TNo độ sụt các HHBT
Độ sụt (cm)
Cấp phối Không
PGSD
Có
PGSD
Có PGSD,
sau 30 phút
CP1 7,0 11,0 9,5
CP2 8,0 12,5 11,5
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
153
Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm độ sụt
(Sn, cm) ở bảng 3, có thế thấy HHBT thiết kế
khi chưa có PGSD thì chỉ có HHBT sử dụng
cát tự nhiên (CP2) thỏa mãn yêu cầu thiết kế.
Khi các HHBT có pha PGSD với hàm lượng
hợp lý thì HHBT sử dụng cát biển (CP1) có
độ sụt thỏa mãn yêu cầu thiết kế theo TCVN.
Khi sử dụng cát sông, thì độ sụt của các
HHBT tăng lên so với HHBT sử dụng cát
biển từ 1,0 đến 2,0 cm, điều này cho thấy cát
biển mịn hơn cát sông và hút nước mạnh hơn
cát sông rất nhiều (mô đun độ lớn của cát
biển Mđl = 1,82; còn cát sông Mđl = 2,86) sẽ
làm cho độ sụt của HHBT giảm mạnh. Sự có
mặt của phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao
gốc Polycarboxylate trong BT sử dụng cát
biển là rất cần thiết để duy trì độ sụt của
HHBT trong quá trình thi công.
3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén
Đúc các tổ mẫu thí nghiệm hình lập phương
(151515)cm, mẫu chế tạo và bảo dưỡng
theo TCVN 3105:2022. Kết quả thí nghiệm
Rn ở 7 và 28 ngày tuổi của các cấp phối bê
tông như trong biểu đồ hình 1.
Hình 1. Biểu đồ so sánh Rn của CP1, CP2
3.4. Kết quả thí nghiệm mác chống thấm
Đúc các tổ mẫu BT có kích thước
(D15H15) cm. Các mẫu BT sau khi đúc sẽ
được tháo khuôn, bảo dưỡng trong điều kiện
tiêu chuẩn cho đến khi mẫu đủ ngày tuổi thí
nghiệm. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra mác
chống thấm của các cấp phối bê tông ở 28 và
90 ngày tuổi, kết quả được thể hiện ở bảng 4.
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm mác chống thấm
Mác chống thấm W, at
Cấp phối 28 ngày 90 ngày
CP1 W8 W10
CP2 W8 W10
4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
Từ các kết quả TNo như trên, nhận thấy:
+ So với bê tông sử dụng cốt liệu cát biển
(CP1) thì bê tông sử dụng cốt liệu cát sông
(CP2) có cường độ nén cao hơn 9,32% ở tuổi
7 ngày và 14,64% ở tuổi 28 ngày. Cường độ
nén của các mẫu BT chế tạo bằng cát biển
giảm từ 9% đến 15% so với các mẫu BT chế
tạo bằng cát sông, sự giảm cường độ nén như
vậy cũng không phải là chênh lệnh quá nhiều
khi thay thế cát sông bằng cát biển. Như vậy,
việc thay thế cát sông bằng cát biển để chế
tạo BT ứng dụng cho các công trình Thủy lợi
là hoàn toàn khả thi.
+ Tất cả các mẫu bê tông chế tạo có mác
chống thấm (W, at) thỏa mãn các yêu cầu thi
công cho các công trình Thủy lợi theo TCVN
8218:2009 và TCVN 9139:2012.
+ Cát biển có độ mịn cao và mô đun độ lớn
thấp hơn cát sông, vì vậy khi thiết kế một số
mác bê tông thi công cho các công trình Thủy
lợi, cần thiết phải sử dụng cốt liệu xỉ thép kết
hợp với các loại PGK và PGSD với hàm
lượng hợp lý, đảm bảo bê tông chế tạo có tính
bền và mác chống thấm cao, đáp ứng đầy đủ
yêu cầu thi công các công trình Thủy lợi.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TCVN 2682:2009: Xi măng Poóc lăng -
Yêu cầu kỹ thuật.
[2] TCVN 7570:2006: Cốt liệu cho bê tông và
vữa - Yêu cầu kỹ thuật.
[3] QĐ số 430/QĐ-BXD ngày 16/05/2017 Chỉ
dẫn kỹ thuật “Xỉ gang và xỉ thép sử dụng
làm vật liệu xây dựng” của Bộ Xây dựng.
[4] TCVN 8218:2009, Bê tông thủy công - Yêu
cầu kỹ thuật.
[5] TCVN 10302:2014: Phụ gia hoạt tính tro
bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng.
[6] ASTM C494-86: Standard Specification for
Chemical Admixtures for Concrete.