20
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NGHIỀN CHẾ TẠO BÊ TÔNG
CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN ĐẠT 120 MPA
RESEARCH ON USE MANUFACTURED SAND TO MAKE
CONCRETE WITH A COMPRESSI STRENGTH OF 120 MPA
KS. Trần Quốc Hoàn
Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Email: Hoan.ibst2016@gmail.com
TÓM TẮT: Bê tông cường độ cao thường sử dụng vật liệu có yêu cầu về chất lượng cao, công nghệ thi
công phức tạp, chi phí sản xuất cao,... Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, việc khan hiếm cát tự nhiên
đang là vấn đề được nhà nước cũng như ngành xây dựng quan tâm. Việc thay thế nguồn nguyên liệu tự
nhiên bằng các vật liệu nhân tạo như cát nghiền đang được nhà nước quan tâm hỗ trợ, khuyến khích triển
khai vào thực tế công trình. Kết quả nghiên cứu trong bài báo là có thể sử dụng cát nghiền chế tạo bê tông
cường độ cao. Sử dụng 100% cát nghiền kết hợp với silicafume và tro bay chế tạo được bê tông có cường
độ đạt 120MPa, độ chảy loang 600 mm.
TỪ KHÓA: Bê tông cường độ cao, cát nghiền.
ABSTRACTS: High-Strength Concrete often uses materials with high quality requirements, complicated
construction technology, high production costs,... However, in recent times, the scarcity of natural sand is
a matter of concern to the state as well as the construction industry. The replacement of natural materials
with artificial materials such as manufactured sand is being supported and encouraged by the state to be
implemented in practice. The research results in the article are that it is possible to use manufactured
sand to make high-strength concrete. Using 100% manufactured sand with silicafume and fly ash to make
concrete with a strength of 120MPa, a flow of 600mm.
KEYWORDS: High - Strength Concrete, manufactured sand.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao, chất lượng cao
đã được thực hiện bắt đầu từ những năm 1970 cho đến nay. Các công trình thực tế sử dụng bê
tông cường độ cao đã và đang đem lại một nguồn nguyên liệu chất lượng cho các công trình xây
dựng hiện đại. Việc sử dụng bê tông cường độ cao giúp tăng công năng và khả năng làm việc
cho các công trình, tăng khả năng thiết kế về kiến trúc và ứng dụng. Nghiên cứu chế tạo bê tông
cường độ cao trên thế giới đến nay có thể chế tạo được bê tông có cường độ đạt trên 200 MPa.
Việc sử dụng cát nhân tạo để thay thế nguồn cát sông truyền thống cũng đã được thực hiện ở
nhiều nước trên thế giới. Một số nghiên cứu ứng dụng cát nghiền có thể chế tạo bê tông cường
độ đạt trên 120MPa. Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn cát này vào ứng dụng bê tông cường độ cao
còn đang được nghiên cứu tại nhiều quốc gia.
Ở nước ta, các nghiên cứu, ứng dụng bê tông cường độ cao (BTCĐC) đã và đang được triển
khai mạnh mẽ để ứng dụng vào thực tế. Việc chế tạo BTCĐC cùng với nguyên vật liệu trong
nước đã được nghiên cứu thành công và đang từng bước ứng dụng vào các công trình thực tế.
Bước đầu hiện nay đã có những công trình quy mô nhỏ như cầu dân sinh ở hệ thống đồng bằng
21
sông Cửu Long đang được chế tạo và sử dụng với thành mỏng từ BTCĐC thử nghiệm và ứng
dụng trong thực tế. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây đã có một số công trình có quy mô
như: cải tạo kè Hồ Gươm, sửa chữa mặt cầu Thăng Long hoàn thành và sử dụng đầu năm 2021
sử dụng BTCĐC. Đặc biệt, công trình cải tạo mặt cầu Thăng Long là công trình trọng điểm được
đầu tư sử dụng BTCĐC với nguyên liệu là nguồn cát quắc có kích thước hạt lớn là 600 µm với
yêu cầu chất lượng cao, chi phí thi công lớn. Bên cạnh đó, hiện chưa có tài liệu tiêu chuẩn hướng
dẫn về chế tạo và ứng dụng loại bê tông này với nguồn nguyên liệu thực tế ở trong nước. Việc
nghiên cứu để phổ biến và ứng dụng BTCĐC cần tiếp tục để giảm tải những nhược điểm khi sử
dụng như: giá thành cao, vật liệu yêu cầu chất lượng tốt, quy trình trộn và ứng dụng chưa có tài
liệu, quy chuẩn, tình hình thực tế sau khi sử dụng BTCĐC chưa có đánh giá lâu dài,....
Hình 1. Đổ bê tông sửa chữa Cầu Thăng Long (Internet)
BTCĐC được nghiên cứu và ứng dụng bước đầu ở nước ta đang sử dụng vật liệu có yêu cầu
kỹ thuật cao, đặc biệt là cát quắc có kích thước hạt lớn nhất nhỏ, là loại cát tự nhiên và được
tuyển chọn kỹ càng để sử dụng. Điều này góp phần làm tăng chi phí cho BTCĐC. Đồng thời, ở
Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu việc sử dụng cát nhân tạo (cát nghiền) trong BTCĐC để
thay thế cát tự nhiên (cát quắc) đang dần bị khan hiếm. Nguồn vật liệu chế tạo bê tông này cần
phải được nghiên cứu và tìm kiếm các vật liệu thay thế như cát nhân tạo,... để đảm bảo sự phát
triển của BTCĐC hiện nay và sau này.
Bên cạnh đó, vật liệu cát hay cốt liệu nhỏ đóng vai trò quan trọng trong chế tạo bê tông
cường độ cao. Các tính chất của cát ảnh hưởng lớn đến chất lượng của bê tông.
- Sử dụng cát nghiền có bề mặt góc cạnh, không trơn nhẵn, có thể làm giảm độ sụt so với bê
tông sử dụng cát tự nhiên. Vì vậy, để sử dụng cát nghiền thì lượng nước sử dụng trong bê tông
có xu hướng tăng.
- Cường độ của bê tông trong bê tông cường độ cao được quyết định chủ yếu từ cường độ đá
xi măng. Việc sử dụng cát nghiền trong bê tông làm thay đổi cấu đá xi măng trong bê tông, làm
tăng diện tích tiếp xúc giữa đá xi măng và bề mặt cốt liệu. Nếu sử dụng các biện pháp tăng
22
cường chất lượng vùng chuyển tiếp này thì cường độ và chất lượng của bê tông tăng cao. Việc sử
dụng kết hợp phụ gia khoáng và phụ gia siêu dẻo trong bê tông sử dụng cát nghiền có thể giúp
tăng cường chất lượng bê tông.
Đánh giá:
Sử dụng cát nghiền ở Việt Nam có thể chế tạo bê tông cường độ đạt 120 MPa khi kết hợp
với phụ gia siêu dẻo giảm nước cao, tổ hợp phụ gia khoáng silicafume và tro bay.
Nghiên cứu bê tông cường độ cao, chất lượng cao với các nguồn nguyên liệu sử dụng cát
nghiền cần phải thực hiện nhiều và tiếp tục phát triển để phù hợp với điều kiện và tình hình
chung của ngành Vật liệu Xây dựng và các công trình xây dựng trong tương lai.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông
Nghiên cứu lựa chọn các nguồn vật liệu hiện có ở Việt Nam, nguồn vật liệu sản xuất trong
nước (xi măng PC40, cát nghiền, tro bay, nước) đáp ứng yêu cầu TCVN và kết hợp với các sản
phẩm của các công ty nước ngoài (Silica fume, PGSD).
2.1.1. Xi măng
Nghiên cứu sử dụng xi măng Nghi Sơn PC 40 với các tính chất cơ lý đạt yêu cầu theo
TCVN 2682:2009. Kết quả các tính chất của xi măng như sau: Khối lượng riêng 3,15 g/cm3, độ
mịn qua sàng 0,09mm là 0,6%; độ dẻo tiêu chuẩn 28,5%; thời gian bắt đầu đông kết 130 phút và
kết thúc đông kết là 210 phút; cường độ chịu nén tuổi 3 ngày đạt 24,5 MPa, cường độ chịu nén
tuổi 28 ngày đạt 43,3 MPa.
2.1.2. Cốt liệu
Nghiên cứu sử dụng cát nghiền Hòa Bình thỏa mãn TCVN 9205:2012. Nguồn nguyên liệu
cát nghiền được lấy tại các nhà máy chế tạo bê tông thương phẩm. Các tính chất của cát nghiền
được thể hiện trong Bảng 1 và 2
Bảng 1. Tính chất cơ lý của cát nghiền sử dụng trong nghiên cứu
Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Phương pháp thử
Khối lượng riêng g/cm3 2,70 TCVN 7572-4:2006
Khối lượng thể tích xốp Kg/m3 1.590 TCVN 7572-6:2006
Mô đun độ lớn - 3,11 TCVN 9205:2012
Hàm lượng lớn hơn 5mm % 0 TCVN 9205:2012
Hàm lượng hạt nhỏ hơn 0,075mm % 3,6 TCVN 9205:2012
Hàm lượng tạp chất hữu cơ - Sáng hơn màu chuẩn TCVN 7572-9:2006
23
Bảng 2. Thành phần hạt của cát nghiền theo TCVN 9205:2012
Lượng sót trên từng sàng
Lỗ sàng
mm Khối lượng, g Phần trăm, %
Lượng sót tích lũy
%
YCKT
%
5
2,5
1,25
0,63
0,315
0,14
< 0,14
0
116
376
204
184
45
75
0,0
11,6
37,6
20,4
18,4
4,5
7,5
--
11,6
49,2
69,6
88,0
92,5
--
--
0-25
15-50
35-70
65-90
80-95
--
2.1.3. Phụ gia khoáng
- Nghiên cứu sử dụng silicafume (SF) dạng rời của hàng Elkem.
- Sử dụng tro bay (FA) Phả Lại với các tính chất cơ lý phù hợp TCVN 10302:2014.
2.1.4. Phụ gia hóa học
Hiện nay có nhiều loại phụ gia hóa học có các tính năng làm thay đổi tính chất của hỗn hợp
bê tông và bê tông. Phụ gia hóa học phổ biến hiện nay là phụ gia siêu dẻo (giảm nước, tăng
cường độ, tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Lựa chọn phụ gia Master Glenium
ACE 8588 của hãng Basf gốc polycacboxylic ether (PCE) cải tiến, mức độ giảm nước của phụ
gia là trên 40% thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 8826:2011. Một số tính chất của phụ gia: Màu nâu
đậm; khối lượng riêng: 1,08 g/cm3; độ pH: 6,3.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM
2.2.1. Phương pháp tiêu chuẩn
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam và nước ngoài để thí nghiệm, xác
định các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu sử dụng, các tính chất của HHBT và bê tông. Tuy
nhiên, một số chỉ tiêu của hỗn hợp bê tông và bê tông được thực hiện dựa trên cơ sở tiêu chuẩn
khác với hiện nay.
- Tính công tác của hỗn hợp BTCĐC được xác định qua độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông.
Trong nghiên cứu lựa chọn phương pháp sử dụng côn thử độ xòe của vữa theo tiêu chuẩn
BS 4551-1:1998 để tính toán thành phần cấp phối tối ưu. Sau khi có cấp phối tối ưu, kiểm tra độ
chảy xòe của hỗn hợp BT tối ưu bằng phương pháp thí nghiệm sử dụng côn xác định độ sụt của
bê tông dựa trên cơ sở TCVN 12209:2018.
- Cường độ nén trong nghiên cứu được lựa chọn phương pháp dựa trên cơ sở theo
TCVN 3121:2003 với mẫu có kích thước 40 40 160 (mm), với diện tích chịu nén của mẫu là
40 40 (mm).
24
2.2.2. Phương pháp phi tiêu chuẩn
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phần mềm toán học Maple để tính toán
đưa ra cấp phối tối ưu của BTCĐC.
3. TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Lựa chọn thành phần cấp phối sơ bộ
Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm về bê tông chất lượng cao trong điều kiện Việt Nam,
nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ giữa các thành phần vật liệu chế tạo bê tông sử dụng cát nghiền với các
thông số như sau: Hàm lượng silicafume (SF) = 10% CKD, hàm lượng tro bay (FA) = 20% CKD,
tỷ lệ C/CKD = 0,8 1,2, tỷ lệ N/CKD = 0,16 0,22. CKD là hỗn hợp bao gồm xi măng và phụ
gia khoáng (tổ hợp SF và FA). Việc thay thế phụ gia khoáng được tính theo khối lượng của CKD
trong hỗn hợp.
3.2. Lập mô hình thống kê và kế hoạch thực nghiệm
Trong nghiên cứu đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay để
nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bê tông tới tính công tác của hỗn hợp bê tông và cường độ
nén của bê tông, trên cơ sở đó lựa chọn tỷ lệ phối hợp hợp lý giữa FA và SF để chế tạo bê tông
cường độ trên 120N/mm2, độ chảy theo BS 4551-1:1998 trên 200 mm với hàm lượng
SF = 10%CKD và FA = 20%CKD.
3.2.1. Lựa chọn các nhân tố
Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ trong kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay 2 nhân tố với khoảng
quy hoạch: tỷ lệ C/CKD = 0,8 1,2; tỷ lệ N/CKD từ 0,16 0,22. Từ đó xác định ảnh hưởng của
các yếu tố riêng rẽ tỷ lệ C/CKD và tỷ lệ N/CKD cường độ nén của BTCĐC trên cơ sở các thông
tin tiên nhiệm, như sau:
- Tỷ lệ N/CKD mã hoá là biến X1
- Tỷ lệ C/CKD mã hoá là biến X2
Kế hoạch bậc hai tâm xoay với giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các nhân tố, ma trận
quy hoạch thực nghiệm được thể hiện ở Bảng 3 như sau:
Bảng 3. Giá trị mã hoá và giá trị thực nghiệm của các nhân tố
Biến mã hóa Xi, i = 12 1,414 1 0 +1 +1,414 Xi
X1 = N/CKD 0,169 0,175 0,19 0,205 0,211 0,015
Biến thực X2 = Cát/CKD 0,86 0,9 1 1,1 1,14 0,1
Hàm mục tiêu: Y Cường độ nén bê tông tuổi 28 ngày
3.2.2. Thiết lập kế hoạch thực nghiệm
Ma trận kế hoạch thực nghiệm theo biến mã và biến thực theo kế hoạch bậc 2 tâm xoay được
trình bày trong Bảng 4.