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
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:
CT 2
Bảng 1. Thành phần cấp phối của các loại vật liệu sử dụng
Lượng lọt sàng (%)
Đường
kính sàng
mm
Cát mịn
Vĩnh
Long
Cát thô
Trị An
Đá thải
Hóa An
(đã sàng)
Hỗn hợp cát
mịn và cát thô
Hỗn hợp
cát mịn
và đá thải
Theo
ASTM C33
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
độ lớn: Mk1.74 3.33 3.65 2.75 2.88
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
SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3Na2O 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
Thành phần Tro bay loại F Tro bay loại C Tro bay
Phú Mỹ
Silic dioxit (SiO2) + Nhôm ôxit (Al2O3)
+ sắt ôxit (Fe2O3), min, %
70 50 94
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),
(phương pháp sang ướt), max, %.
34 34 34
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
Độ mịn Blaine
Tổng lượng khoáng (CaCO3+MgCO3)
Tổng hàm lượng CaCO3
Hàm lượng hợp chất hữu cơ
Hàm lượng ion Cl-
Hàm lượng SO3
Hàm lượng lưu huỳnh S
82%
321m2/kg
-
98%
0.1%
0.03%
0.02%
0.1%
>70 %
>220m2/kg
>90%
>65%
<0.2 %
<0.1 %
<0.15 %
<0.4 %
CT 2
2.4. Phụ gia
Phụ gia siêu dẻo được chọn là loại phụ gia đang có mặt trên thị trường Việt Nam, đó là:
Phụ gia Viscorete V-3000-10 là chất siêu dẻo gốc polyme; được dùng cho bê tông với liều
lượng 0,8 ÷ 1,5 lít cho 100 kg xi măng, chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn ASTM loại G, có khả
năng giảm nước cao, thường được dùng trong bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao
dự ứng lực, giữ độ sụt sau 90 phút, không chứa các clorua và các chất gây ăn mòn, khối lượng
thể tích 1,04÷1,07, độ pH 3,8÷5,7.
2.5. Nước
Nước dùng cho bê tông cát là nước sạch theo quy định của nước dùng cho bê tông xi măng
thường.
III. THỰC NGHIỆM
3.1. Thành phần các hỗn hợp bê tông cát
Thành phần bê tông cát được lựa chọn sao cho đạt được độ sụt yêu cầu là 8 ÷ 10 cm, các
hỗn hợp bê tông cát với các loại bột khác nhau và bê tông cát sử dụng đá mạt như sau:
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
Xi măng, (kg/ 1m3 bê tông)
Bột đá vôi (kg/ 1m3 bê tông)
Tro bay (kg / % theo kl xi măng)
Muội silic (kg / % theo kl xi măng)
Cốt liệu lớn (4.75mm÷ 9.5mm), kg
Cốt liệu nhỏ (Mk≥2), kg
Cốt liệu nhỏ (Mk<2), kg
Bột đá có trong mạt (6.4% kl mạt), kg
Phụ gia siêu dẻo (V-3000-10), lít
Tỷ lệ N/CKD
205
450
125
-
-
-
902
602
-
4.50
0.46
205
360
125
90/20
-
-
902
602
-
4.20
0.46
205
405
125
-
45/10
-
902
602
-
4.20
0.46
205
450
+ 57
-
-
415
653
435
68
4.50
0.46
Ghi chú:
CV: Mẫu có bột đá vôi (đá vôi); CFA: Mẫu có tro bay; CSF: Mẫu có muội silic, DC mẫu dùng đá
mạt và cát mịn
3.2. Chuẩn bị mẫu
Bê tông được trộn với thành phần vật liệu như đã trình bày ở trên, ban đầu trộn khô sau đó
trộn ướt, để bảm bảo độ chặt thì bê tông được đầm trên đầm rung tiêu chuẩn.
Mẫu thí nghiệm gồm: 36 mẫu trụ kích thước 150 x 300 mm để xác định cường độ chịu nén,
36 mẫu dầm kích thước 100 x 100 x 400 mm để xác định cường độ chịu kéo uốn, 12 mẫu để xác
định độ mài mòn, 04 mẫu để xác định mức độ chống thấm ion clo.
CT 2
Mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng ở 27°C, độ ẩm >90%. 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.