Bài viết trình bày các kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá một số tính chất của bê tông sử dụng cát biển và tro bay. Nghiên cứu đã thực hiện đánh giá trên bê tông sử dụng cát biển nguyên khai, qua rửa (khử muối) với vai trò làm cốt liệu nhỏ và tro bay thay thế một phần xi măng với vai trò làm phụ gia khoáng.
>> Sử dụng cát biển và tro bay chế tạo bê tông làm việc trong môi trường biển tại Việt Nam (P2)
Các tính chất của bê tông được đánh giá bao gồm tính chất của hỗn hợp bê tông, tính chất cơ học và độ bền lâu của bê tông như cường độ, mô đun đàn hồi, khả năng chống thấm, độ bền sun phát, co ngót của bê tông. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, so với bê tông sử dụng cát sông và cát biển qua rửa, bê tông sử dụng cát biển chưa qua rửa cho cường độ tuổi sớm tăng hơn so nhưng một số tính chất về độ bền lâu như khả năng chống thấm thì kém hơn. Các cấp phối bê tông sử dụng cát biển qua rửa thí nghiệm đều đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để đưa vào ứng dụng trong thực tế. Sử dụng cát biển kết hợp với tro bay hiệu quả trong việc tăng tính công tác và tăng độ bền lâu như khả năng chống thấm, độ bền sun phát.
1. Giới thiệu
Việt Nam là một quốc gia có bờ biển trải dài từ Bắc tới Nam với hơn 3.260 km đường biển, hơn 3000 các hòn đảo lớn nhỏ. Với việc phát triển bền vững kinh tế biển đảm bảo an ninh quốc phòng đang đòi hỏi sự phát triển xây dựng các công trình ven biển và hải đảo. Hiện nay các công trình ven biển và hải đảo sử dụng bê tông và một số loại vật liệu xây dựng khác thường được vận chuyển từ đất liền làm tăng giá thành sản xuất cũng như tiến độ xây dựng công trình. Chính vì vậy, đặt ra vấn đề nghiên cứu sử dụng cát nguồn vật liệu thay thế cát sông cho xây dựng. Nguồn vật liệu có tiềm năng thay thế cát sông có thể khai thác nguồn cát mịn, nguồn cát nhiễm mặn (ven biển), nguồn cát biển và nguồn cát nhân tạo (cát nghiền, tro xỉ công nghiệp…).
Về nguồn cát biển và cát nhiễm mặn có thể khai thác làm cát xây dựng ở nước ta, mặc dù chưa có dự án khảo sát, điều tra tổng thể, nhưng qua nhiều tài liệu thăm dò địa chất và các tập bản đồ địa chất ở nhiều vùng miền Việt Nam và một số đề tài nghiên cứu sử dụng nguồn cát biển, cát nhiễm mặn làm vật liệu xây dựng [1] cho thấy, nhiều vùng biển nước ta có nguồn cát biển đủ tiêu chuẩn làm cốt liệu cho bê tông (cát loại hạt trung đến hạt thô, mô đun độ lớn như khu vực biển Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Ngãi, Bình Thuận, Bà Rịa - Vũng Tàu, Phú Quốc... Nếu sử dụng được các nguồn cát tại chỗ như cát nhiễm mặn, cát biển cho bê tông sẽ mang lại nhiều lợi tích như đã nêu ở trên. Tuy vậy, cát nhiễm mặn thường chứa hàm lượng đáng kể ion clo và các thành phần tạp chất khác làm ảnh hưởng đến tính chất của bê tông, đặc biệt là tính ăn mòn cốt thép trong bê tông. Tuy vậy, trong thực tế, cát cho xây dựng được chế biến từ cát biển sử dụng cho chế tạo bê tông đã có lịch sử sử dụng nhiều thập kỷ ở nhiều nước trên thế giới trong đó các nước sử dụng nhiều như Nhật Bản, Anh, Đài Loan, Trung Quốc [2].
Hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam chưa có tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật đối với sử dụng cát nguồn gốc cát biển, cát nhiễm mặn cho bê tông. Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 [3] áp dụng chung đối với cát tự nhiên quy định hàm lượng ion Cl- hòa tan trong axit không lớn hơn 0,01% với bê tông dự ứng lực và 0,05% với các loại bê tông và vữa khác. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này cũng quy định: cát có hàm lượng ion Cl- lớn hơn các giá trị quy định vừa nêu, có thể được sử dụng nếu tổng hàm lượng ion Cl- trong 1m³ bê tông từ tất cả các nguồn vật liệu chế tạo, không vượt quá 0,6 kg/m³.
Đối với bê tông sử dụng cát biển, cát nhiễm mặn, nhìn chung một số vấn đề ảnh hưởng của cát biển đối với tính chất bê tông được nhiều nghiên cứu chỉ ra.
Thứ nhất là ảnh hưởng của muối trong cát đến khả năng ăn mòn cốt thép. Hàm lượng ion clo trong cát biển phụ thuộc vào hàm lượng ion clo trong nước biển và độ ẩm của cát. Nước biển thông thường có hàm lượng ion clo là 1,98%, hàm lượng này thay đổi tùy từng vùng biển. Thông thường độ hút nước của cát biển là 4 - 12%. Nếu giả định hàm lượng ion clo trong nước biển là 2% thì hàm lượng ion clo cát biển trong khoảng 0,16 - 0,24%. Giá trị lượng lọt sàng 50% (D50) của cát biển ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng muối được giữ lại trong cát. Nếu giá trị D50 tăng lên từ 0,15 đến 0,37 mm thì độ ẩm giảm xuống do đó hàm lượng ion clo giảm hơn một nửa [4]. Nếu độ ẩm của cát biển mất đi do bay hơi tự nhiên mà không phải do lượng nước ngậm trong cát được tách ra thì hàm lượng muối trong cát biển sẽ xấp xỉ lượng muối có trong độ ẩm ban đầu của cát biển. Hiện tượng này thường xảy ra trong điều kiện thời tiết nóng, môi trường khô.
Thứ hai là ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò trong cát biển. Thành phần vỏ sò có trong cát có thể ảnh hưởng xấu đến tính chất của bê tông, trong đó tổng quan các nghiên cứu ảnh hưởng thành phần vỏ sò đến tính chất bê tông thường ghi nhận là làm giảm độ linh động của bê tông do hình dạng của mảnh vỏ sò, việc ảnh hưởng xấu đến cường độ hầu như không có [5-8]. Nghiên cứu của Alan Elliott Richardson and Thomas Fuller [9] và Yang[10] sử dụng vỏ sò thay thế một phần cốt liệu cho bê tông và kết luận rằng các hạt vật liệu vỏ vỡ và vỏ ốc không vỡ là sự khác biệt chính giữa cát biển và cát sông; cát biển có tỷ trọng cao hơn do thành phần có chứa các mảnh vỏ sò (thành phần chủ yếu là CaCO3); mảnh vỏ sò cứng và bền nên có thể làm giảm độ xốp, khối lượng riêng cao hơn hạt cát, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến cường độ bê tông khi thay thế đến 10% cốt liệu, nhưng sẽ ảnh hưởng đáng kể khi tăng hàm lượng thay thế. Nghiên cứu của Chapman và Roeder[5] đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò rỗng trong cát biển với hồ và vữa xi măng. Độ rỗng của vỏ sò không ảnh hưởng đến cường độ và tính chống thấm của bê tông, ngược lại hình dạng của vỏ sò ảnh hưởng đến tính công tác của bê tông.
Thứ ba là hiện tượng tiết muối trắng. Bê tông, vữa có nếu chứa lượng muối đáng kể khi gặp môi trường ẩm thường gây hiệu tượng tiết muối trắng trên bề mặt bê tông. Bê tông sử dụng cát biển chứa lượng muối đáng kể (khi không qua rửa) thường gây ra hiện tượng này, nhất là các kết cấu ở tiếp xúc với môi trường ẩm ướt[11]. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Higgins[12], trong mọi trường hợp đều nhỏ hơn so với hiện tượng tương tự gây ra bởi vôi tự do trong bê tông và vữa. Chandrakeerthy [13] không phát hiện ra hiện tượng này trong bê tông chứa hàm lượng ion clo lớn, tương đương 4,44 % so với xi măng.
Các vấn đề trên sử dụng cát biển làm cốt liệu cho bê tông gặp khó khăn, nghiên cứu này nhằm đánh giá các tính chất của bê tông sử dụng cát biển qua xử lý và chưa qua xử lý sử dụng với vai trò làm cốt liệu nhỏ và tro bay thay thế một phần xi măng. Các tính chất của bê tông nghiên cứu gồm một số tính chất của hỗn hợp bê tông, bê tông đóng rắn và độ bền lâu của bê tông. Nghiên cứu thực hiện trên bê tông thông thường với mác thiết kế 30 MPa (mác 300), độ sụt hỗn hợp bê tông 15±1 cm.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu nghiên cứu
2.1.1. Xi măng
Đề tài sử dụng xi măng PC40 Nghi Sơn, đây là loại xi măng poóc lăng phù hợp theo TCVN 2682:2009. Các chỉ tiêu cơ lý và hóa của xi măng PC40 Nghi Sơn sử dụng trong nghiên cứu được trình bày trong Bảng 1, Bảng 2 tương ứng.
Các tính chất của bê tông được đánh giá bao gồm tính chất của hỗn hợp bê tông, tính chất cơ học và độ bền lâu của bê tông như cường độ, mô đun đàn hồi, khả năng chống thấm, độ bền sun phát, co ngót của bê tông. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, so với bê tông sử dụng cát sông và cát biển qua rửa, bê tông sử dụng cát biển chưa qua rửa cho cường độ tuổi sớm tăng hơn so nhưng một số tính chất về độ bền lâu như khả năng chống thấm thì kém hơn. Các cấp phối bê tông sử dụng cát biển qua rửa thí nghiệm đều đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để đưa vào ứng dụng trong thực tế. Sử dụng cát biển kết hợp với tro bay hiệu quả trong việc tăng tính công tác và tăng độ bền lâu như khả năng chống thấm, độ bền sun phát.
1. Giới thiệu
Việt Nam là một quốc gia có bờ biển trải dài từ Bắc tới Nam với hơn 3.260 km đường biển, hơn 3000 các hòn đảo lớn nhỏ. Với việc phát triển bền vững kinh tế biển đảm bảo an ninh quốc phòng đang đòi hỏi sự phát triển xây dựng các công trình ven biển và hải đảo. Hiện nay các công trình ven biển và hải đảo sử dụng bê tông và một số loại vật liệu xây dựng khác thường được vận chuyển từ đất liền làm tăng giá thành sản xuất cũng như tiến độ xây dựng công trình. Chính vì vậy, đặt ra vấn đề nghiên cứu sử dụng cát nguồn vật liệu thay thế cát sông cho xây dựng. Nguồn vật liệu có tiềm năng thay thế cát sông có thể khai thác nguồn cát mịn, nguồn cát nhiễm mặn (ven biển), nguồn cát biển và nguồn cát nhân tạo (cát nghiền, tro xỉ công nghiệp…).
Về nguồn cát biển và cát nhiễm mặn có thể khai thác làm cát xây dựng ở nước ta, mặc dù chưa có dự án khảo sát, điều tra tổng thể, nhưng qua nhiều tài liệu thăm dò địa chất và các tập bản đồ địa chất ở nhiều vùng miền Việt Nam và một số đề tài nghiên cứu sử dụng nguồn cát biển, cát nhiễm mặn làm vật liệu xây dựng [1] cho thấy, nhiều vùng biển nước ta có nguồn cát biển đủ tiêu chuẩn làm cốt liệu cho bê tông (cát loại hạt trung đến hạt thô, mô đun độ lớn như khu vực biển Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Ngãi, Bình Thuận, Bà Rịa - Vũng Tàu, Phú Quốc... Nếu sử dụng được các nguồn cát tại chỗ như cát nhiễm mặn, cát biển cho bê tông sẽ mang lại nhiều lợi tích như đã nêu ở trên. Tuy vậy, cát nhiễm mặn thường chứa hàm lượng đáng kể ion clo và các thành phần tạp chất khác làm ảnh hưởng đến tính chất của bê tông, đặc biệt là tính ăn mòn cốt thép trong bê tông. Tuy vậy, trong thực tế, cát cho xây dựng được chế biến từ cát biển sử dụng cho chế tạo bê tông đã có lịch sử sử dụng nhiều thập kỷ ở nhiều nước trên thế giới trong đó các nước sử dụng nhiều như Nhật Bản, Anh, Đài Loan, Trung Quốc [2].
Hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam chưa có tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật đối với sử dụng cát nguồn gốc cát biển, cát nhiễm mặn cho bê tông. Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 [3] áp dụng chung đối với cát tự nhiên quy định hàm lượng ion Cl- hòa tan trong axit không lớn hơn 0,01% với bê tông dự ứng lực và 0,05% với các loại bê tông và vữa khác. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này cũng quy định: cát có hàm lượng ion Cl- lớn hơn các giá trị quy định vừa nêu, có thể được sử dụng nếu tổng hàm lượng ion Cl- trong 1m³ bê tông từ tất cả các nguồn vật liệu chế tạo, không vượt quá 0,6 kg/m³.
Đối với bê tông sử dụng cát biển, cát nhiễm mặn, nhìn chung một số vấn đề ảnh hưởng của cát biển đối với tính chất bê tông được nhiều nghiên cứu chỉ ra.
Thứ nhất là ảnh hưởng của muối trong cát đến khả năng ăn mòn cốt thép. Hàm lượng ion clo trong cát biển phụ thuộc vào hàm lượng ion clo trong nước biển và độ ẩm của cát. Nước biển thông thường có hàm lượng ion clo là 1,98%, hàm lượng này thay đổi tùy từng vùng biển. Thông thường độ hút nước của cát biển là 4 - 12%. Nếu giả định hàm lượng ion clo trong nước biển là 2% thì hàm lượng ion clo cát biển trong khoảng 0,16 - 0,24%. Giá trị lượng lọt sàng 50% (D50) của cát biển ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng muối được giữ lại trong cát. Nếu giá trị D50 tăng lên từ 0,15 đến 0,37 mm thì độ ẩm giảm xuống do đó hàm lượng ion clo giảm hơn một nửa [4]. Nếu độ ẩm của cát biển mất đi do bay hơi tự nhiên mà không phải do lượng nước ngậm trong cát được tách ra thì hàm lượng muối trong cát biển sẽ xấp xỉ lượng muối có trong độ ẩm ban đầu của cát biển. Hiện tượng này thường xảy ra trong điều kiện thời tiết nóng, môi trường khô.
Thứ hai là ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò trong cát biển. Thành phần vỏ sò có trong cát có thể ảnh hưởng xấu đến tính chất của bê tông, trong đó tổng quan các nghiên cứu ảnh hưởng thành phần vỏ sò đến tính chất bê tông thường ghi nhận là làm giảm độ linh động của bê tông do hình dạng của mảnh vỏ sò, việc ảnh hưởng xấu đến cường độ hầu như không có [5-8]. Nghiên cứu của Alan Elliott Richardson and Thomas Fuller [9] và Yang[10] sử dụng vỏ sò thay thế một phần cốt liệu cho bê tông và kết luận rằng các hạt vật liệu vỏ vỡ và vỏ ốc không vỡ là sự khác biệt chính giữa cát biển và cát sông; cát biển có tỷ trọng cao hơn do thành phần có chứa các mảnh vỏ sò (thành phần chủ yếu là CaCO3); mảnh vỏ sò cứng và bền nên có thể làm giảm độ xốp, khối lượng riêng cao hơn hạt cát, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến cường độ bê tông khi thay thế đến 10% cốt liệu, nhưng sẽ ảnh hưởng đáng kể khi tăng hàm lượng thay thế. Nghiên cứu của Chapman và Roeder[5] đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò rỗng trong cát biển với hồ và vữa xi măng. Độ rỗng của vỏ sò không ảnh hưởng đến cường độ và tính chống thấm của bê tông, ngược lại hình dạng của vỏ sò ảnh hưởng đến tính công tác của bê tông.
Thứ ba là hiện tượng tiết muối trắng. Bê tông, vữa có nếu chứa lượng muối đáng kể khi gặp môi trường ẩm thường gây hiệu tượng tiết muối trắng trên bề mặt bê tông. Bê tông sử dụng cát biển chứa lượng muối đáng kể (khi không qua rửa) thường gây ra hiện tượng này, nhất là các kết cấu ở tiếp xúc với môi trường ẩm ướt[11]. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Higgins[12], trong mọi trường hợp đều nhỏ hơn so với hiện tượng tương tự gây ra bởi vôi tự do trong bê tông và vữa. Chandrakeerthy [13] không phát hiện ra hiện tượng này trong bê tông chứa hàm lượng ion clo lớn, tương đương 4,44 % so với xi măng.
Các vấn đề trên sử dụng cát biển làm cốt liệu cho bê tông gặp khó khăn, nghiên cứu này nhằm đánh giá các tính chất của bê tông sử dụng cát biển qua xử lý và chưa qua xử lý sử dụng với vai trò làm cốt liệu nhỏ và tro bay thay thế một phần xi măng. Các tính chất của bê tông nghiên cứu gồm một số tính chất của hỗn hợp bê tông, bê tông đóng rắn và độ bền lâu của bê tông. Nghiên cứu thực hiện trên bê tông thông thường với mác thiết kế 30 MPa (mác 300), độ sụt hỗn hợp bê tông 15±1 cm.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu nghiên cứu
2.1.1. Xi măng
Đề tài sử dụng xi măng PC40 Nghi Sơn, đây là loại xi măng poóc lăng phù hợp theo TCVN 2682:2009. Các chỉ tiêu cơ lý và hóa của xi măng PC40 Nghi Sơn sử dụng trong nghiên cứu được trình bày trong Bảng 1, Bảng 2 tương ứng.
2.1.2. Tro bay
Tro bay sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh. Thành phần hóa và vật lý của các loại tro bay được nêu trong Bảng 1, Bảng 2 tương ứng.
2.1.3. Cốt liệu nhỏ
Cốt liệu nhỏ sử dụng cho nghiên cứu bao gồm cát biển qua rửa lấy được khai thác tầng cát đáy biển tại khu vực biển Quan Lạn, Vân Đồn (Quảng Ninh) (ký hiệu SS2.5), cát biển nguyên khai (ký hiệu là SS); cát sông Lô (ký hiệu là RS) làm mẫu đối chứng. Các tính chất cơ lý và thành phần hạt của các loại cát được trình bày trong Bảng 3 và Bảng 4.
2.1.4. Cốt liệu lớn
Cốt liệu lớn sử dụng cho chế tạo bê tông là loại đá dăm 5 - 20mm, từ đá vôi. Các tính chất cơ lý của đá dăm sử dụng trong nghiên cứu đáp ứng yêu cầu theo TCVN 7570:2006.
2.1.5. Phụ gia hóa học
Phụ gia hóa học sử dụng cho nghiên cứu là loại phụ gia siêu dẻo MG 8735 của hãng BASF. Đây là loại phụ gia dẻo gốc polycarboxylate ether (PCE), với khả năng giảm nước khoảng 25%.
2.1.6. Nước trộn
Nước sử dụng cho trộn mẫu trong nghiên cứu này là nước sinh hoạt của thành phố Hà Nội. Tính chất của nước phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 nước trộn cho bê tông và vữa - yêu cầu kỹ thuật.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Tính chất của xi măng, tro bay, cát tự nhiên, đá dăm, phụ gia hóa học, nước được xác định theo phương pháp thử theo TCVN qui định trong các tiêu chuẩn TCVN 2682:2009, TCVN 10302:2014, TCVN 7570:2006, TCVN 8826:2012, TCVN 4506:2012 tương ứng. Tính chất của hỗn hợp bê tông bao gồm: độ sụt, khả năng duy trì độ sụt được thí nghiệm theo các tiêu chuẩn TCVN 3105:1993, TCVN 3106:1993. Tính chất cơ lý của bê tông: cường độ nén, mô đun đàn hồi được thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 và tiêu chuẩn ASTM C469 tương ứng. Độ bền lâu của bê tông: độ thấm nước, co ngót khô, bền sun phát được xác định theo các tiêu chuẩn TCVN 3116:1993, BS ISO 1920-8:2000, TCVN 7713:2013 tương ứng.
2.3. Cấp phối nghiên cứu
Để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của cát biển đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông, đề tài đã thực hiện nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông sử dụng chất kết dính chứa tro bay ở các tỷ lệ khác nhau 0%, 20% và 40% theo khối lượng với các loại bê tông với cường độ nén đang được sử dụng phổ biến hiện nay là mác 300. Tất cả các cấp phối bê tông nhóm mác 300 cố định hàm lượng chất kết dính là 350 kg/m³, sử dụng 0,7% phụ gia hóa học theo khối lượng chất kết dính tương ứng và được điều chỉnh lượng nước trộn để đạt độ sụt 15±1 cm. Trong mỗi nhóm cấp phối mác 300 được chia thành 3 nhóm theo loại cát sử dụng bao gồm cát sông (đối chứng), cát biển nguyên khai (hàm lượng ion clo xấp xỉ 0,08 %), cát biển qua rửa có mô đun độ lớn 2,5. Chi tiết cấp phối bê tông thể hiện trong Bảng 5.
ximang.vn (TH/ TC Xây dựng)
