Một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhưng chưa được làm rõ đầy đủ là sự tổn thất độ sụt theo thời gian và mối quan hệ giữa hàm lượng cát nghiền (CN) với sự phát triển cường độ của bê tông. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của CN từ đá vôi khi thay thế một phần và toàn bộ cát tự nhiên (CTN) đến tổn thất độ sụt theo thời gian và sự phát triển cường độ nén của bê tông.
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng cát làm vật liệu xây dựng tại Việt Nam gia tăng nhanh chóng cùng với tốc độ đô thị hóa và phát triển hạ tầng. Theo báo cáo của Bộ Xây dựng [1], tổng nhu cầu cát xây dựng tại Việt Nam ước tính dao động khoảng 120 - 130 triệu m³/năm, trong khi tổng trữ lượng cát sông có thể khai thác hợp pháp chỉ đáp ứng khoảng 60 - 70% nhu cầu thực tế. Sự mất cân đối cung - cầu này đã dẫn đến tình trạng khan hiếm cát quá mức, nguồn cung bị gián đoạn, giá cả vật liệu này tăng cao đã đẩy nhanh chi phí xây dựng và ảnh hưởng đến tiến độ công trình.
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của cát nghiền từ đá vôi khi thay thế một phần và toàn bộ cát tự nhiên đến tổn thất độ sụt theo thời gian
Việc khai thác CTN với quy mô lớn cũng đã gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng như suy giảm tài nguyên, sạt lở bờ sông và tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Hơn nữa, các quy định về quản lý, khai thác tài nguyên ngày càng chặt chẽ khiến nguồn cung CTN tiếp tục bị hạn chế. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và sử dụng các vật liệu thay thế, đặc biệt là CN từ đá vôi, được xem là giải pháp cấp thiết nhằm đảm bảo nguồn cung ổn định và hướng tới phát triển vật liệu xây dựng bền vững [2, 3]. CN có đặc tính rất khác so với CTN do đó ảnh hưởng lớn đến các tính chất của hỗn hợp vữa và bê tông khi sử dụng loại vật liệu này.
Khác với CTN có dạng hạt hình tròn và bề mặt trơn nhẵn, CN có đặc điểm hình học hạt góc cạnh, bề mặt nhám ráp, diện tích bề mặt riêng lớn và chứa nhiều hạt mịn, dẫn đến làm thay đổi đáng kể về tính công tác và tính chất cơ học của bê tông [4]. Một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhưng chưa được làm rõ đầy đủ là sự tổn thất độ sụt theo thời gian và mối quan hệ giữa hàm lượng CN với sự phát triển cường độ của bê tông. Do đó, việc thay thế này không chỉ đơn thuần là bài toán đảm bảo nguồn vật liệu mà còn đặt ra các thách thức kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu phân tích chuyên sâu liên quan đến tính công tác, tính ổn định theo thời gian và tính chất cơ học của bê tông, đặc biệt trong điều kiện thi công thực tế tại Việt Nam.
Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của CN và cốt liệu đá vôi đến tính chất của bê tông. Menadi và cộng sự [5] chỉ ra rằng việc sử dụng CN từ đá vôi có thể cải thiện cường độ và độ bền lâu của bê tông nhờ hiệu ứng lấp đầy và tăng độ đặc chắc của cấu trúc vi mô. Donza và cộng sự [6] cũng ghi nhận rằng CN làm tăng cường độ nén do cải thiện cấu trúc hạt và tăng khả năng liên kết giữa hồ xi măng và bề mặt hạt cốt liệu. Xin Xin Ding và cộng sự [7] đã chứng minh rằng bê tông sử dụng cát nhân tạo có khả năng phát triển cường độ tuổi dài ngày tốt hơn so với bê tông sử dụng CTN, đặc biệt khi tối ưu cấp phối hạt.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu tổng quan gần đây như Ziyang Li và cộng sự [4] đã khẳng định tiềm năng của cốt liệu mịn (từ đá granite, đá vôi) trong việc nâng cao tính chất cơ học và giảm phát thải carbon trong bê tông. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng CN làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông do đặc điểm hình học góc cạnh và diện tích bề mặt lớn, dẫn đến nhu cầu nước cao hơn và tốc độ mất độ sụt nhanh hơn [4, 5]. Nhưng Celik và Marar và cộng sự [8] đã cho rằng CN từ đá vôi và bột đá có thể được sử dụng hiệu quả trong bê tông ngay cả khi không sử dụng phụ gia siêu dẻo, mặc dù tính công tác bị suy giảm đáng kể [4].
Một số nghiên cứu gần đây tập trung vào cấu trúc vi mô cũng cho thấy rằng sự phân bố kích thước hạt và hàm lượng hạt mịn đóng vai trò quyết định đến cả tính công tác và cường độ của bê tông sử dụng CN [5, 9]. Có thể nói rằng CN đã được nhiều nghiên cứu sử dụng trong sản xuất bê tông trên thế giới, tuy nhiên quy luật ảnh hưởng của vật liệu này đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông vẫn còn nhiều điểm chưa thống nhất, tùy thuộc vào thành phần vật liệu, cấu trúc hạt và loại bê tông nghiên cứu.
Tại Việt Nam, nghiên cứu về CN đã được quan tâm từ khá sớm và có nhiều đóng góp quan trọng cả về lý thuyết và thực tiễn. Tuyển tập hội thảo khoa học toàn quốc “Cát nghiền thay thế cát tự nhiên- Vật liệu thân thiện môi trường” đã tổng hợp nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy CN có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn CTN trong bê tông nếu được kiểm soát hợp lý về thành phần hạt và hàm lượng hạt mịn [2]. Tiêu chuẩn TCVN 9205:2012 cũng đã được ban hành [10], tạo cơ sở pháp lý cho việc sử dụng CN trong xây dựng.
Các nghiên cứu trong nước như “Kết hợp cát nghiền và cát mịn trong chế tạo bê tông” cho thấy việc phối trộn hợp lý có thể cải thiện tính công tác mà vẫn đảm bảo cường độ [11]. Nghiên cứu Nguyễn Văn Đoàn và cộng sự [12] đã chỉ ra rằng CN làm tăng cường độ nén nhưng làm giảm độ sụt ban đầu của hỗn hợp bê tông. Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm về sử dụng CN đá vôi cho kết cấu cột bê tông cốt thép chịu nén cho thấy khả năng ứng dụng thực tế là khả thi, với cường độ đạt yêu cầu thiết kế [13].
Đặc biệt, các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao (đạt tới 120 MPa) sử dụng CN đã chứng minh tiềm năng vượt trội của vật liệu này trong các ứng dụng đặc biệt [14]. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu trong nước vẫn tập trung vào cường độ nén tại một số tuổi tiêu chuẩn hoặc tính công tác ban đầu, trong khi các vấn đề về tổn thất độ sụt theo thời gian và sự phát triển cường độ chưa được nghiên cứu một cách hệ thống.
Từ các phân tích trên cho thấy, vẫn tồn tại một số khoảng trống khoa học quan trọng. Thứ nhất, các nghiên cứu về tính công tác chủ yếu dừng lại ở giá trị độ sụt ban đầu, trong khi tổn thất độ sụt theo thời gian - yếu tố có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong thi công bê tông vẫn chưa được đánh giá một cách hệ thống và định lượng. Thứ hai, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào cường độ chịu nén tại một số tuổi tiêu chuẩn mà chưa phân tích đầy đủ tốc độ phát triển cường độ theo thời gian, đặc biệt trong mối liên hệ với hàm lượng xi măng và tỷ lệ CN. Thứ ba, sự khác biệt về cường độ nén giữa các dạng mẫu thử (lập phương, trụ, lăng trụ) đối với bê tông sử dụng CN chưa được nghiên cứu đầy đủ, dẫn đến thiếu cơ sở để hiệu chỉnh các hệ số chuyển đổi trong thiết kế và kiểm định.
Xuất phát từ các khoảng trống này, nghiên cứu này tập trung làm rõ ảnh hưởng của hàm lượng CN đến tổn thất độ sụt theo thời gian và sự phát triển cường độ nén của bê tông ở các cấp bền khác nhau, đồng thời đề xuất các hệ số chuyển đổi cường độ nén giữa các loại mẫu thử. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp về mặt học thuật trong việc hiểu rõ cơ chế ảnh hưởng của CN, mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong thiết kế cấp phối và kiểm soát chất lượng bê tông sử dụng vật liệu thay thế này, góp phần thúc đẩy ứng dụng vật liệu bền vững trong xây dựng tại Việt Nam.
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
Build.Data
