Một trong những hướng tiếp cận được quan tâm là sử dụng cốt liệu bê tông tái chế, được tạo ra từ quá trình nghiền các cấu kiện bê tông sau khi công trình bị phá dỡ. Việc tái sử dụng nguồn vật liệu này giúp giảm nhu cầu khai thác cốt liệu tự nhiên đồng thời hạn chế lượng chất thải xây dựng đưa vào bãi chôn lấp.
Nghiên cứu phát triển bê tông tính năng cao thân thiện môi trường sử dụng cốt liệu tái chế, đánh giá tính chất cơ học, cấu trúc vi mô và dấu chân carbon.
Việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế trong bê tông tính năng cao đang thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu và ngành xây dựng trong bối cảnh nhu cầu giảm khai thác tài nguyên tự nhiên và xử lý chất thải xây dựng ngày càng cấp thiết.
Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Buildings đã tiến hành thử nghiệm các cấp phối bê tông với tỷ lệ thay thế cốt liệu khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ cơ học, cấu trúc vi mô và tác động môi trường của vật liệu.
Bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và đóng vai trò nền tảng trong phát triển cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên quá trình sản xuất xi măng là thành phần chính của bê tông lại tạo ra lượng phát thải carbon đáng kể, ước tính chiếm khoảng 7 - 8% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu.
Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng tiếp tục gia tăng, việc phát triển các giải pháp vật liệu bền vững nhằm giảm tác động môi trường của bê tông đang trở thành một trong những ưu tiên của lĩnh vực sản xuất xi măng và xây dựng.
Một trong những hướng tiếp cận được quan tâm là sử dụng cốt liệu bê tông tái chế, được tạo ra từ quá trình nghiền các cấu kiện bê tông sau khi công trình bị phá dỡ. Việc tái sử dụng nguồn vật liệu này giúp giảm nhu cầu khai thác cốt liệu tự nhiên đồng thời hạn chế lượng chất thải xây dựng đưa vào bãi chôn lấp.
Tuy vậy cốt liệu tái chế thường có độ rỗng cao hơn và mật độ thấp hơn so với cốt liệu tự nhiên, điều này có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tông. Vì vậy việc đánh giá khả năng ứng dụng của cốt liệu tái chế trong bê tông tính năng cao là vấn đề cần được nghiên cứu một cách hệ thống.
Nhằm làm rõ khả năng ứng dụng này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm thay thế cốt liệu mịn trong bê tông tính năng cao bằng cốt liệu bê tông tái chế với các tỷ lệ 0%, 25%, 50%, 75% và 100%. Năm cấp phối bê tông được chế tạo và kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý sau thời gian dưỡng hộ 7 ngày và 28 ngày. Các chỉ tiêu thử nghiệm bao gồm khối lượng thể tích của bê tông sau khi đông cứng, cường độ nén, cường độ kéo tách và cường độ uốn.
Bên cạnh các thí nghiệm cơ học, nhóm nghiên cứu còn phân tích cấu trúc vi mô của vật liệu để làm rõ cơ chế ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính năng bê tông. Khu vực chuyển tiếp giữa cốt liệu và hồ xi măng được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét nhằm đánh giá mức độ liên kết giữa các thành phần trong vật liệu.
Ngoài ra các đặc tính của cốt liệu tái chế cũng được xác định thông qua các phép thử về độ hút nước và hàm lượng vữa cũ bám trên bề mặt hạt cốt liệu. Phương pháp xử lý bằng axit hydrochloric được sử dụng để xác định tỷ lệ vữa xi măng còn bám trên các hạt cốt liệu tái chế.
Song song với các thử nghiệm vật liệu, nghiên cứu còn thực hiện phân tích dấu chân carbon của các cấp phối bê tông theo phương pháp đánh giá từ khâu khai thác nguyên liệu đến khi vật liệu rời khỏi nhà máy. Phân tích này xem xét lượng phát thải liên quan đến sản xuất nguyên liệu, vận chuyển và quá trình xử lý cốt liệu tái chế, qua đó thiết lập mối liên hệ giữa hàm lượng cốt liệu tái chế, tính năng cơ học, cấu trúc vi mô và tác động môi trường của bê tông.
Kết quả thử nghiệm cho thấy khi tỷ lệ cốt liệu bê tông tái chế tăng lên thì các tính chất cơ học của bê tông có xu hướng giảm dần. Cường độ nén của cấp phối đối chứng không sử dụng cốt liệu tái chế đạt khoảng 78 MPa, trong khi cấp phối sử dụng hoàn toàn cốt liệu tái chế đạt khoảng 53 MPa, tương đương mức giảm khoảng 32%. Các chỉ tiêu cường độ kéo tách và cường độ uốn cũng giảm theo xu hướng tương tự khi hàm lượng cốt liệu tái chế tăng.
Khối lượng thể tích của bê tông sau khi đông cứng giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ cốt liệu tái chế, với mức giảm khoảng 5,8% ở cấp phối thay thế hoàn toàn. Ngược lại độ hút nước của bê tông tăng đáng kể, tăng khoảng 42% ở cấp phối sử dụng 100% cốt liệu tái chế. Kết quả này cho thấy khả năng thấm của bê tông tăng lên do đặc tính rỗng của cốt liệu tái chế.
Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy khu vực chuyển tiếp giữa cốt liệu tái chế và hồ xi măng có cấu trúc kém đặc chắc hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Tại khu vực này xuất hiện nhiều lỗ rỗng và vi nứt làm giảm hiệu quả truyền tải lực giữa các thành phần trong bê tông.
Nguyên nhân chủ yếu là do lớp vữa cũ bám trên bề mặt cốt liệu tái chế tạo nên vùng tiếp xúc giữa các lớp vữa có độ bền thấp hơn so với liên kết giữa cốt liệu tự nhiên và hồ xi măng mới. Bên cạnh đó hình dạng góc cạnh của các hạt cốt liệu tái chế và sự khác biệt về cấp phối hạt cũng có thể làm giảm hiệu quả sắp xếp của vật liệu, tạo ra các vị trí tập trung ứng suất trong cấu trúc bê tông.
Mặc dù tồn tại những hạn chế nhất định, tất cả các cấp phối trong nghiên cứu vẫn đạt cường độ nén trên 50 MPa. Mức cường độ này vẫn nằm trong phạm vi của bê tông tính năng cao, cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu tái chế vẫn có thể đáp ứng yêu cầu chịu lực đối với nhiều ứng dụng kết cấu.
Về mặt môi trường, kết quả phân tích cho thấy lượng phát thải carbon của các cấp phối bê tông tăng nhẹ khi tỷ lệ cốt liệu tái chế tăng. Nguyên nhân chủ yếu là do năng lượng cần thiết cho quá trình xử lý cốt liệu tái chế trong khi hàm lượng xi măng trong các cấp phối được giữ nguyên. Phân tích cũng cho thấy sản xuất xi măng chiếm hơn 90% tổng lượng phát thải CO₂ của bê tông, vì vậy việc thay thế cốt liệu chỉ có tác động hạn chế đến tổng lượng phát thải.
Tuy vậy việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế vẫn mang lại lợi ích đáng kể về sử dụng tài nguyên và quản lý chất thải xây dựng. Giải pháp này giúp giảm nhu cầu khai thác cốt liệu tự nhiên đồng thời góp phần thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực xây dựng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cần tối ưu thiết kế cấp phối bê tông để cân bằng giữa yêu cầu cường độ và độ bền lâu khi sử dụng cốt liệu tái chế với hàm lượng cao.
Các nhà nghiên cứu cho rằng việc sử dụng thêm các vật liệu khoáng hoạt tính như tro bay hoặc silica fume kết hợp với điều chỉnh tỷ lệ nước và xi măng có thể góp phần cải thiện tính năng của bê tông chứa cốt liệu tái chế. Với các giải pháp kỹ thuật phù hợp, bê tông tính năng cao sử dụng cốt liệu tái chế có thể được ứng dụng rộng hơn trong các công trình hạ tầng và xây dựng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cốt liệu bê tông tái chế có tiềm năng trở thành nguồn vật liệu thay thế đáng chú ý trong sản xuất bê tông tính năng cao. Việc tiếp tục nghiên cứu các giải pháp tối ưu cấp phối, cùng với đánh giá độ bền lâu dài của vật liệu trong các điều kiện môi trường khác nhau, sẽ góp phần mở rộng khả năng ứng dụng vật liệu tái chế trong lĩnh vực sản xuất xi măng và xây dựng.
Buildata
