Trong bối cảnh bê tông tái chế ngày càng được sử dụng rộng rãi, khả năng tiếp tục tái chế các kết cấu bê tông này sau khi hết vòng đời đang nhận được sự quan tâm lớn từ giới nghiên cứu. Một nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Scientific Reports đã đánh giá toàn diện đặc tính của bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, cốt liệu tái chế và cốt liệu tái chế thứ cấp, qua đó làm rõ tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này trong các công trình xây dựng tương lai.
Đánh giá các đặc tính cơ học và độ bền của bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, cốt liệu tái chế và cốt liệu tái chế thứ cấp.
Tái chế bê tông nhiều vòng hướng tới phát triển vật liệu xây dựng bền vững
Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế được xem là giải pháp hiệu quả nhằm giảm lượng chất thải xây dựng và phá dỡ công trình, đồng thời tiết kiệm nguồn cốt liệu tự nhiên đang ngày càng suy giảm. Việc ứng dụng loại vật liệu này trong những năm gần đây đã mang lại nhiều lợi ích về môi trường và kinh tế.
Tuy nhiên, một thách thức mới xuất hiện khi các công trình sử dụng bê tông tái chế đến giai đoạn tháo dỡ. Quá trình này tạo ra một thế hệ chất thải mới, đặt ra câu hỏi liệu vật liệu có thể tiếp tục được tái chế và sử dụng trong các chu kỳ tiếp theo hay không.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển cốt liệu tái chế thứ cấp. Loại cốt liệu này được tạo ra bằng cách nghiền các mẫu bê tông tái chế đã qua sử dụng để tiếp tục sản xuất bê tông mới.
Mặc dù mang lại lợi ích về tính bền vững, cốt liệu tái chế thứ cấp thường có chất lượng thấp hơn so với cốt liệu tái chế thông thường. Nguyên nhân là do bề mặt hạt cốt liệu chứa nhiều lớp hồ xi măng cũ bám dính hơn, độ rỗng cao hơn, khả năng hút nước lớn hơn và tồn tại nhiều vi khe nứt trong cấu trúc vật liệu.
Những đặc điểm này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền và khả năng làm việc lâu dài của bê tông. Vì vậy, việc đánh giá khả năng tái sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp trong bê tông kết cấu được xem là bước quan trọng để hiện thực hóa mô hình kinh tế tuần hoàn trong ngành xây dựng.
Đánh giá toàn diện khả năng chống nứt, cường độ và độ bền của bê tông
Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đã chế tạo 9 cấp phối bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, cốt liệu tái chế và cốt liệu tái chế thứ cấp với các tỷ lệ thay thế lần lượt là 0%, 25%, 50%, 75% và 100%.
Cốt liệu tái chế được sản xuất bằng cách nghiền bê tông đúc trong phòng thí nghiệm, trong khi cốt liệu tái chế thứ cấp được tạo ra từ việc nghiền các mẫu bê tông tái chế đã được chế tạo trước đó. Tất cả các loại cốt liệu đều được xử lý theo cùng một quy trình và được điều chỉnh để có thành phần cấp phối tương đương.
Nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá khả năng chống nứt thông qua thí nghiệm trên tấm bê tông, theo dõi thời điểm xuất hiện vết nứt, chiều rộng, chiều dài và tổng diện tích nứt. Các đặc tính cơ học được xác định thông qua thí nghiệm cường độ nén và cường độ kéo ép chẻ ở tuổi 7 ngày và 28 ngày.
Khả năng chống xâm nhập của ion clo được đánh giá bằng phép đo điện thông lượng, trong khi khả năng chống băng giá được xác định thông qua các chỉ tiêu hao hụt khối lượng và mô đun đàn hồi động tương đối sau các chu kỳ đóng băng và tan băng.
Để làm rõ cơ chế ảnh hưởng đến tính năng vật liệu, các nhà khoa học sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân để phân tích cấu trúc lỗ rỗng và kính hiển vi điện tử quét để quan sát sản phẩm thủy hóa, các vi khe nứt, vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và hồ xi măng cũng như các đặc điểm vi cấu trúc khác.
Kết quả cho thấy khi tỷ lệ cốt liệu tái chế và cốt liệu tái chế thứ cấp tăng lên, các tính năng của bê tông đều có xu hướng suy giảm, trong đó khả năng chống nứt là chỉ tiêu nhạy cảm nhất với chất lượng cốt liệu.
Các mẫu bê tông sử dụng cốt liệu tái chế và cốt liệu tái chế thứ cấp xuất hiện vết nứt sớm hơn và có tổng diện tích nứt lớn hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Chiều rộng vết nứt, chiều dài vết nứt và tổng diện tích nứt đều tăng theo tỷ lệ thay thế cốt liệu.
Hiện tượng này đặc biệt rõ rệt đối với bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp do khả năng hút nước lớn hơn và tồn tại nhiều khuyết tật vi mô hơn trong cấu trúc hạt cốt liệu. Ở cùng một tỷ lệ thay thế, loại bê tông này luôn có khả năng chống nứt do co ngót thấp hơn bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thông thường.
Các chỉ tiêu cơ học cũng giảm khi hàm lượng cốt liệu tái chế tăng lên. Nguyên nhân xuất phát từ sự tồn tại của lớp hồ xi măng cũ bám dính, độ rỗng tăng và sự hình thành thêm các vùng chuyển tiếp trong cấu trúc bê tông.
Tuy nhiên, mức độ suy giảm cường độ của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp không quá lớn. Ngay cả khi thay thế hoàn toàn cốt liệu tự nhiên, cường độ nén và cường độ kéo vẫn chỉ giảm nhẹ so với bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thông thường. Điều này cho thấy các khuyết tật bổ sung trong cốt liệu tái chế thứ cấp không ảnh hưởng quá lớn đến khả năng chịu lực của vật liệu.
Tỷ lệ thay thế 50% được xem là ngưỡng phù hợp cho ứng dụng thực tế
So với các chỉ tiêu cơ học, độ bền lâu chịu ảnh hưởng rõ rệt hơn khi tăng tỷ lệ cốt liệu tái chế. Giá trị điện thông lượng tăng theo hàm lượng cốt liệu thay thế, cho thấy khả năng chống thấm ion clo suy giảm và nguy cơ bị tác động bởi môi trường xâm thực tăng lên.
Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp luôn có mức độ thấm cao hơn bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thông thường do mạng lưới lỗ rỗng liên thông và mật độ vi khe nứt lớn hơn.
Kết quả thử nghiệm đóng băng và tan băng cũng cho thấy mức độ hao hụt khối lượng tăng lên và module đàn hồi động tương đối giảm dần khi tỷ lệ cốt liệu tái chế tăng. Tình trạng suy giảm nghiêm trọng hơn ở các mẫu bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp do khả năng hút nước lớn và thể tích lỗ rỗng cao hơn.
Các phân tích vi cấu trúc đã xác nhận những kết quả này. Dữ liệu cộng hưởng từ hạt nhân cho thấy thể tích lỗ rỗng và kích thước lỗ rỗng đều tăng theo hàm lượng cốt liệu tái chế. Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thứ cấp chứa nhiều lỗ rỗng chuyển tiếp hơn đáng kể so với bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thông thường, trong khi sự khác biệt về lỗ rỗng gel và lỗ rỗng lớn không đáng kể.
Các lỗ rỗng chuyển tiếp này ít ảnh hưởng đến cường độ chịu lực nhưng lại làm giảm khả năng chống thấm và chống băng giá do tạo điều kiện cho chất lỏng và các tác nhân xâm thực di chuyển dễ dàng trong kết cấu bê tông.
Theo nhóm nghiên cứu, cốt liệu tái chế thứ cấp hoàn toàn có thể trở thành nguồn vật liệu thay thế khả thi cho sản xuất bê tông trong tương lai. Mặc dù việc tăng tỷ lệ thay thế làm suy giảm khả năng chống nứt, độ bền lâu và các đặc tính cơ học, mức độ ảnh hưởng giữa các chỉ tiêu là khác nhau.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thay thế khoảng 50% là mức phù hợp để duy trì sự cân bằng giữa hiệu quả môi trường và chất lượng kỹ thuật của bê tông. Phát hiện này mở ra triển vọng tái chế nhiều vòng đối với vật liệu bê tông, góp phần giảm nhu cầu khai thác cốt liệu tự nhiên và thúc đẩy quá trình phát triển vật liệu xây dựng theo hướng tuần hoàn và bền vững.
Buildata (TH/ Azobuild)
