Nghiên cứu ứng dụng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế tại Việt Nam và kinh nghiệm từ Nhật Bản
Với những đặc điểm đặc trưng như cường độ chịu nén, độ bền cao, chi phí hợp lý, bê tông đã trở thành một loại vật liệu được áp dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, công trình giao thông. Tại Việt Nam và Nhật Bản nhu cầu sử dụng bê tông rất lớn do sự bùng nổ trong công tác xây dựng cơ sở hạ tầng. Bài báo nghiên cứu về ứng dụng bê tông cốt liệu tái chế tại Việt Nam và Nhật Bản. Ngoài ra, khả năng ứng dụng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông kết cấu cũng được xem xét và đánh giá. Theo đó, nghiên cứu này đề xuất các giải pháp nhằm nhân rộng ứng dụng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế hướng tới sự phát triển bền vững.
1. Đặt vấn đề
Vật liệu bê tông ngày nay đã dần trở thành một loại vật liệu xây dựng phổ biến nhất trên Thế giới. Với những đặc điểm đặc trưng như cường độ chịu nén, độ bền cao cũng như chi phí hợp lý khi so sánh với các loại vật liệu xây dựng khác, bê tông đã trở thành một loại vật liệu được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực xây dựng dân dụng cũng như công trình giao thông. Tại các nước đang phát triển như việt Nam và ngay cả các nước phát triển như Nhật Bản, nhu cầu sử dụng bê tông rất lớn do sự bùng nổ trong công tác xây dựng cơ sởhạ tầng. Vào năm 2010, tổng lượng xi măng sản xuất trên toàn Thế giới đạt 3,3 tỷ tấn [1] và đã tăng lên 4,4 tỷ tấn vào năm 2021 [2]. Trong đó, sản lượng xi măng sản xuất tại Việt Nam đạt 100 triệu tấn, xếp thứ 3 trên Thế giới về tổng sản lượng xi măng được sản xuất vào năm 2021 chỉ sau Trung Quốc và Ấn Độ [2], Tại Nhật Bản, tổng sản lượng xi măng sản xuất vào năm 2021 đạt 52 triệu tấn, xếp thứ 11 trên Thế giới [2]. Việc sử dụng lượng bê tông lớn hàng năm dẫn đến phát sinh một khối lượng rất lớn chất thải xây dựng trong quá trình phá dỡ cũng như cải tạo sau này.
Vật liệu bê tông ngày nay đã dần trở thành một loại vật liệu xây dựng phổ biến nhất trên Thế giới. Với những đặc điểm đặc trưng như cường độ chịu nén, độ bền cao cũng như chi phí hợp lý khi so sánh với các loại vật liệu xây dựng khác, bê tông đã trở thành một loại vật liệu được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực xây dựng dân dụng cũng như công trình giao thông. Tại các nước đang phát triển như việt Nam và ngay cả các nước phát triển như Nhật Bản, nhu cầu sử dụng bê tông rất lớn do sự bùng nổ trong công tác xây dựng cơ sởhạ tầng. Vào năm 2010, tổng lượng xi măng sản xuất trên toàn Thế giới đạt 3,3 tỷ tấn [1] và đã tăng lên 4,4 tỷ tấn vào năm 2021 [2]. Trong đó, sản lượng xi măng sản xuất tại Việt Nam đạt 100 triệu tấn, xếp thứ 3 trên Thế giới về tổng sản lượng xi măng được sản xuất vào năm 2021 chỉ sau Trung Quốc và Ấn Độ [2], Tại Nhật Bản, tổng sản lượng xi măng sản xuất vào năm 2021 đạt 52 triệu tấn, xếp thứ 11 trên Thế giới [2]. Việc sử dụng lượng bê tông lớn hàng năm dẫn đến phát sinh một khối lượng rất lớn chất thải xây dựng trong quá trình phá dỡ cũng như cải tạo sau này.
Theo báo cáo cuối kỳ của dự án tăng cường năng lực quản lý tổng hợp chất thải rắn đô thị tại Việt Nam của Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA), TP. Hà Nội phát sinh khoảng từ 2,7 - 6,2 triệu tấn/năm chất thải xây dựng [3].
Nghiên cứu này đánh giá khả năng ứng dụng về bê tông cốt liệu tái chế thông qua các nghiên cứu tại Việt Nam và Nhật Bản. Ngoài ra, khả năng ứng dụng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông kết cấu cũng được xem xét và đánh giá. Theo đó, nghiên cứu này đề xuất các giải pháp nhằm nhân rộng việc sử dụng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế hướng tới sự phát triển bển vững cho môi trường.
2. Hệ thống tiêu chuẩn và quy trình sản xuất cốt liệu tái chế
2.1. Hệ thống tiêu chuẩn về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế
Tại Việt Nam, đối với hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), Bộ Xây dựng đã biên soạn TCVN 11969:2018 - cốt liệu lớn tái chế cho bê tông và đã được Bộ Khoa học và Công nghệ công bố vào năm 2018 [4],
Bàng 1 có đưa ra các chỉ tiêu được quy định đối với cốt liệu lớn tái chế cho bê tông theoTCVN 11969:2018. Tại Việt Nam, cốt liệu lớn tái chế được chia ra làm hai loại là loại I và loại II.
Bên cạnh đó, đối với hệ thống tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (JIS) [5], cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế được chia làm ba loại, loại H, loại M và loại L căn cứ theo các chỉ tiêu cơ lý như khối lượng thể tích của cốt liệu ở trạng thái khô, độ hút nước và hàm lượng hạt nhỏ hơn 0,075 mm.
Hình 1 mô tả phương pháp phân loại cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế theo JIS A 5021, JIS A 5022 và JIS A 5023 lần lượt tương ứng với các loại cốt liệu loại H, loại M và loại L.Trong đó, Bảng 2 mô tả các chỉ tiêu chi tiết đối với từng loại cốt liệu tái chế.
Hình 1 mô tả phương pháp phân loại cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế theo JIS A 5021, JIS A 5022 và JIS A 5023 lần lượt tương ứng với các loại cốt liệu loại H, loại M và loại L.Trong đó, Bảng 2 mô tả các chỉ tiêu chi tiết đối với từng loại cốt liệu tái chế.
Tiêu chuẩn JIS cũng quy định về tỷ lệ thay thế tối đa đối với các loại cốt liệu tái chế. Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế cũng được chia làm 3 cấp, cấp H, cấp M và cấp L tương ứng với việc sử dụng 100% hoặc một phần cốt liệu tái chế cùng loại.
Ở Việt Nam, tại một số điểm tiếp nhận, nghiền và tái chế chất thải rắn xây dựng, có hai hệ thống nghiền cốt liệu được sử dụng. Hệ thống thứ nhất là hệ thống di động sử dụng máy nghiền dạng tác động và hệ thống thứ hai là hệ thống cố định sử dụng máy nghiền dạng kẹp hàm. Chất lượng của cốt liệu tái chế sản xuất ra phụ thuộc nhiều vào chất lượng bê tông phế thải đầu vào. Tuy nhiên, chưa có thống kê, nghiên cứu về vấn đề này tại Việt Nam.
Ở Việt Nam, tại một số điểm tiếp nhận, nghiền và tái chế chất thải rắn xây dựng, có hai hệ thống nghiền cốt liệu được sử dụng. Hệ thống thứ nhất là hệ thống di động sử dụng máy nghiền dạng tác động và hệ thống thứ hai là hệ thống cố định sử dụng máy nghiền dạng kẹp hàm. Chất lượng của cốt liệu tái chế sản xuất ra phụ thuộc nhiều vào chất lượng bê tông phế thải đầu vào. Tuy nhiên, chưa có thống kê, nghiên cứu về vấn đề này tại Việt Nam.
Tại Nhật Bản, cốt liệu tái chế được sản xuất bằng cả hệ thống cố định và di động, cốt liệu được trải qua quá trình nghiền, loại bỏ các tạp chất như kim loại, nhựa, sau đó đi qua sàng để phân loại cốt liệu mịn tái chế và cốt liệu lớn tái chế. Bảng 4 thể hiện một số loại cốt liệu tái chế được sản xuất tại Nhật Bản theo nghiên cứu của Nguyễn Anh Đức và cộng sự [7]. Kết quả cho thấy, cốt liệu lớn tái chế đều có chất lượng tương đương với loại II quy định tại TCVN 11969:2018. Đối với tiêu chuẩn Nhật Bản, các loại cốt liệu này đều có chất lượng tương đương với cốt liệu tái chế loại L quy định tại Tiêu chuẩn JIS A 5023.
3. Đánh giá so sánh kết quả thí nghiệm của các nghiên cứu
3.1. Một số nghiên cứu về bê tông tái chế của các tác giả tại Việt Nam
Đối với bê tông đã đóng rắn, nhằm đánh giá các tính năng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, tác giả Phạm Đ.H.H và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm cường độ chịu nén theo TCVN 3118:1993 [9], cường độ ép chẻ theo ASTM C496 và mô đun đàn hồi theo ASTM C496 [6]. Các mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện nhiệt độ 23°C, độ ẩm tương đối >95% cho đến ngày thí nghiệm. Các mẫu trong nghiên cứu này có sử dụng cả xỉ lò cao và tro bay trong thành phần cấp phối bê tông.
Tác giả Nguyễn T.Q và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm xác định cường độ nén theoTCVN 3118:1993 đối với mẫu bê tông hình trụ tại các thời điểm 3, 7,14 và 28 ngày tuổi. Thí nghiệm mô đun đàn hồi được tiến hành theo hướng dẫn của RILEM CPC 8 [10] với mẫu bê tông hình trụ tại các thời điểm 3,7,14 và 28 ngày tuổi [8].
3. Đánh giá so sánh kết quả thí nghiệm của các nghiên cứu
3.1. Một số nghiên cứu về bê tông tái chế của các tác giả tại Việt Nam
Đối với bê tông đã đóng rắn, nhằm đánh giá các tính năng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, tác giả Phạm Đ.H.H và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm cường độ chịu nén theo TCVN 3118:1993 [9], cường độ ép chẻ theo ASTM C496 và mô đun đàn hồi theo ASTM C496 [6]. Các mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện nhiệt độ 23°C, độ ẩm tương đối >95% cho đến ngày thí nghiệm. Các mẫu trong nghiên cứu này có sử dụng cả xỉ lò cao và tro bay trong thành phần cấp phối bê tông.
Tác giả Nguyễn T.Q và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm xác định cường độ nén theoTCVN 3118:1993 đối với mẫu bê tông hình trụ tại các thời điểm 3, 7,14 và 28 ngày tuổi. Thí nghiệm mô đun đàn hồi được tiến hành theo hướng dẫn của RILEM CPC 8 [10] với mẫu bê tông hình trụ tại các thời điểm 3,7,14 và 28 ngày tuổi [8].
- Cường độ chịu nén: cường độ chịu nén được nhóm tác giả thực hiện ở các ngày tuổi 3, 7 và 28 ngày. Kết quả thể hiện trong Hình 2 cho thấy khi tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế càng cao, cường độ của bê tông càng giảm mạnh.
Bên cạnh đó, nghiên cứu của Nguyễn.T.Q và cộng sự cho thấy kết quả cường độ chịu nén như trong Hình 3 [8]. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu lớn tái chế càng tăng, cường độ chịu nén không có xu hướng giảm.
- Cường độ chịu ép chẻ: Theo như kết quả thể hiện tại Hình 4 trong nghiên cứu của Phạm Đ.H.H và cộng sự [6], cường độ chịu ép chẻ đạt được từ 2,75 - 3,76 Mpa ở tuổi 28 ngày. Khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng lên, cường độ chịu ép chẻ giảm dần tương ứng.
- Mô đun đàn hồi tĩnh: Theo như kết quả thể hiện tại Hình 5 trong nghiên cứu của Phạm Đ.H.H. và cộng sự [6], mô đun đàn hồi tĩnh của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đạt từ 23 - 36 GPa ở tuổi 28 ngày. Xu hướng của mô đun đàn hồi tĩnh giống với cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi tĩnh có xu hướng giảm dần khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng lên.
3.2. Một số nghiên cứu về bê tông tái chế tại Nhật Bản
Đối với bê tông đã đóng rắn nhằm đánh giá các tính năng của bê tông, tác giả Nguyễn A.Đ và cộng sự đã triển khai thí nghiệm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi đối theo JS A 1108 và JIS A1149.Thí nghiệm co ngót theo JIS A 1129-3.
3.2. Một số nghiên cứu về bê tông tái chế tại Nhật Bản
Đối với bê tông đã đóng rắn nhằm đánh giá các tính năng của bê tông, tác giả Nguyễn A.Đ và cộng sự đã triển khai thí nghiệm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi đối theo JS A 1108 và JIS A1149.Thí nghiệm co ngót theo JIS A 1129-3.
- Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi tĩnh: Hình 6 đưa ra kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi tĩnh của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế tại 28 và 91 ngày tuổi. Qua kết quả thí nghiệm của Nguyễn A.Đ và cộng sự [7], có thể thấy rằng cả cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của bê tông ở tuổi 28 ngày đều có xu hướng giảm dần khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng dần.
- Co ngót: Hình 7 cho thấy kết quả co ngót của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế theo nghiên cứu của Nguyễn A.Đ và cộng sự [7].
Kết quả cho thấy, co ngót của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế càng lớn khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng cao. Đặc biệt đối với những mẫu sử dụng 100% cốt liệu lớn tái chế (RLGIOO) và các trường hợp sử dụng đồng thời cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế.
4. Kết luận
Qua nghiên cứu đánh giá một số nghiên cứu của các tác giả tại Việt Nam và Nhật Bản về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, có thể đưa ra một số kết luận như sau:
- Đối với cốt liệu tái chế sản xuất tại Việt Nam, nếu loại bỏ gạch nung trước khi nghiền, chất lượng cốt liệu tái chế thu được tương đương với cốt liệu tái chế loại L quy định tại Tiêu chuẩn JIS A 5023 của Nhật Bản. Ngoài ra, nếu chất lượng bê tông gốc tốt, chất lượng cốt liệu tái chế sản xuất ra có thể tương đương với cốt liệu tái chế loại M quy định tại Tiêu chuẩn JIS A 5022 của Nhật Bản. Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, việc sử dụng cốt liệu tái chế là hoàn toàn khả thi trong sản xuất bê tông tại Việt Nam.
- Tính năng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có xu hướng giảm khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng lên. Đối với co ngót trong bê tông, trường hợp sử dụng 100% cốt liệu tái chế và trường hợp sử dụng cùng lúc cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế có thể dẫn đến vượt quá giới hạn khuyến cáo về co ngót tại 26 tuần của Hiệp hội Kiến trúc Nhật Bản tại JASS 5 (2018).
Tài liệu tham khảo
[1] . U.S. Geological Survey, United States of America (2011), Mineral commodity summaries US, Department of the Interior.
[2]. U.S. Geological Survey, United States of America (2021), Mineral commodity summaries US., Department of the Interior.
[3]. Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) (2018), Báo cáo cuối kỳ Dự án tăng cường năng lực quản lý tổng hợp chất thải rắn đô thị tại Việt Nam.
[4]. TCVN 11969:2018 (2018), Tiêu chuẩn quốc gia về cốt liệu lớn tái chế cho bê tông, Bộ Khoa học và Công nghệ.
[5]. JIS, Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (Japanese Industrial Standards), Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản (Japanese Industrial Standards Committee - JISC) xuất bản.
[6]. P. Đ. H. Hoàng, N. T. Sang, V. B. Đức (2020), Ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu tái chế từ gạch đất sét nung và bê tông phế thài đến tính chất cơ học của bê tông cường độ cao, Tạp chí Khoa học GTVT, tập 71, số 8, 944-955.
[7]. N. A. Due, N. V. Huynh, Y. Dosho (2022), Performance evaluation and mix proportion of concrete using low-quality recycled aggregate in Vietnam, Meijo Asian Research Journal, vol.11, No.1,13-26.
[8]. N. T. Quang, T. V. Cuong, N. N. Tan, N. H. Tan, N. H. Giang (2021), Nghiên cứu thực nghiệm ánh hưởng của tỷ lệ sử dụng cốt liệu lớn tái chế đến sự phát triển cường độ nén và mô đun đàn hồi theo thời gian, Tạp chí Khoa học Công nghệ xây dựng, 15 (IV), 48-59.
[9]. TCVN 3118:1993, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993), Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, Bộ Khoa học và Công nghệ.
Kết quả cho thấy, co ngót của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế càng lớn khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng cao. Đặc biệt đối với những mẫu sử dụng 100% cốt liệu lớn tái chế (RLGIOO) và các trường hợp sử dụng đồng thời cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế.
4. Kết luận
Qua nghiên cứu đánh giá một số nghiên cứu của các tác giả tại Việt Nam và Nhật Bản về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, có thể đưa ra một số kết luận như sau:
- Đối với cốt liệu tái chế sản xuất tại Việt Nam, nếu loại bỏ gạch nung trước khi nghiền, chất lượng cốt liệu tái chế thu được tương đương với cốt liệu tái chế loại L quy định tại Tiêu chuẩn JIS A 5023 của Nhật Bản. Ngoài ra, nếu chất lượng bê tông gốc tốt, chất lượng cốt liệu tái chế sản xuất ra có thể tương đương với cốt liệu tái chế loại M quy định tại Tiêu chuẩn JIS A 5022 của Nhật Bản. Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, việc sử dụng cốt liệu tái chế là hoàn toàn khả thi trong sản xuất bê tông tại Việt Nam.
- Tính năng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế có xu hướng giảm khi tỷ lệ thay thế của cốt liệu tái chế tăng lên. Đối với co ngót trong bê tông, trường hợp sử dụng 100% cốt liệu tái chế và trường hợp sử dụng cùng lúc cốt liệu lớn tái chế và cốt liệu mịn tái chế có thể dẫn đến vượt quá giới hạn khuyến cáo về co ngót tại 26 tuần của Hiệp hội Kiến trúc Nhật Bản tại JASS 5 (2018).
Tài liệu tham khảo
[1] . U.S. Geological Survey, United States of America (2011), Mineral commodity summaries US, Department of the Interior.
[2]. U.S. Geological Survey, United States of America (2021), Mineral commodity summaries US., Department of the Interior.
[3]. Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) (2018), Báo cáo cuối kỳ Dự án tăng cường năng lực quản lý tổng hợp chất thải rắn đô thị tại Việt Nam.
[4]. TCVN 11969:2018 (2018), Tiêu chuẩn quốc gia về cốt liệu lớn tái chế cho bê tông, Bộ Khoa học và Công nghệ.
[5]. JIS, Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (Japanese Industrial Standards), Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản (Japanese Industrial Standards Committee - JISC) xuất bản.
[6]. P. Đ. H. Hoàng, N. T. Sang, V. B. Đức (2020), Ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu tái chế từ gạch đất sét nung và bê tông phế thài đến tính chất cơ học của bê tông cường độ cao, Tạp chí Khoa học GTVT, tập 71, số 8, 944-955.
[7]. N. A. Due, N. V. Huynh, Y. Dosho (2022), Performance evaluation and mix proportion of concrete using low-quality recycled aggregate in Vietnam, Meijo Asian Research Journal, vol.11, No.1,13-26.
[8]. N. T. Quang, T. V. Cuong, N. N. Tan, N. H. Tan, N. H. Giang (2021), Nghiên cứu thực nghiệm ánh hưởng của tỷ lệ sử dụng cốt liệu lớn tái chế đến sự phát triển cường độ nén và mô đun đàn hồi theo thời gian, Tạp chí Khoa học Công nghệ xây dựng, 15 (IV), 48-59.
[9]. TCVN 3118:1993, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993), Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, Bộ Khoa học và Công nghệ.
VLXD.org (TH/ TC Giao thông)
