Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy sự mất ổn định về cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát nghiền nhân tạo ở hai mức độ: (i) mức độ đạt cường độ nén mẫu và (ii) mức độ giảm mạnh cường độ nén của bê tông khi chuyển từ mẫu nén lập phương 15 × 15 × 15 cm sang mẫu cấu kiện cột BTCT chịu nén kích thước 20 × 20 × 100 cm.

1. Đặt vấn đề

Số liệu thống kê từ các tỉnh, thành phố cho thấy nhu cầu sử dụng cát xây dựng tại Việt Nam khoảng 120 - 130 triệu m³/năm, nhu cầu cát san lấp giai đoạn 2016 - 2020 là 2,1 đến 2,3 tỷ m³, trong khi đó dự trữ cát xây dựng và cát san lấp được dự báo 2,1 tỷ m³. Dự báo nguồn cung cát tự nhiên từ các khu vực khai thác hợp pháp chỉ đáp ứng được khoảng 40 - 50% nhu cầu [1]. Như vậy, đến năm 2020, nước ta không đủ nguồn cung cát xây dựng tự nhiên phục vụ nhu cầu của các địa phương. Một số tỉnh đã xảy ra tình trạng khan hiếm cát tự nhiên và giá cát tăng cao đã tác động không nhỏ đến hoạt động xây dựng. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng thay thế cát tự nhiên bằng cát nghiền nhân tạo là một trong những giải pháp hiệu quả không những về kinh tế mà còn cả về môi trường sinh thái [2,3].

Trên Thế giới, nhiều tiêu chuẩn đã được ban hành hướng dẫn cho việc sử dụng cát nghiền cho sản xuất bê tông, như các tiêu chuẩn BS:882-1992 của Anh [4], P18-540 của Pháp [5], ASTM C33-90 của Mỹ [6]. Ở một số nước, nơi mà có nhu cầu lớn về sử dụng cát nghiền nhân tạo thay thế dần cát tự nhiên khai thác từ các lòng sông, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành so sánh để đánh giá đặc tính cơ học của bê tông sử dụng cát nhân tạo thay thế cát tự nhiên. Nghiên cứu thực nghiệm của Sahu [7], Ilangonava [8] đánh giá cường độ chịu kéo, nén và mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng cát nghiền có khả năng đạt tới giá trị tương đương với bê tông sử dụng cát tự nhiên. Khi quan sát vi cấu trúc của cát nhân tạo bằng phương pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning electron microscopy), Vijaya [9] chỉ rõ bề mặt gồ ghề với nhiều góc nhọn của cát nghiền, với hình dáng hạt dài hơn so với bề mặt mịn và hình dáng cầu của cát tự nhiên. Trạng thái bề mặt này của cát nghiền cho phép tạo ra sự liên kết tốt giữa bề mặt hạt cát với lớp đá xi măng và sự sắp xếp giữa các hạt với nhau chặt khít hơn, do đó có thể làm giảm độ rỗng trong bê tông. Tuy nhiên, hình dáng dài góc cạnh của hạt cát nghiền lại cho độ bền hạt thấp và khả năng nứt vỡ cao hơn so với cát tự nhiên. Do đó, việc kiểm soát chất lượng của bê tông sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên phụ thuộc nhiều vào dây chuyền nghiền sàng, tuyển cát nghiền và chất lượng đá gốc khai thác theo các khu vực khác nhau trên thế giới và trong từng vùng lãnh thổ.

Hiện nay ở nước ta, xu thế sử dụng cát nghiền nhân tạo thay thế cát tự nhiên trong sản xuất bê tông đang nhận được sự quan tâm lớn của nhà nước và các địa phương. TCVN 9205:2012 [10], TCVN 9382:2012 [11] đã ban hành các yêu cầu kỹ thuật, hướng dẫn việc sử dụng cát nhân tạo trong sản xuất bê tông và vữa. Chất lượng nguồn gốc đá nguyên khối hay sỏi nghiền dọc theo lãnh thổ Việt Nam thay đổi đa dạng, do đó ảnh hưởng đến chất lượng của cát nhân tạo ở mỗi vùng. Nhiều nghiên cứu trong nước đã được tiến hành đánh giá đặc tính cơ học của bê tông sử dụng cát nhân tạo thay thế cát tự nhiên trong sản xuất vữa và bê tông, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng bê tông đầm lăn cho các công trình hạ tầng đường giao thông và đập thủy điện [12-17]. Tuy nhiên, khả năng thay thế bê tông thường của bê tông sử dụng cát nhân tạo trong thiết kế thi công cấu kiện chịu lực nhà cao tầng BTCT hiện chưa được làm sáng tỏ, kiểm chứng sự phù hợp theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574:2018 [18]. Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng bê tông dùng cát nghiền nhân tạo từ đá vôi trong lĩnh vực thiết kế thi công nhà cao tầng BTCT sẽ là cơ sở hỗ trợ cho các kỹ sư, cán bộ đang nghiên cứu và làm việc trong lĩnh vực tư vấn thiết kế, quản lý dự án cũng như thi công công trình là rất cần thiết. Trong nội dung bài báo này, cát nhân tạo nghiền từ đá vôi khai thác tại Hà Nam được sử dụng phân tích nghiên cứu.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

2.1. Cấp phối bê tông

Với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng cát nghiền nguồn gốc đá vôi thay thế cát tự nhiên (cát vàng) cho cấu kiện chịu lực BTCT thông thường, hai cấp phối bê tông được thiết kế cho hai chủng loại cát đảm bảo cấp độ bền B20, với độ sụt yêu cầu SN = 4±2 cm. Thành phần cấp phối được xác định theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối theo phương trình sau [11, 19]:
Trong đó, X; N; C; D là khối lượng (kg) dùng của Xi măng, Nước, Cát và Đá; ρ_X, ρ_N, ρ_C, ρ_D lần lượt là khối lượng riêng của xi măng, nước, cát và đá; A là hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông (nghiên cứu chọn sơ bộ A = 1% - tương ứng 10 lít/m³ bê tông).
 
Tỷ lệ đá và hai loại cát tự nhiên (CTN) và cát nghiền nhân tạo (CN) được xác định trên cơ sở thí nghiệm xác định thành phần hỗn hợp hạt cốt liệu hợp lý đảm bảo có sự sắp xếp chặt chẽ nhất, theo phương pháp khối lượng thể lèn chặt lớn nhất. Hai cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu được xác định bước đầu tại Viện Nghiên cứu và ứng dụng Vật liệu Xây dựng nhiệt đới - trường Đại học Xây dựng (Bảng 1). Hai loại cấp phối này sau đó được sử dụng triển khai nghiên cứu mở rộng sang mô hình cấu kiện: (i) lực bám dính thép - bê tông và (ii) cấu kiện cột BTCT chịu nén đúng tâm.

2.2. Thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của bê tông
Tổng cộng 30 mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi ở các thời điểm 7, 14 và 28 ngày tuổi của bê tông sử dụng hai loại cát CTN và CN, trong đó: 24 mẫu lập phương 15×15×15cm xác định cường độ chịu nén cho hai loại bê tông (Hình 1), 6 mẫu trụ 15×30cm xác định mô đun đàn hồi cho hai loại bê tông. Các mẫu sau khi đúc xong được ngâm nước bảo dưỡng trong phòng thí nghiệm đến tuổi thí nghiệm.

2.3. Thí nghiệm xác định lực bám dính giữa bê tông và cốt thép
 
Mẫu thí nghiệm xác định lực dính được thiết kế theo chỉ dẫn của Rilem 7-II-128 [20]. Theo đó mẫu thí nghiệm được thiết kế gồm thanh thép Φ14 được neo một đoạn dài 5Φ = 7 cm trong mẫu bê tông khối lập phương 15×15×15cm (Hình 2). Một đầu thanh thép để thừa ra khỏi mẫu bê tông khoảng 5 cm để đo chuyển vị thanh thép khi thí nghiệm. Phần đầu kia của thanh thép được lồng trong ống nhựa để không bám dính với bê tông. Thí nghiệm lực dính giữa bê tông và cốt thép được xác định ở 28 ngày sau khi đúc mẫu. Tổng cộng có 6 mẫu cho thí nghiệm cho hai loại bê tông.

2.4. Thí nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm
 
Thí nghiệm nén đúng tâm được thực hiện trên 4 mẫu cột BTCT, kích thước tiết diện 200×200mm, dài 1000mm (2 mẫu sử dụng CTN, 2 mẫu sử dụng CN). Cột BTCT thí nghiệm được thiết kế như sau: cốt dọc 4Φ14 dùng thép CB300-V, cốt đai Φ6a200 kết hợp a100 gia cường đầu cột sử dụng thép CB240T (Hình 3). Mỗi cột được gắn 4 sensor đo biến dạng: 2 sensor gắn đo biến dạng cốt thép, được bố trí cho 2 thanh cốt đối diện; 2 sensor được dán trên bề mặt bê tông, nằm ở giữa cột và ở hai mặt đối diện nhau. Các mẫu cột đúc xong được bảo dưỡng tưới nước trong khuôn đến ba ngày, sau đó tháo khuôn để trong không khí phòng thí nghiệm LAS - XD125 cho gần giống với điều kiện thi công thực tế tại công trường.
Hệ thống thiết bị lắp đặt cho thí nghiệm nén cột được thể hiện như trong Hình 4: (i) tải trọng được kiểm soát qua LoadCell, với tốc độ gia tải trung bình 28-2 kN/s. Thí nghiệm gia tải dừng lại khi quan sát thấy bê tông bụng cột bị phá hoại tách ra kèm hiện tượng mất ổn định của cốt thép dọc; (ii) 4 đầu đọc biến dạng được nối trực tiếp với máy đọc tự động với độ đo 10 - 6 mm; (iii) giữa 2 đầu cột được bố trí tấm đệm cao su dày 1,5 cm để đảm bảo sự truyền lực tốt của lực ép vào 2 mặt phẳng đầu cột.
(Còn nữa)

Tài liệu tham khảo

[1] Kiên, T. T., Thiên, B. Đ. (2018). Tuyển tập Báo cáo hội thảo Khoa học công nghệ toàn quốc Cát nghiền thay thế cát tự nhiên, Vật liệu thân thiện với môi trường. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[2] Wigum, B. J., Danielsen, S. W. (2009). Production and Utilisation of Manufactured sand. State-of-the-art report, COIN project report 12 - 2009, Norway.

[3] Mundra, S., Sindhi, P. R., Chandwani, V., Nagar, R., Agrawal, V. (2016). Crushed rock sand – An economical and ecological alternative to natural sand to optimize concrete mix. Perspectives in Science, 8:345–347.

[4] BS 882:1992. Specification for aggregates from natural sources for concrete. UK.

[5] XP P18-540. Granulats: Définition, conformité, spécification, Normalisation franc¸aise. France.

[6] ASTM 33:1990 (1990). Standard Specification for Concrete Aggregates. USA.

[7] Sahu, A. K., Sunil, K. S. (2003). Quarry stone waste as fine aggregate for concrete. Indian Concrete Journal, 845–848.

[8] Ilangovana, R., Mahendrana, N., Nagamanib, K. (2008). Strength and durability properties of concrete containing quarry rock dust as fine aggregate. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(5):20–26.

[9] Vijaya, B. (2020). Microstructural study on the concrete containing manufactured sand. Journal of Critical Reviews, 7(4):1560–1564.

[10] TCVN 9205:2012. Cát nghiền cho bê tông và vữa. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[11] TCVN 9382:2012. Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông sử dụng cát nghiền. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[12] Chương, N. H. (2008). Nghiên cứu khả năng sử dụng đá mạt - phế thải của công nghiệp gia công đá để chế tạo vữa và bê tông xi măng. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Xây dựng.

[13] Chương, N. H., Lự, P. V., Phát, N. M. (2009). Nghiên cứu sử dụng đá mạt trong sản xuất bê tông nghèo xi măng. Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 3(1):11–19.

[14] Cung, N. Q. (2004). Nghiên cứu cát nhân tạo sử dụng cho bê tông và vữa nhân tạo. Tuyển tập các công trình NCKH công nghệ VLXD, NXB Xây dựng.

[15] Đoàn, N. V. (2018). Sử dụng cát nghiền để chế tạo bê tông và vữa xây dựng. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc - Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 116–129.

[16] Hiếu, N. D., Xuân, T. T. K., Toàn, Đ. T., Vân, H. H. (2018). Kết hợp cát nghiền và cát mịn trong chế tạo bê tông. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc - Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 130–139.

[17] Kiên, T. T., Hân, T. H., Hương, C. T. (2018). Nghiên cứu khả năng sử dụng các sản phẩm từ đá cát kết thay thế cát tự nhiên trong xây dựng các công trình. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc – Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 83–91.

[18] TCVN 5574:2018. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[19] TCVN 3108:1993. Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp xác định khối lượng thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[20] RILEM 7-II-128 (1994). RC6 : Bond test for reinforcing steel. 1. Pull-Out Test. RILEM technical recommendations for the testing and use of construction materials (pp. 102-105). London : E & FN Spon.

[21] Neville, A. M. (1996). Properties of concrete. New York: Wiley.

[22] Minh, P. Q., Phong, N. T., Cống, N. Đ. (2008). Kết cấu bê tông cốt thép. Phần 1: Cấu kiện cơ bản. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.