(Luận Án Tiến Sĩ) Nghiên Cứu Sử Dụng Phế Thải Xây Dựng Trong Chế Tạo Bê Tông.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG o0o Tống Tôn Kiên NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI H[.]

-o0o -

Tống Tôn Kiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG

TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2016

-o0o -

Tống Tôn Kiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG

TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu

Mã số: 62.52.03.09

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS TSKH Phùng Văn Lự

2 TS Lê Trung Thành

Hà Nội - Năm 2016

tông” được thực hiện tại trường Đại học Xây dựng, dưới sự hướng dẫn khoa học

của GS TSKH Phùng Văn Lự và TS Lê Trung Thành

Trước hết, Tôi xin nói lời cảm ơn sâu sắc tới GS TSKH Phùng Văn Lự và TS Lê

Trung Thành đã bỏ nhiều công sức hướng dẫn và định hướng khoa học trong suốt

quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH MTV Cơ điện Xây dựng công trình và

Công ty CP Hóa Chất Đức Minh đã hỗ trợ gia công cốt liệu và cung cấp hóa chất

cho đề tài Tôi xin cảm ơn Phòng Thí nghiệm và Nghiên cứu VLXD, Phòng TN và

Kiểm định công trình- Trường Đại học Xây dựng, Viện VLXD- Bộ Xây dựng, Viện

Hóa công nghiệp Việt Nam, Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, Viện Khoa học và

Công nghệ tiên tiến- Trường ĐHBK Hà Nội đã hợp tác và tạo điều kiện về trang

thiết bị thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn

Trường Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo sau đại học và Bộ môn VLXD đã tạo điều

kiện giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian thực hiện công tác nghiên cứu của luận án

Trong quá trình thực hiện, luận án đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của

các nhà khoa học trong và ngoài trường ĐHXD; của các thầy cô giáo trong Bộ môn

Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công nghệ VLXD, Phòng TN và Nghiên cứu VLXD,

Phòng TN và Kiểm định công trình, Khoa Vật liệu xây dựng

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, TS Hoàng Vĩnh Long và

các Anh Chị Em trong Nhóm tải tài liệu khoa học đã chia sẻ nhiều tài liệu khoa học

quý giá giúp tôi tham khảo trong khi thực hiện luận án

Xin nói lời biết ơn đến những người thân trong gia đình bởi sự động viên và chia sẻ

khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận án

Hà Nội, tháng 9 năm 2016

Tống Tôn Kiên

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu

trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình

nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung và kết quả của luận án

Tống Tôn Kiên

Lời cam đoan

THẢI XÂY DỰNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG TRÊN THẾ GIỚI 13 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về cốt liệu bê tông tái chế 13 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế 23 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TÁI SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG Ở

1.3.1 Thực trạng phế thải xây dựng tại các thành phố lớn ở Việt nam 39 1.3.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng cốt liệu tái chế trong chế tạo bê tông ở Việt

TÔNG

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ

2.1.1 Đặc tính của hạt cốt liệu bê tông tái chế 44 2.1.2 Cơ sở khoa học của việc xử lý và cải thiện chất lượng hạt cốt liệu bê tông tái

chế bằng phương pháp hấp phụ phụ gia khoáng puzơlan 44 2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG

2.2.1 Cơ sở khoa học của việc cải tiến quy trình trộn hỗn hợp bê tông 47 2.2.2 Cơ sở khoa học việc sử dụng phụ gia khoáng xỉ lò cao nghiền mịn trong bê

2.2.3 Cơ sở khoa học việc sử dụng chất kết dính xỉ kiềm thay thế xi măng trong chế

Chương 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1.3 Nước, dung dịch kiềm hoạt hóa và phụ gia siêu dẻo 62

3.3.1 Thiết kế sơ bộ thành phần bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên 74 3.3.2 Thiết kế thành phần bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế 74 3.3.3 Thiết kế thành phần bê tông sử dụng xỉ lò cao nghiền mịn 75 3.3.4 Thiết kế thành phần bê tông sử dụng chất kết dính xỉ kiềm 75

4.1.1 Thành phần vật liệu của cốt liệu bê tông tái chế 82

4.1.2 Cấu tạo và cấu trúc rỗng của cốt liệu bê tông tái chế 87

4.1.3 Tính hút và nhả nước của cốt liệu bê tông tái chế 88

4.1.4 Tính chất cơ học của cốt liệu bê tông tái chế 89

4.1.5 Khả năng hoạt tính của cốt liệu bê tông tái chế 91

4.2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐẾN

4.2.1 Lượng nước trộn và khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông 93 4.2.2 Độ sụt và sự tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông 95 4.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐẾN

Chương 5 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ THỰC NGHIỆM

ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ

5.1 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG 100%

5.1.1 Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến các tính chất

5.1.2 Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến các tính chất

5.1.3 Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến cấu tạo và vi

5.2 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG

5.2.1 Nghiên cứu đặc trưng cơ học của các loại bê tông dùng cho dầm 129

1 KẾT LUẬN 141

ASTM: Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu xây dựng

BTCLTC: Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế

BTCLTC: Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và bê

tông cốt thép BTCLTC-a25XLCNM: Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và

25% phụ gia khoáng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn BTCLTC-CKDXK7%: Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và

chất kết dính xỉ kiềm với hàm lượng kiềm 7% theo khối lượng BRE: Tổ chức nghiên cứu công trình xây dựng

BS EN: Hệ thống tiêu chuẩn châu âu

CKDXK: Chất kết dính xỉ kiềm

CLBTTC: Cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông

CLLBTTC: Cốt liệu lớn tái chế từ phế thải bê tông

CLNBTTC: Cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải bê tông

CLLTC: Cốt liệu lớn tái chế từ phế thải xây dựng

CLNTC: Cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải xây dựng

ĐC: Bê tông sử dụng các loại cốt liệu tự nhiên

EDX: Phổ tán sắc năng lượng tia X

ITZ: Vùng giao diện chuyển tiếp

JIS: Hệ thống tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản

PTXD: Phế thải xây dựng

PGSD: Phụ gia siêu dẻo

RILEM: Hiệp hội quốc tế của các phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu SEM: Kính hiển vi điện tử quét

SN: Độ sụt của hỗn hợp bê tông

XLCL: Phương pháp trộn có xử lý bề mặt hạt cốt liệu

XLV: Phương pháp trộn có xử lý bề mặt hạt cốt liệu nhỏ

XMBS: Xi măng PC40 Bút Sơn

1/2BH: Cốt liệu ở trạng thái bán bão hòa khô bề mặt

A: Là hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông

A/C: Tỷ lệ mol Al2O3/CaO

A/S: Tỷ lệ mol Al2O3/SiO2

BH: Cốt liệu ở trạng thái bão hòa khô bề mặt

CH: Khoáng portlandit (Ca(OH)2)

C-S-H: Khoáng hyđrô canxi silicat

C/S: Tỷ lệ mol CaO/SiO2

C/CKD: Tỷ lệ khối lượng cát/ chất kết dính

dd Na-Si: Dung dịch thủy tinh lỏng natri

E: Mô đun đàn hồi của bê tông

 Biến dạng của bê tông 

F: Diện tích bề mặt mẫu bê tông

f: Độ võng của dầm bê tông cốt thép

HLK: Hàm lượng kiềm, biểu thị bằng HLK Na O2 100%

XLCNM



Hw: Hệ số hút nước mao quản của bê tông

it: Độ hút nước mao quản ở thời điểm t (phút)

Kh: Cốt liệu ở trạng thái khô hoàn toàn

Ms: Mô đun silic của dung dịch kiềm, biểu thị bằng 2

2

Ms SiO

Na O

NaOH.32%: Dung dịch xút có 32% NaOH rắn

N/X: Tỷ lệ khối lượng Nước trên Xi măng

Bảng 1 2 Một số quy định kỹ thuật đối với CLTC theo các tiêu chuẩn nước ngoài 21

Bảng 1 3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của loại và hàm lượng CLTC đến cường

Bảng 1 4 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X đến cường độ nén của BTCLTC có hàm

Bảng 1 5 Ảnh hưởng của CLTC đến cường độ kéo trực tiếp và cường độ kéo khi

Bảng 1 6 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến mô đun đàn hồi của bê tông 27

Bảng 1 7 Các khoảng hàm lượng Na2O và Môđun silic thường sử dụng trong

Bảng 1 8 Khối lượng PTXD của một số địa phương năm 2009 39

Bảng 3 1 Các tính chất cơ bản của xi măng PC40 Bút Sơn 58

Bảng 3 2 Các tính chất cơ bản của xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn 60

Bảng 3 4 Tính chất cơ bản của dung dịch kiềm hoạt hóa 63 Bảng 3 5 Các tính chất khác của CLTN và CLBTTC 65 Bảng 3 6 Bảng thành phần các cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu 77

Bảng 4 2 Cường độ nén của mẫu phế thải bê tông gốc 90

Bảng 4 3 Thành phần vật liệu cho 1m3 hỗn hợp bê tông sử dụng hàm lượng

Bảng 4 4 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 7 ngày 104 Bảng 4 5 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 28 ngày 105 Bảng 4 6 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 91 ngày 105 Bảng 5 1 Cấp phối vật liệu thí nghiệm cho 1m3 hỗn hợp bê tông 111

Bảng 5 4 Đặc trưng cơ học của bê tông sau 28 ngày bảo dưỡng 130 Bảng 5 5 Kết quả thực nghiệm của các tải trọng giới hạn, độ võng lớn nhất và

Hình 1 2 Sơ đồ các hình thức tái sử dụng PTXD trong xây dựng 9 Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ tái chế PTXD ở mức độ thứ nhất 10 Hình 1 4 Sơ đồ các công đoạn tái chế phế thải xây dựng ở mức độ thứ 2 11 Hình 1 5 Sơ đồ trạm rửa tái chế phế thải xây dựng hoàn chỉnh 12 Hình 1 6 Hình dạng hạt và thành phần của CLLBTTC 14 Hình 1 7 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của hạt CLBTTC từ bê tông thường,

Hình 1 8 Quan hệ giữa độ hút nước với hàm lượng vữa (bên trái), với khối lượng

Hình 1 9 Sơ đồ hệ thống sản xuất CLBTTC có sử dụng phương pháp xử lý bề

Hình 1 10 Sơ đồ quá trình tái chế cốt liệu chất lượng cao bằng phương pháp

Hình 1 11 Sơ đồ quá trình cải thiện bề mặt CLBTTC bằng dầu khoáng 22 Hình 1 12 Sơ đồ quá trình cải thiện bề mặt CLBTTC bằng dung dịch silane 22 Hình 1 13 Ảnh hưởng của hàm lượng CLBTTC và CLTXTC đến cường độ nén

Hình 1 14 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến cường độ kéo của bê tông 27 Hình 1 15 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến mô đun đàn hồi của bê tông 27 Hình 1 16 Quan hệ ứng suất- biến dạng (a) và giá trị biến dạng tới hạn (b) của

Hình 1 17 Quan hệ ứng suất- biến dạng của bê tông sử dụng CLNBTTC 28 Hình 1 18 Độ hút nước của bê tông sử dụng CLLTC 30

Hình 1 21 Tốc độ thấm iôn clo của bê tông sử dụng CLLBTTC 31 Hình 1 22 So sánh thành phần bê tông sử dụng CLTN và CLBTTC 32 Hình 1 23 Sự phát triển cường độ nén (trái) và cấu trúc lỗ rỗng (phải) của

BTCLTC có và không có sử dụng tro bay và silicafume 34 Hình 1 24 So sánh ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến tốc độ truyền sóng

Hình 1 25 Ảnh hưởng Ms của dung dịch thủy tinh lỏng đến cường độ nén 28 ngày

của vữa sử dụng CKDXK với các loại xỉ khác nhau 38 Hình 1 26 Tình trạng đổ trộm phế thải xây dựng ở các đô thị ở Việt Nam 39 Hình 1 27 Tỷ lệ các loại rác thải rắn ở thành phố Hà Nội năm 2009 40 Hình 1 28 Khối lượng PTXD của thành phố Hồ Chí Minh từ năm 1997 đến 2013 40 Hình 1 29 Sơ đồ quy trình công nghệ tái chế PTXD thành CLTC 42

Hình 2 1 Các phương pháp ngâm tẩm dung dịch 50% silica phân tán khác nhau 46 Hình 2 2 Sơ đồ quy trình trộn hỗn hợp bê tông sử dụng CLTC 48 Hình 2 3 Mức độ thủy hóa của xỉ trong hỗn hợp xi măng- XLCNM với

(BSE) của đá CKDXK sau 1 ngày, tỷ lệ N/CKD=0,25 và nhiệt độ 200C 54

Hình 3 4 Thành phần khoáng vật của XLCNM 62 Hình 3 5 Hỗn hợp phế thải bê tông (bên trái) và trạm nghiền tái chế PTXD

Hình 3 6 Biểu đồ thành phần hạt của các loại CLNBTTC và cát tự nhiên 66 Hình 3 7 Sơ đồ thí nghiệm xác định độ hút nước mao quản của mẫu bê tông 68 Hình 3 8 Biểu đồ loại 1 khi nước không xuất hiện (a) và có xuất hiện (b) trên

Hình 3 10 Sơ đồ thí nghiệm độ hút nước của cốt liệu theo thời gian 70 Hình 3 11 Hình ảnh máy phân tích nhiễu xạ rơngen (XRD/ XRF) 71

Hình 3 13 Sơ đồ thí nghiệm và gia tải uốn dầm BTCT 73 Hình 3 14 Kích thước và cấu tạo dầm BTCT thí nghiệm 73 Hình 3 15 Ảnh hưởng của độ ẩm CLBTTC khi trộn đến cường độ nén BTCLTC 79 Hình 3 16 Ảnh hưởng của quy trình trộn đến cường độ nén của BTCLTC 79 Hình 3 17 Sơ đồ quy trình trộn hỗn hợp bê tông sử dụng trong nghiên cứu 80

Hình 4 2 Hỗn hợp CLBTTC 0,145mm (a) và Cát vàng (b) 83

Hình 4 6 Hàm lượng iôn Ca2+ hòa tan của mẫu CLBTTC 86 Hình 4 7 Hàm lượng iôn Na+ hòa tan của mẫu CLBTTC 86

Hình 4 10 Độ hút nước của các loại CLTN và CLBTTC 88 Hình 4 11 Quá trình nhả nước của cốt liệu trong không khí và khi sấy khô 89 Hình 4 12 Độ nở thanh vữa theo thời gian bảo dưỡng 92 Hình 4 13 Hoạt tính cường độ của vữa sử dụng CLNBTTC 92 Hình 4 14 Tổng lượng nước trộn của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông

Hình 4 15 Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông sử dụng

Hình 4 16 Sự thay đổi độ sụt của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông sử dụng

Hình 4 17 Tốc độ tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng CLBTTC 97 Hình 4 18 Ảnh hưởng của hàm lượng CLLBTTC đến cường độ nén của bê tông 99 Hình 4 19 Ảnh hưởng của hàm lượng CLNBTTC đến cường độ nén của bê tông 99 Hình 4 20 Tỷ lệ phát triển cường độ nén của bê tông trong các khoảng thời gian

Hình 4 21 Sự phát triển cường độ nén của bê tông sử dụng CLBTTC so với

Hình 4 22 Ảnh hưởng của hàm lượng CLBTTC đến cường độ nén ở 28 ngày 102 Hình 4 23 Ảnh hưởng của loại cốt liệu đến cường độ uốn của bê tông 103 Hình 4 24 Quan hệ giữa độ hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 7 ngày với

bê tông sau 24 giờ ngâm mẫu 106 Hình 4 28 Ảnh hưởng của loại CLBTTC đến hệ số hút nước mao quản của bê tông

Hình 5 14 Khả năng thấm iôn clo của các mẫu bê tông 123

Hình 5 17 Mặt cắt mẫu bê tông BTCLTC-a25XLCNM 124

Hình 5 19 Mô phỏng các vùng giao diện chuyển tiếp ITZ trong BTCLTC 125 Hình 5 20 Cấu trúc ITZ cũ gần bề mặt hạt CLTN gốc 125 Hình 5 21 Ảnh chụp EDX trong vùng đá xi măng cũ 126

Hình 5 23 Ảnh chụp EDX vùng đá xi măng gần bề mặt hạt CLTN của mẫu

Hình 5 33 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm

Hình 5 35 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông ĐCI 135 Hình 5 36 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông ĐCII 135 Hình 5 37 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông BTCLTC 136 Hình 5 38 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng(P-) của bê tông

PHẦN MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình xây dựng, chúng ta đang sử dụng một lượng lớn các nguồn tài nguyên thiên nhiên Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này có hạn và việc khai thác cốt liệu tự nhiên (CLTN) sẽ tác động lớn đến môi trường sinh thái Trong khi đó, việc xây dựng, cải tạo nâng cấp và phá dỡ các công trình, sẽ thải ra lượng lớn phế thải xây dựng (PTXD) Nhưng lượng phế thải này lại chưa được tận dụng, gây ô nhiễm môi trường Vì thế, nhiều nước trên thế giới đã và đang nỗ lực tìm kiếm mọi cách

để có thể sử dụng lại và tái chế các loại PTXD nhằm giải quyết đồng thời các vấn

đề trên

Trong những năm gần đây, PTXD ở nước ta phát sinh ngày càng nhiều và chưa được tái sử dụng Theo báo cáo môi trường quốc gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường [17], năm 2009 ngành xây dựng thải ra môi trường xấp xỉ 1,8 triệu tấn PTXD, chiếm khoảng 10-15% tổng lượng phế thải rắn Theo Nghị quyết số 34/2007/NQ-CP của Chính phủ [16], đến năm 2015 sẽ cơ bản hoàn thành việc phá

dỡ, cải tạo các khu chung cư cũ ở các đô thị lớn, vì thế lượng PTXD sẽ tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới Dự kiến đến năm 2016, lượng PTXD sẽ tăng lên khoảng 3,3 triệu tấn và 4,3 triệu tấn vào năm 2020 Trong khi đó, ở một số khu vực lại thiếu trầm trọng cốt liệu cho bê tông vì lý do bảo môi trường ngày càng khắt khe, khả năng cung cấp các loại cốt liệu tự nhiên chất lượng cao ngày càng hạn chế Do đó việc tái chế PTXD cũng như tăng cường sử dụng các loại cốt liệu tái chế (CLTC) từ PTXD được cho là biện pháp hiệu quả Theo chiến lược quốc gia về quản lý chất thải rắn đến năm 2025 [4], tỷ lệ thu gom trên tổng PTXD tái chế của Việt Nam trong các năm 2015 là 50/30 và phấn đấu các năm 2020, 2025 tương ứng sẽ là 80/50, 90/60 Vì vậy việc nghiên cứu tái sử dụng PTXD có tính cấp thiết

Ở Việt Nam và trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông (CLBTTC) nói riêng cũng như CLTC từ hỗn hợp PTXD nói chung để làm vật liệu móng đường giao thông, vật liệu gia cố đất, cốt liệu cho chế tạo vữa và bê tông.v.v… Tuy nhiên, do hạt CLTC có độ rỗng lớn, độ hút nước lớn, cường độ cơ học thấp, có nhiều tạp chất bám trên bề mặt hạt cốt liệu nên làm giảm mối liên kết giữa đá xi măng và cốt liệu,v.v dẫn đến chất lượng bê tông sử dụng CLTC thấp, đặc biệt là độ bền lâu của các loại bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế

từ phế thải bê tông (CLNBTTC) hoặc cốt liệu tái chế từ phế thải tường xây gạch (CLTXTC) Cho nên, các nghiên cứu trên thế giới chỉ tập trung sử dụng cốt liệu lớn tái chế từ phế thải bê tông và hạn chế sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế với hàm lượng lớn trong bê tông Các loại kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) chịu lực sử dụng CLBTTC cũng còn ít được quan tâm nghiên cứu Vì vậy việc nghiên cứu tận dụng 100% CLBTTC trong chế tạo các loại bê tông chịu lực là hướng nghiên cứu khoa học mới cần đi sâu làm rõ và rất cần thiết ở Việt Nam

Luận án: “Nghiên cứu sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê tông” chỉ tập

trung nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm bê tông sử dụng CLTC từ phế thải bê tông thay thế CLTN Đây là loại PTXD điển hình của các công trình xây dựng bị phá

dỡ ở Việt Nam Luận án sẽ nghiên cứu làm rõ các quy luật, mối liên hệ giữa loại và hàm lượng CLBTTC với các tính chất của bê tông và thử nghiệm các giải pháp nâng cao chất lượng của loại bê tông sử dụng 100% CLBTTC Đồng thời, luận án cũng nghiên cứu về ứng xử cơ học của các kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng CLBTTC nhằm khẳng định khả năng ứng dụng loại bê tông này trong kết cấu chịu lực thường gặp trong công trình xây dựng ở Việt Nam

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của luận án là: Nghiên cứu chế tạo bê tông thường (mác tới M30) sử dụng CLBTTC đạt tính năng tương đương bê tông sử dụng cốt liệu đá tự nhiên (CLTN), trên cơ sở sử dụng hai hệ chất kết dính là hỗn hợp xi măng- xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) và chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK)

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu bao gồm:

- Các quy luật ảnh hưởng của loại và hàm lượng cốt liệu lớn tái chế, cốt liệu nhỏ tái chế

từ phế thải bê tông đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông

- Sự ảnh hưởng của các biện pháp nâng cao chất lượng bê tông sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế

- Ứng xử cơ học của bê tông sử dụng 100% CLBTTC kết hợp với chất kết dính xi măng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng- XLCNM hoặc CKDXK

Phạm vi nghiên cứu bao gồm:

- PTXD có nhiều loại với chất lượng khác nhau, nhưng trong luận án chỉ nghiên cứu CLTC từ phế thải bê tông xi măng có chất lượng tương đối ổn định, được phá dỡ từ các kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng nhà dân dụng và công nghiệp

- Hỗn hợp bê tông thường sử dụng CLBTTC thay thế CLTN từ 0-100%, có độ sụt là 10±2cm

- Chất kết dính sử dụng gồm: xi măng poóc lăng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng với XLCNM; chất kết dính xỉ kiềm

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu như trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Tổng quan tình hình nghiên cứu, sử dụng CLTC thay thế cốt liệu tự nhiên trong sản xuất bê tông trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đề xuất các vấn đề khoa học cần giải quyết

- Phân tích các đặc tính của hạt CLBTTC và lựa chọn các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo hỗn hợp bê tông

- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại và hàm lượng CLBTTC thay thế CLTN đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông xi măng chịu lực

- Nghiên cứu ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến chất lượng của bê tông sử dụng 100% CLBTTC

- Nghiên cứu phân tích ứng xử chịu uốn của dầm BTCT có 100% CLBTTC

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (tài liệu) kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn và một số phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, phương pháp chưa đưa vào tiêu chuẩn

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Qua các kết quả nghiên cứu, luận án có một số đóng góp mới như sau:

 Đã chứng minh được khả năng chế tạo bê tông thường chịu lực sử dụng CLBTTC Bằng kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án cũng khẳng định khi sử dụng hỗn hợp chất kết dính xi măng- xỉ lò cao nghiền mịn hoặc chất kết dính xỉ kiềm, kết hợp với xử lý trộn ẩm cốt liệu thì có thể chế tạo được bê tông sử dụng 100% CLBTTC đạt mác M30, đồng thời cải thiện các tính chất khác của bê tông lên mức tương đương bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên Đây là cơ sở cho việc sử dụng CLBTTC trong sản xuất bê tông ở nước ta sau này

 Đã nghiên cứu phân tích làm rõ đặc điểm cấu tạo, tính chất của hạt CLBTTC và của bê tông sử dụng CLTC so với CLTN và bê tông thường

 Đã phân tích được ứng xử uốn của các dầm BTCT, từ đó chứng minh được có thể sử dụng 100% CLBTTC thay thế CLTN kết hợp với chất CKDXK để chế tạo dầm BTCT có khả năng chịu lực tương đương dầm bê tông có CLTN Những kết quả này là cơ sở tính toán thiết kế và xem xét ứng dụng loại bê tông này để chế tạo kết cấu dầm BTCT chịu uốn trong công trình xây dựng ở Việt Nam

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Luận án vừa có ý nghĩa khoa học giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn liên quan đến việc tái sử dụng CLBTTC trong chế tạo bê tông, vừa là tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, học viên và sinh viên chuyên ngành ở Việt Nam

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra và làm rõ các quy luật ảnh hưởng của CLBTTC đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông như sau:

+ Giá trị tổn thất độ sụt và tốc độ giảm độ sụt tăng khi tăng hàm lượng sử dụng CLBTTC

+ Cường độ của bê tông sử dụng CLBTTC giảm, nhất là khi sử dụng cả CLNBTTC + Độ co khô của bê tông sử dụng CLBTTC lớn hơn của bê tông sử dụng CLTN, nhưng quy luật phát triển độ co của các loại bê tông này tương tự như nhau

+ Độ thấm ion clo của BTCLTC lớn hơn của BTCLTN Tuy nhiên, ở tuổi dài ngày

độ thấm ion clo của BTCLTC giảm mạnh

- Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: có thể sử dụng chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng và XLCNM hoặc thay thế xi măng poóc lăng bằng CKDXK kết hợp với việc trộn ẩm cốt liệu để cải tiện tính chất của bê tông sử dụng CLBTTC Đề tài đã xác định được một số luận điểm khoa học mới khi sử dụng các chất kết dính này đó là:

+ Xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn cải thiện được khả năng tổn thất độ sụt của hỗn hợp

bê tông còn CKDXK làm tăng khả năng mất độ sụt của hỗn hợp bê tông

+ Với hàm lượng XCLNM sử dụng thích hợp (25% so với khối lượng xi măng) và CKDXK với hàm lượng kiềm hợp lý (7% Na2O so với khối lượng XLCNM), có khả năng làm tăng cường độ bê tông sử dụng CLBTTC lên đạt và vượt cường độ của BTCLTN

- Luận án cũng chỉ ra rằng khi sử dụng BTCLTC để chế tạo dầm BTCT thì sự làm việc của dầm tương tự như dầm BTCT sử dụng CLTN Tuy nhiên khả năng chịu tải trong uốn của dầm nhỏ hơn, vết nứt xuất hiện sớm hơn và số lượng vết nứt nhiều hơn

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Việc nghiên cứu sử dụng CLBTTC thay thế 100% CLTN trong chế tạo kết cấu bê tông không những góp phần giải quyết sự thiếu hụt CLTN, tránh lãng phí nguồn tài nguyên thiên nhiên mà còn làm giảm tồn chứa PTXD, góp phần bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu sử dụng phế thải công nghiệp luyện kim XLCNM kết hợp với xi măng poóc lăng hoặc làm CKDXK thay thế hoàn toàn xi măng để chế tạo bê tông vừa góp phần giải quyết tồn chứa phế thải, giảm ô nhiễm môi trường; vừa nâng cao chất lượng của kết cấu bê tông sử dụng CLBTTC, thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững; từ đó mở rộng khả năng ứng dụng loại bê tông này trong công trình xây dựng ở Việt Nam

8 KẾT CẤU LUẬN ÁN

Luận án được trình bày trong 5 chương, các kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn

có các bảng biểu, hình vẽ và các phụ lục về kết quả nghiên cứu:

Chương 1 Tổng quan về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng,

Chương 2 Cơ sở khoa học của việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế thay thế cốt liệu

tự nhiên trong chế tạo bê tông

Chương 3 Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu,

Chương 4 Nghiên cứu sử dụng cốt liệu bê tông tái chế để chế tạo bê tông,

Chương 5 Nghiên cứu nâng cao chất lượng và thực nghiệm ứng xử cơ học của bê

tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế,

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ

PHẾ THẢI XÂY DỰNG

Chương này trình bày sơ lược về tình hình tái chế PTXD và công nghệ tái chế PTXD làm cốt liệu cho bê tông, cũng như tổng quan về tình hình nghiên cứu, ứng dụng các loại bê tông sử dụng CLBTTC trên thế giới và ở Việt Nam Trên cơ sở đó, rút ra các định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án

1.1 PHẾ THẢI XÂY DỰNG VÀ TÁI CHẾ PHẾ THẢI XÂY DỰNG

1.1.1 Phế thải xây dựng

PTXD là vật liệu được phát sinh trong quá trình phá dỡ toàn bộ hoặc bộ phận công trình xây dựng, ví dụ như: các công trình hiện hữu đã được xây dựng trong một thời gian dài, chất lượng đã xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tiện nghi

và an toàn, hoặc các công trình này không còn phù hợp với yêu cầu sử dụng hiện tại (như: mở rộng sản xuất, hoặc làm văn phòng, nhà ở…) Ngoài ra cũng còn có các công trình xây dựng còn mới nhưng xây dựng trên đất lấn chiếm, xây dựng sai với quy hoạch xây dựng, sai với giấy phép xây dựng, hoặc do giải phóng mặt bằng theo quy hoạch sử dụng đất của nhà nước,… [1]

Trong xu thế phát triển bền vững ở thế kỷ này, việc phát triển bền vững trong ngành xây dựng nói chung và trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng đã và đang được nhiều nước trên thế giới tập trung nghiên cứu (Hình 1.1) [112] Ví dụ như ở Anh, Chính phủ đã đưa ra chiến lược phát triển bền vững và kế hoạch hành động trong xây dựng [67, 68]; còn ở Mỹ đã đưa ra khái niệm về tái sử dụng và hướng dẫn thực hành sử dụng các sản phẩm tái chế từ PTXD, phế thải phá dỡ công trình [47, 146], Ở Việt Nam, Chính phủ cũng đã ban hành định hướng chiến lược phát triển bền vững ở Việt Nam (Chương trình nghị sự 21 của Việt Nam), chương trình đầu tư

xử lý chất thải rắn giai đoạn 2011-2020, nhằm phát triển bền vững đất nước trên cơ

sở kết hợp chặt chẽ, hợp lý và hài hoà giữa phát triển kinh tế, phát triển xã hội và bảo vệ môi trường [2, 3]

Hình 1.1 Tỷ lệ PTXD và mức độ tái sử dụng PTXD ở các nước trên thế giới [112]

Phế thải của quá trình xây dựng, cải tạo, phá dỡ công trình có thể được tái sử dụng vào các mục đích khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và chất lượng của hỗn hợp phế thải xây dựng (Hình 1.2) [66] Tùy theo mức độ lẫn các tạp chất mà PTXD được tái chế và sử dụng ở các dạng khác nhau: (1) Đối với hỗn hợp PTXD có chất lượng thấp, có nhiều tạp chất có thể sử dụng cho công tác san lấp mặt bằng hoặc chôn lấp (đối với phế thải có lẫn tạp chất độc hại) (2) Hỗn hợp PTXD có chất lượng trung bình (như tường xây gạch, hỗn hợp tường xây và kết cấu bê tông, gạch

ốp lát,…) thì có thể tái sử dụng làm lớp nền móng đường giao thông (3) Hỗn hợp PTXD chất lượng tốt (như bê tông xi măng) có thể tái chế làm các loại cốt liệu chất lượng cao sử dụng cho kết cấu móng trên hay mặt đường, sản xuất vữa và bê tông Phần hạt mịn sẽ làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất clanhke xi măng hoặc nghiền thành bột để gia cố nền đất công trình (4) Ngoài ra, PTXD cũng có thể sử dụng làm vật liệu trang trí cảnh quan, các chi tiết kiến trúc có màu sắc khác nhau góp phần xây dựng kiến trúc xanh (các tường đá xếp, kết cấu non bộ trang trí, vách tường có nước chảy, ) Trong luận án này chỉ tập trung nghiên cứu sử dụng phế thải có nguồn gốc từ bê tông xi măng để làm cốt liệu thay thế CLTN trong chế tạo

bê tông Đây là loại phế thải phổ biến và có chất lượng tương đối ổn định trong quá trình thi công, cải tạo và phá dỡ công trình xây dựng

Hình 1.2 Sơ đồ các hình thức tái sử dụng PTXD trong xây dựng [66]

1.1.2 Tái chế phế thải xây dựng làm cốt liệu cho bê tông

Công nghệ sản xuất CLTC từ PTXD không khác nhiều so với công nghệ sản xuất cốt liệu nghiền từ đá tự nhiên Dây chuyền sản xuất gồm các loại máy nghiền, sàng, thiết bị vận chuyển và các thiết bị loại bỏ tạp chất Phương pháp cơ bản của tái chế là sử dụng máy nghiền để nghiền các mảnh vỡ PTXD sau đó sàng phân loại

ra sản phẩm dạng hạt có kích thước yêu cầu Việc tái chế PTXD cũng đòi hỏi phải

có một số thiết bị chuyên dụng như máy kẹp, máy cắt và nam châm điện để loại bỏ vật liệu kim loại trong phế thải Hiện nay có nhiều quy trình công nghệ tái chế PTXD làm cốt liệu với các mức độ khác nhau như sau:

Công nghệ tái chế mức độ thứ nhất: Bao gồm máy nghiền di động gắn liền các bộ

phận nghiền, sàng và phân loại Công nghệ này khá đơn giản, chỉ có một máy nghiền, thường là máy kẹp hàm để đập nhỏ kích thước của các mảnh phế thải lớn Nhược điểm cơ bản của dây chuyền này là không có bộ phận để loại bỏ tạp chất, nên thường chỉ sử dụng tái chế các loại PTXD có thành phần ổn định, ít lẫn tạp chất Ví dụ như được sử dụng trong dự án cải tạo và nâng cấp mặt đường, vỉa hè hoặc tại các công trường đang phá dỡ để giảm chi phí vận chuyển Dây chuyền này cũng có thể sử dụng thêm hệ thống sàng phân loại để tách các cỡ hạt sau khi nghiền nhỏ Quy trình sàng phân loại có thể phân chia thành chu trình kín và chu trình hở như ở Hình 1.3 [19] Chu trình hở có ưu điểm là cho công suất cao hơn chu trình

kín, nhưng có nhược điểm là có nhiều thành phần hạt lớn hơn, đặc biệt khi vật liệu đầu vào khác nhau

a)

b)

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ tái chế PTXD ở mức độ thứ nhất [19]

a) - theo chu trình kín; b) - chu trình hở

Công nghệ tái chế mức độ thứ hai: Bao gồm thiết bị của dây chuyền công nghệ mức

độ 1 nhưng có thêm bộ phận phân tách kim loại bằng từ tính và hệ thống sàng phân loại ra nhiều cỡ hạt khác nhau Trong dây chuyền có thể có một hoặc 2 máy nghiền, một hệ thống phân loại và một bộ phận tách kim loại (Hình 1.4) [19]

Hình 1.4 Sơ đồ các công đoạn tái chế phế thải xây dựng ở mức độ thứ 2 [19]

Công nghệ tái chế mức độ thứ ba: có thể xử lý được tất cả các loại phế thải Đây là

mô hình lý tưởng đáp ứng được cả mặt môi trường lẫn kinh tế Nhà máy đầu tiên theo mô hình này trên thế giới đã được lắp đặt để tái chế các loại PTXD và phế thải

gỗ ở Rotterdam, Hà Lan [64] Hiện nay, sơ đồ trạm tái chế PTXD hoàn chỉnh đã được CDE nghiên cứu và lắp đặt ở nhiều nước trên thế giới (Hình 1.5) [34] Trong dây chuyền này có bố trí thêm thiết bị thùng rửa tách các tạp chất nhẹ (gỗ, giấy, ni lông,…), thiết bị ép tách bùn và tái chế nước rửa

Hình 1.5 Sơ đồ trạm rửa tái chế phế thải xây dựng hoàn chỉnh [34]

1.1.3 Hiệu quả của việc tái sử dụng phế thải xây dựng

Việc tái chế PTXD đem lại đồng thời hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật và môi trường Các hiệu quả cụ thể như sau:

Hiệu quả kinh tế bao gồm: Tiết kiệm chi phí và lệ phí xử lý PTXD tại các bãi rác;

vật liệu tái chế có giá thành hạ, khối lượng thể tích thấp nên giảm tải trọng bản thân cho kết cấu móng, giảm thiểu các chi phí vận chuyển phế thải đi và nhập khẩu vật liệu về công trình, v.v… cho nên có thể giảm đến 15% chi phí đầu tư xây dựng công trình [10, 64]

Hiệu quả kỹ thuật: Là nguồn vật liệu tái chế có chất lượng đáp ứng được các yêu

cầu kỹ thuật của các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành [10, 19]; có khả năng lèn chặt tốt

do trong quá trình lu lèn, có một số hạt vật liệu có thể vỡ nhỏ và lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt khác; hiệu quả sử dụng cao do CLTC có khối lượng thể tích nhỏ hơn CLTN, nên khối lượng thể tích của các sản phẩm bê tông sử dụng CLTC giảm 8-15% so với bê tông thường [64, 112]; Có khả năng sử dụng trong nhiều mục đích xây dựng khác nhau, đảm bảo các yêu cầu thiết kế của công trình

Hiệu quả môi trường: việc sử dụng CLTC từ PTXD trong chế tạo bê tông sẽ làm

giảm lượng đá, sỏi tự nhiên khai thác; tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên; không tác động đến môi trường sinh thái cũng như gây ô nhiễm môi trường ở khu vực khai thác; Giảm lượng PTXD tồn chứa, chôn lấp trong các bãi rác nên tiết kiệm diện tích

các bãi rác chôn lấp Việc tái chế và tái sử dụng vật liệu tại chỗ của các công trình phá dỡ sẽ giảm ô nhiễm môi trường và các tác động đến cơ sở hạ tầng giao thông do giảm thiểu được quá trình vận chuyển phế thải đi và vật liệu đến công trường

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ PHẾ

THẢI XÂY DỰNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG TRÊN THẾ GIỚI

Bê tông sử dụng CLTC từ PTXD đã được biết đến đầu tiên từ thời kỳ La Mã [64] Khi đó, thành phần chính của loại bê tông này chủ yếu gồm các mảnh gạch vỡ

và hỗn hợp chất kết dính của vôi, bột gạch với các loại vật liệu puzơlan, còn được gọi là bê tông gạch vỡ Công trình đầu tiên ứng dụng loại bê tông này là kênh dẫn nước Eiffel ở Cologne (Đức) Đến năm 1860, bê tông gạch vỡ sử dụng xi măng đã được sản xuất ở Đức; nhưng phải sau chiến tranh thế giới thứ 2, bê tông tái chế mới được sử dụng phổ biến trong quá trình tái thiết các thành phố của Đức

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu đặc điểm của cốt liệu, cũng như ảnh hưởng của việc sử dụng CLBTTC thay thế CLTN đến các tính chất của bê tông đã được nhiều nghiên cứu đề cập [64, 88, 112, 157] Mặc dù có nhiều lợi ích về mặt môi trường, nhưng loại vật liệu này vẫn có những tính chất khác xa so với CLTN, là nguyên nhân hạn chế khả năng sử dụng rộng rãi trong xây dựng Theo Kou S.C [78], độ hút nước, cường độ nén dập và thành phần hạt là những yếu tố ban đầu cần xem xét khi đánh giá chất lượng của CLBTTC và các yếu tố này cũng có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất của bê tông Vì vậy luận án sẽ tập trung phân tích các nghiên cứu về đặc tính của hạt CLBTTC và về bê tông sử dụng CLBTTC, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về cốt liệu bê tông tái chế

1.2.1.1 Tính chất của cốt liệu bê tông tái chế

Thể tích cốt liệu trong bê tông là lớn nhất (chiếm khoảng 65-80%) và đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông Các tính chất chủ yếu của CLBTTC ảnh hưởng nhiều đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông có thể kể đến như: thành phần khoáng hóa, độ rỗng, thành phần hạt, độ hút nước, đặc tính hình dạng và bề mặt hạt, cường độ, mô đun đàn hồi,… Nguyên nhân chính làm giảm chất lượng và CLBTTC có đặc tính khác xa so với CLTN do

có lớp vữa xi măng bám trên bề mặt hạt cốt liệu có hàm lượng lỗ rỗng lớn [73, 113]

Thành phần vật liệu của CLBTTC tương

tự như thành phần của phế thải bê tông

phần này có thể làm giảm chất lượng bê

tông, cần phải loại bỏ Thành phần vữa

và đá xi măng thường có cấu trúc rỗng

Thành phần khoáng của CLBTTC lại tương đối khác với CLTN do ngoài các thành phần khoáng của đá tự nhiên, còn có thêm các thành phần khoáng khác của xi măng

đã thủy hóa (như C-S-H, Ca(OH)2), clanhke xi măng chưa thủy hóa (C4AF, C2S,…)

và vật liệu gốm (A3S2) [91]

Nhìn chung, khi sử dụng cùng công nghệ nghiền đập và sàng phân loại thì thành phần cấp phối hạt của CLBTTC tương đương với của CLTN [10, 38, 73], và phù

hợp với yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu cho vữa và bê tông theo TCVN 7570: 2006 [10] và tiêu chuẩn ASTM C33 [19] Chất lượng cốt liệu lớn tái chế có thể đạt yêu cầu mà không cần rửa mặc dù có một phần hạt mịn bám trên bề mặt hạt cốt liệu [64]

Hạt CLBTTC thường có hình dạng không xác định, bề mặt nhám ráp, góc cạnh và rỗng xốp hơn so với CLTN [48, 123] Theo Zaharrieva R [162] bề mặt hạt CLBTTC thường có nhiều vết nứt làm tăng lượng nước và không khí hấp thụ vào trong hạt, nhưng lại tăng khả năng liên kết giữa đá xi măng và bề mặt hạt cốt liệu Hansen T.C [64] cũng cho rằng cốt liệu nhỏ được tạo ra từ phế thải bê tông thường thô, ráp và góc cạnh hơn so với cát tự nhiên Điều này dẫn đến làm tăng nội ma sát

và giảm tính công tác của hỗn hợp BTCLTC O’Mahony M.M [106] cho rằng khi cốt liệu được nghiền từ hỗn hợp phế thải tường gạch, do cường độ bản thân gạch thấp, nên hàm lượng hạt nhỏ và mịn sẽ nhiều hơn so với từ phế thải từ bê tông Đây chính là lý do mà cốt liệu nhỏ tái chế thường không được sử dụng để chế tạo hỗn hợp bê tông có yêu cầu tính dẻo cao và bê tông có cường độ cao Hiện nay, hạn chế này có thể khắc phục bằng cách sử dụng các loại phụ gia giảm nước, phụ gia hóa dẻo trong chế tạo bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế Tuy nhiên giá thành bê tông tăng lên đáng kể

Hệ thống lỗ rỗng trong bê tông cũng như hạt cốt liệu sẽ ảnh hưởng lớn đến các tính chất của bê tông (Bảng 1.1) [97] Độ rỗng của bê tông sử dụng cốt liệu đặc chắc và được đầm chặt tốt chủ yếu phụ thuộc vào lỗ rỗng trong đá xi măng và không khí cuốn vào trong quá trình chế tạo bê tông [105] Hạt CLBTTC có cấu tạo không đồng nhất, với các phần cấu trúc rỗng xốp khác nhau Phần đá tự nhiên có cấu tạo tương đối đặc chắc; còn phần vữa, đá xi măng và phần liên kết giữa CLTN với đá xi măng có nhiều lỗ rỗng do trong quá trình chế tạo bê tông hồ xi măng không điền đầy hoàn toàn sau khi đầm chặt bê tông và do bọt khí cuốn vào; các lỗ rỗng gel và mao quản trong đá xi măng Độ rỗng của các loại CLBTTC lớn hơn nhiều so với CLTN chủ yếu do hàm lượng vữa xi măng dính bám vào hạt CLBTTC hoặc do quá trình gia công cốt liệu Khalaf F.M [84] cũng cho rằng lỗ rỗng trong hạt CLBTTC

có nhiều kích thước khác nhau, từ các lỗ rỗng lớn có thể dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường hoặc kính lúp, đến các lỗ rỗng nhỏ như lỗ rỗng gel trong đá xi măng Kích thước lỗ rỗng trong CLBTTC cũng phụ thuộc vào phế thải bê tông gốc (Hình 1.7a) [119] Cụ thể hàm lượng rỗng của CLTN và CLBTTC từ bê tông thường, bê

tông chất lượng cao lần lượt là 1,60; 16,81 và 7,86% Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của CLBTTC từ bê tông thường chủ yếu trong khoảng 0,01÷1m, còn của CLBTTC từ bê tông chất lượng cao lại thường nhỏ hơn 0,1m (Hình 1.7b) [119]

Lỗ rỗng trong CLBTTC đa số là lỗ rỗng hở và nằm trên bề mặt hạt cốt liệu

Hình 1.7 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của hạt CLBTTC từ bê tông thường, bê tông chất

lượng cao so với CLTN [118]

Bảng 1.1 Sự ảnh hưởng của hệ thống lỗ rỗng đến tính chất của bê tông [97]

Loại lỗ rỗng Kích thước Mô tả Ảnh hưởng đến tính chất bê tông

Co ngót ở tất cả các độ ẩm tương đối, từ biến

Do hạt CLBTTC có cấu trúc rỗng xốp nên có khả năng hút nước mạnh trong quá trình trộn hỗn hợp bê tông, đây là nguyên nhân làm tăng tốc độ tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng CLTC [118] Tuy nhiên, chính lượng nước CLTC hút vào này sẽ nhả ra và thực hiện quá trình nội bảo dưỡng đá xi măng bê tông trong quá trình rắn chắc, giúp cường độ liên kết vùng tiếp xúc tăng và dẫn đến tăng cường độ của bê tông [7, 8] Ngoài ra, đối với các lỗ rỗng kích thước lớn và hở, hỗn hợp hồ xi măng có thể dễ dàng xâm nhập vào sẽ làm tăng khả năng liên kết giữa bề mặt hạt CLTC và đá xi măng Trên cơ sở các phân tích ở trên, việc nghiên cứu đặc tính vi

cấu trúc bề mặt hạt, sự phân bố hệ thống lỗ rỗng trong hạt CLBTTC là rất cần thiết tiếp tục thực hiện trong luận án này

CLTC luôn có độ hút nước lớn hơn nhiều so với CLTN Cụ thể, độ hút nước của CLTC từ bê tông thường là 3-12%, còn từ hỗn hợp PTXD là 20-25%, trong khi đó của CLTN chỉ là 0,5-1,2% [123] Độ hút nước của các loại CLTC khác xa nhau là

do hàm lượng đá xi măng và lượng vữa dính trên bề mặt hạt cốt liệu, hàm lượng các thành phần có khả năng hút nước cao như mảnh vỡ gạch xây và gạch ốp lát đất nung; nguồn gốc phế thải bê tông và kích thước hạt CLTC (Hình 1.8) [44]

Hình 1.8 Quan hệ giữa độ hút nước với hàm lượng vữa (bên trái), với khối lượng thể tích

(bên phải) của CLBTTC [44]

Cường độ của CLBTTC có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông Trước tiên,

cường độ của cốt liệu thường được đánh giá qua cường độ đá gốc hay nói cách khác

là cường độ của bản thân từng hạt cốt liệu Giá trị này phụ thuộc rất lớn vào cường

độ của đá tự nhiên đã dùng làm cốt liệu, tỷ lệ N/X và hàm lượng vữa xi măng của

bê tông gốc [64] Ngoài ra, trong quá trình sử dụng công trình hoặc gia công nghiền các mảnh vỡ phế thải bê tông thành các cỡ hạt của cốt liệu cũng có thể làm xuất hiện các vết nứt trên bề mặt và trong hạt CLBTTC, chính điều này sẽ làm giảm cường độ của hạt cốt liệu [64, 112] Thứ hai, cường độ của hỗn hợp CLBTTC có thể được đánh giá thông qua độ hao mòn Los Angeles hay độ nén dập trong xi lanh

Độ hao mòn Los Angeles và cường độ nén dập trong xi lanh của CLBTTC cao hơn nhiều so với CLTN [9, 64], nhưng hầu hết các giá trị này của CLBTTC đều đạt yêu cầu theo ASTM C33 [64] hoặc TCVN 7570: 2006 [9] Các giá trị yêu cầu kỹ thuậtcụ thể của CLTC theo một số tiêu chuẩn trên thế giới được nêu ở Bảng 1.2 [11] Theo bảng này, các nước chủ yếu sử dụng cốt liệu lớn tái chế có nguồn gốc từ bê tông xi

măng, tường xây hoặc hỗn hợp; riêng Nhật Bản cho phép sử dụng cả cốt liệu nhỏ tái chế Vì thế luận án này chỉ tập trung nghiên cứu tận dụng hỗn hợp CLTC từ phế thải

bê tông

1.2.1.2 Biện pháp nâng cao chất lượng cốt liệu tái chế

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đề xuất phương pháp nhằm hạn chế các nhược điểm và cải thiện chất lượng của CLBTTC như: phương pháp gia công cơ học tách lớp vữa cũ [64, 88, 99]; phương pháp hóa học ; phương pháp nhiệt học [72, 137]; phương pháp hấp phụ các loại vật liệu khoáng puzơlan trên bề mặt hạt cốt liệu [72,

75, 79],v.v… Các phương pháp này cho phép nâng cao chất lượng CLBTTC cũng như chất lượng BTCLBTTC với các mức độ rất khác nhau

Phương pháp gia công cơ học: Trong CLBTTC luôn có một phần vữa xi măng cũ

tự do và vữa xi măng cũ bám dính vào hạt cốt liệu tự nhiên (vữa bám dính) Thành phần này có độ rỗng lớn và có độ hút nước cao, cường độ thấp hơn so với phần đá

tự nhiên Do vậy đây là nguyên nhân chính làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông, chất lượng cũng như tính bền vững của bê tông sử dụng CLBTTC [64, 86, 116] Để loại bỏ thành phần vữa bám dính ta có thể dùng 1 trong 2 biện pháp:

Biện pháp thứ nhất: Gia công cơ học tiến hành nghiền, chà sát và sàng để loại bỏ lượng vữa cũ hoặc tách phần vữa cũ bám dính kém với bề mặt hạt đá tự nhiên ra khỏi CLBTTC Cụ thể như tăng số máy nghiền trong công đoạn sản xuất [64, 88] hoặc sử dụng kết hợp giữa máy đập hàm và máy nghiền nón, máy nghiền ma sát,v.v… [64, 88] Tuy nhiên, biện pháp này sẽ làm dây chuyền tái chế PTXD phức tạp hơn và chi phí đầu tư cũng cao hơn và làm tăng giá thành CLTC [51]

Biện pháp thứ hai: Sử dụng dây chuyền tái chế theo chu trình ướt sử dụng vòi nước rửa áp lực cao Tuy nhiên, trong quá trình tái chế cần một lượng nước rửa khá lớn

và nước sau khi rửa có hàm lượng kiềm cao, độ pH=12÷13 nên nếu tái sử dụng nước này sẽ làm giảm hiệu quả tách lọc và dây chuyền phức tạp làm tăng chi phí sản xuất CLTC Một phương pháp ướt khác là sử dụng nước có hàm lượng kiềm thấp, có tính axít (HCl, H2SO4 loãng) có thể tăng hiệu quả loại bỏ thành phần vữa dính bám (Hình 1.9) [137] Tuy nhiên phương pháp này không áp dụng được cho bê tông gốc sử dụng CLTN có nguồn gốc là đá cacbonat, do cốt liệu có thể bị hòa tan bằng dung dịch axít Ngoài ra khi ngâm cốt liệu trong dung dịch axít lâu dài lại có thể tạo ra các vết nứt vi mô trong bê tông do phản ứng giữa xi măng với muối

sunphát và các muối khác Sau đó một phần iôn clo đã dính vào các hạt CLNBTTC

có thể làm tăng tổng điện lượng truyền qua, cũng như chiều sâu thấm và hệ số thấm iôn clo của bê tông sử dụng CLBTTC [137]

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống sản xuất CLBTTC có sử dụng phương pháp xử lý bề mặt bằng

phương pháp hóa- lý [137]

Phương pháp xử lý bằng cơ nhiệt: Phế thải bê tông được gia nhiệt tới khoảng

3000C, thành phần đá xi măng trở nên bị giòn, dễ vỡ do mất nước của các sản phẩm thủy hóa CLBTTC đã đốt nóng được chà sát trong máy nghiền có các vật trợ nghiền, mức độ chà sát khác nhau tùy thuộc vào lượng vật liệu trợ nghiền và tốc độ quay của máy nghiền (Hình 1.10) [66]

Hình 1.10 Sơ đồ quá trình tái chế cốt liệu chất lượng cao bằng phương pháp xử lý nhiệt kết

hợp máy nghiền ma sát [66]

Một phương pháp xử lý bằng nhiệt khác là sử dụng sóng siêu âm để làm sạch cốt liệu tái chế nhằm loại bỏ các hạt bụi và cải thiện liên kết giữa đá xi măng và CLBTTC [72] Kết quả cho thấy sau khi áp dụng phương pháp làm sạch cốt liệu bằng sóng siêu

âm có thể làm tăng được khoảng 7% cường độ bê tông Tuy vậy, các phương pháp xử

lý bề mặt hạt CLBTTC bằng nhiệt hoặc sóng siêu âm, nhằm loại bỏ lớp vữa cũ bám dính đều tiêu tốn năng lượng lớn, do đó hạn chế tính ứng dụng trong thực tế

Phương pháp xử lý bằng chất hóa học: Tác giả Masato Tsujino [95], đã nghiên cứu

công nghệ cải thiện chất lượng lớp bề mặt cho CLBTTC mà không làm suy giảm tính chất cơ học của hạt cốt liệu nhờ vào việc sử dụng 2 loại dung dịch chất hoạt động bề mặt là dầu khoáng và Silane Sơ đồ quá trình xử lý bề mặt hạt CLLBTTC được nêu ở Hình 1.11 và Hình 1.12 [95] Kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt cốt liệu sau khi được xử lý bề mặt giảm độ hút nước, tăng cường độ hạt Ngoài ra khi dùng dầu khoáng xử lý, tính chất cơ học của bê tông không bị sụt giảm (thậm chí cường

độ uốn của dầm bê tông còn tăng), độ co khô giảm khoảng 10% so với mẫu bê tông

sử dụng cốt liệu không được xử lý Trong khi đó sử dụng dung dịch silane lại làm giảm độ hút nước từ 5÷10%, tăng khả năng chống thấm CO2 của bê tông