Nghiên cứu sử dụng cát nhân tạo để chế tạo bê tông xi măng tại các công trình giao thông tỉnh bến tre và các tỉnh lân cận luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Sản xuất cát nghiền cát nhân tạo để thay thế cát tự nhiên đang là ưu thế công nghệ trong việc đáp ứng được yêu cầu về cốt liệu nhỏ thay thế cát tự nhiên trong quá trình sản xuất BTXM.. N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

THIỀU QUANG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NHÂN TẠO ĐỂ CHẾ TẠO

BÊ TÔNG XI MĂNG TẠI CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

TỈNH BẾN TRE VÀ CÁC TỈNH LÂN CẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

THIỀU QUANG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NHÂN TẠO

ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TẠI CÁC

CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TỈNH BẾN TRE

VÀ CÁC TỈNH LÂN CẬN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

MÃ SỐ: 60.58.02.05 CHUYÊN SÂU: KTXD ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÊ VĂN BÁCH

TP HỒ CHÍ MINH - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, xuất phát

từ yêu cầu trong công việc từ đó hình thành hướng nghiên cứu, được thực

hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lê Văn Bách

Các kết quả nêu trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu và trích dẫn trong Luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực Tôi đã hoàn thành tất cả các môn học và

đã thanh toán tất cả các nghĩa vụ tài chính theo quy định của Trường Đại học Giao thông vận tải Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Thiều Quang Phương

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện và hoàn thành đề tài Luận văn này, tôi đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá nhân Luận văn cũng được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các tạp chí chuyên ngành của nhiều tác giả ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu, tổ chức chính trị…

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Văn Bách

là người đã hướng dẫn trực tiếp và dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Tôi xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu, cùng toàn thể các thầy cô giáo đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong Luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế Tôi kính mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè tiếp tục có những

ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn

Một lần nữa xin chân thành cám ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Học viên

Thiều Quang Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 4

1.1 Tổng quan về bê tông và bê tông cốt thép 4

1.1.1 Lịch sử hình thành bê tông – bê tông cốt thép: 4

1.1.2 Ứng dụng bê tông và bê tông cốt thép: 5

1.1.3 Các đặc điểm của bê tông xi măng: 5

1.1.4 Phân loại: 6

1.2 Vật liệu chế tạo bê tông nặng: 7

1.3 Tính chất của bê tông và bê tông cốt thép: 11

1.4 Ưu và khuyết điểm của bêtông cốt thép: 12

1.5 Giới thiệu chung về cát nhân tạo 13

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁT THIÊN NHIÊN CÁT NHÂN TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 17

2.1 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên và cát nhân tạo trên thế giới 17

2.1.1 Tình hình sử dụng cát thiên nhiên trên thế giới 17

2.1.2 Tình hình sử dụng cát nhân tạo trên thế giới 19

2.2 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên và cát nhân tạo tại Việt Nam 20 2.2.1 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên tại Việt Nam 20

2.2.2 Tình hình sử dụng cát nhân tạo: 23

2.3 Tình hình khai thác và sử dụng cát tại Bến Tre 25 2.4 Ảnh hưởng môi trường do khai thác cát vùng Đồng bằng sông Cửu Long26

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NHÂN TẠO CHO CÁC

CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG 27

3.1 Các yêu cầu về cát sử dụng cho bê tông, chỉ tiêu cơ lý của cát 27

3.1.1 Yêu cầu về cát cho bê tông 27

3.1.2 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cát nhân tạo và cát tự nhiên 29

3.1.3 Cơ sở lý thuyết và thiết kế thành phần BTXM sử dụng cát nhân tạo31 3.2 Vật liệu chế tạo và tính toán thành phần BTXM có sử dụng cát nghiền 34 3.2.1 Xác định cường độ yêu cầu 34

3.2.2 Xác định các thông số đầu vào 34

3.2.3 Xác định thành phần cấp phối BTXM - B25(M300) - theo TCVN 9382:2012 34 3.2.4 Xác định tỷ lệ phối hợp giữa đá mi và cát tự nhiên theo lý thuyết cấp phối lý tưởng Fuller 35

3.3 Phương pháp xác định các tính chất cơ lý của BTXM sử dụng cát nhân tạo 37

3.3.1 Đo độ sụt bằng thí nghiệm dung côn Abrams: 37

3.3.2 Cường độ chịu kéo uốn 41

3.3.3 Cường độ ép chẻ 42

3.3.4.Mô đun đàn hồi 43

3.4 Thực nghiệm trong phòng xác định các tính chất của BTXM có sử dụng cát nhân tạo 45

3.4.1 Phương pháp và kế hoạch thực nghiệm 45

3.4.2 Thực nghiệm trong phòng xác định các tính chất của BTXM có sử dụng cát nhân tạo 46

3.5 Khả năng sử dụng BTXM dùng cát nghiền trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô 54

3.5.1 Các yêu cầu của bê tông trong xây dựng kết cấu áo đường cứng 54 3.5.2 Các căn cứ đề xuất kết cấu áo đường 55

3.5.3 Đề xuất kết cấu mặt đường 55

3.6 Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật 56

3.7 Sơ lược về công nghệ sản xuất cát nghiền (cát nhân tạo) 59

3.8 Công nghệ thi công đường bê tông ngoài hiện trường 61

3.9 Kết luận: 62

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC THÍ NGHIỆM

E : Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh – gọi tắt là môđun đàn hồi

Mdl : Mô đun độ lớn của cát

N/XM : Nước/Xi măng

NB : Nam Bộ

PC : Xi măng pooc lăng

PCB : Xi măng pooc lăng hỗn hợp

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

QL : Quốc lộ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hạt của cát cần phải thỏa mãn theo TCVN

7570:2006 10

Bảng 1.2 Thành phần hạt của đá (sỏi) phải thỏa mãn theo TCVN 7570:2006 11

Bảng 3.1 - Thành phần hạt của cát 28

Bảng 3.2 - Hàm lượng các tạp chất trong cát 29

Bảng 3.3 - So sánh thành phần hạt của cát tự nhiên và cát nhân tạo 29

Bảng 3.4 - Bảng so sánh hàm lượng bụi bùn sét 31

Bảng 3.5 - Bảng so sánh hàm lượng Mica 31

Bảng 3.6: Thành phần cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ của cấp phối BTXM 36

Bảng 3.7: Hệ số tính đổi γ cho mẫu đầm khi thử kéo uốn 41

Bảng 3.8: Thành phần vật liệu chế tạo BTXM 46

Bảng 3.9: Độ sụt (Sn) của BTXM 46

Bảng 3.10: Cường độ chịu nén BTXM loại 30MPa (Đơn vị: MPa) 47

Bảng 3.11: Cường độ chịu kéo uốn BTXM loại 30MPa (Đơn vị: MPa) 47

Bảng 3.12: Cường độ ép chẻ BTXM loại 30MPa (Đơn vị: MPa) 47

Bảng 3.13: Cường độ chịu nén BTXM loại 20MPa (Đơn vị: MPa) 48

Bảng 3.14: Cường độ chịu kéo uốn BTXM loại 20MPa (Đơn vị: MPa) 48

Bảng 3.15: Cường độ ép chẻ BTXM loại 20MPa (Đơn vị: MPa) 48

Bảng 3.16: Kết quả đo mô đun đàn hồi của BTXM (Đơn vị: MPa) 48

Bảng 3.17: Mức phát triển cường độ của BTXM loại 30MPa tuổi 7 ngày so với tuổi 28 ngày 52

Bảng 3.18: Mức phát triển cường độ của BTXM loại 20MPa tuổi 7 ngày so với tuổi 28 ngày 52

Bảng 3.19: Mức phát triển cường độ của BTXM loại 30MPa tuổi 56 ngày so với tuổi 28 ngày 52

Bảng 3.20: Mức phát triển cường độ của BTXM loại 20MPa tuổi 56 ngày so với tuổi 28 ngày 52

Bảng 3.21: Trị số tính toán của các loại BT trong xây dựng đường ôtô 54 Bảng 3.22: Chỉ tiêu kỹ thuật của BTXM làm đường ô tô 55 Bảng 3.23: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ

30MPa dùng cát hạt to 57 Bảng 3.24: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTĐL cường độ

30MPa dùng hỗn hợp cát nhân tạo– cát vàng hạt mịn tự nhiên 57 Bảng 3.25: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ

20MPa dùng cát hạt to 58 Bảng 3.26: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ

20MPa dùng hỗn hợp cát nhân tạo– cát vàng hạt mịn tự nhiên 58

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công nghệ sản xuất cát nhân tạo 14

Hình 2.1 Cao tốc 6 làn xe nối Mumbai với Pune được xây dựng hoàn toàn bằng cát nhân tạo 19

Hình 3.1: Sơ đồ mẫu kéo uốn 41

Hình 3.2: Sơ đồ mẫu ép chẻ 42

Hình 3.3: Sơ đồ mẫu môđun đàn hồi 44

Hình 3.4: Tăng trưởng Rn của BTXM cường độ 30MPa theo thời gian 49

Hình 3.5: Tăng trưởng Rn của BTXM cường độ 20MPa theo thời gian 49

Hình 3.6: Tăng trưởng Ru của BTXM cường độ 30MPa theo thời gian 50

Hình 3.7: Tăng trưởng Ru của BTXM cường độ 20MPa theo thời gian 50

Hình 3.8: Tăng trưởng Rech của BTXM cường độ 30MPa theo thời gian 51

Hình 3.9: Tăng trưởng Rech của BTXM cường độ 20MPa theo thời gian 51

Hình 3.10: Ru của BTXM khi sử dụng hàm lượng cát nghiền khác nhau 53

Hình 3.11: E của BTXM khi sử dụng hàm lượng cát nghiền khác nhau 53

Hình 3.12: Kiến nghị các dạng kết cấu áo đường cứng 56

Hình 3.13: Dây chuyền nghiền cát nhân tạo 60

Hình 3.14: Công nghệ thi công mặt đường 62

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, việc xây dựng cơ sở hạ tầng đặc biệt là giao thông đường bộ tại Bến Tre là mục tiêu quan trọng nhằm đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế, đồng thời nâng cao mức sống của người dân Bến tre là một tỉnh cù lao với kênh rạch chằn chịt, trước đây giao thông đường thủy chiếm ưu thế, tuy nhiên những năm gần đây hệ thống giao thông đường bộ phát triển đã đáp ứng phần lớn yêu cầu về đi lại và vận chuyển hàng hóa của người dân Hiện nay ngoài các tuyến Quốc lộ và Tỉnh lộ trên địa bàn tỉnh và nhiều đường giao thông nông thôn sử dụng kết cấu áo đường mềm Tuy nhiên, do đặc thù là cù lao nên địa chất trên địa bàn tỉnh khá yếu, việc sử dụng kết cấu áo đường mềm thường dễ hư hỏng mặt đường trong quá trình khai thác nhất là các đường giao thông nông thôn Việc sử dụng kết cấu áo đường bằng bê tông xi măng là rất cần thiết và phù hợp với chủ trương của Chính phủ trong xây dựng kết cấu áo đường bằng BTXM vì lượng xi măng của chúng ta hiện nay là dư thừa

Bến Tre có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa hằng năm rất lớn, triều cường dâng cao, các con đường thường xuyên ngập nước, các loại kết cấu áo đường truyền thống thường rất dễ hư tổn khi gặp nước, bê tông xi măng là loại vật liệu có khả năng chịu được việc phải thường xuyên bị ngập nước của đường

Bê tông xi măng là một loại đá nhân tạo mà thành phần của nó bao gồm: Xi măng, cốt liệu hạt thô, cốt liệu nhỏ, nước và có thể có thêm phụ gia, chất bổ trợ khác Cốt liệu là thành phần được sử dụng trong bê tông có thể có tác động đáng kể trên các thuộc tính về trạng thái cứng và dẻo của bê tông Cốt liệu có thể chiếm đến 70÷ 80 % thể tích của hỗn hợp bê tông và nó ảnh hưởng nhiều đến các tính chất của bê tông

Việc chế tạo BTXM cần có các loại cốt liệu phù hợp, cốt liệu có thể tận dụng từ việc khai thác tại địa phương nhằm giảm chi phí xây dựng công trình

Tuy nhiên thành phần cốt liệu quan trọng nhất trong BTXM là đá và cát đòi hỏi phải đáp ứng đủ các yêu cầu về kỹ thuật mới có thể sản xuất được BTXM đạt yêu cầu

Hiện nay, các nguồn cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên hạt to, chất lượng tốt phục vụ sản xuất BTXM ngày càng khan hiếm việc tìm nguồn cốt liệu thay thế đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất Sản xuất cát nghiền (cát nhân tạo) để thay thế cát tự nhiên đang là ưu thế công nghệ trong việc đáp ứng được yêu cầu về cốt liệu nhỏ thay thế cát tự nhiên trong quá trình sản xuất BTXM Việc sử dụng cát nghiền không những đáp ứng được quá trình sản xuất mà còn giảm giá thành xây dựng công trình, giải quyết nhiều vấn đề hệ lụy do việc khai thác cát tự nhiên gây ra Vì thế đề tài

“Nghiên cứu sử dụng cát nhân tạo để chế tạo bê tông xi măng tại các công

trình giao thông tỉnh Bến Tre và các tỉnh lân cận” là cần thiết

Nội dung đề tài là nghiên cứu thành phần, hàm lượng cát nhân tạo để sản xuất BTXM, nghiên cứu các tính chất của BTXM có sử dụng cát nhân tạo

để đáp ứng được các yêu cầu trong xây dựng các công trình giao thông

2 Mục tiêu của đề tài:

Đánh giá chất lượng cát nhân tạo (đang có trên thị trường) Nghiên cứu

về thành phần và sự ảnh hưởng của việc sử dụng cát nhân tạo để chế tạo bê tông xi măng

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Là cát nhân tạo và BTXM có sử dụng cát nhân tạo trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô Các chỉ tiêu cơ lý được đề cập là: độ sụt, cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, cường độ ép chẻ và modun đàn hồi khi nén tĩnh

4 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ đề tài này chỉ đề cập đến nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông xi măng có sử dụng cát nhân tạo được nghiền từ các mỏ đá tại khu vực Miền Đông Nam Bộ trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô Thực nghiệm trong phòng xác định tính chất của bê tông xi măng sử dụng cát nhân

tạo Lựa chọn thành phần hợp lý của BTXM có sử dụng cát nhân tạo; loại BTXM được đề cập trong luận văn có cường độ chịu nén là 20MPa và 30MPa

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trong phòng để xác định thành phần và tính chất của bê tông xi măng có sử dụng cát nhân tạo, tiến hành phân tích các số liệu thực nghiệm nhằm đưa ra các kết luận cần thiết

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu cơ sở phối trộn giữa cát nhân tạo và cát

tự nhiên sẵn có, tìm ra cấp phối phù hợp, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của bê tông xi măng mặt đường nói riêng và bê tông xi măng nói chung

Ý nghĩa thực tiễn: Giải quyết vấn đề thiếu hụt cốt liệu nhỏ chất lượng tốt hiện nay Làm giảm giá thành xây dựng mặt đường ôtô nói riêng và bê tông xi măng nói chung

7 Cấu trúc của luận văn

Gồm phần mở đầu, tiếp theo là ba chương, phần kết luận, kiến nghị, danh mục tham khảo và phụ lục

Cụ thể như sau:

- Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông

- Chương 2: Tình hình sử dụng cát thiên nhiên, cát nhân tạo trên thế

giới và ở Việt Nam

- Chương 3: Nghiên cứu sử dụng cát nhân tạo cho các công trình giao thông để chế tạo bê tông xi măng

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 Tổng quan về bê tông và bê tông cốt thép

1.1.1 Lịch sử hình thành bê tông – bê tông cốt thép:

- So với gạch đá và gỗ thì bê tông cốt thép là loại vật liệu xây dựng tương đối mới, lịch sử phát triển mới có trên 100 năm

- Xi măng được phát minh vào năm 1825

- Cuối năm 1849 Lambot (Pháp) đã làm một chiếc thuyền bằng lưới thép được trát hai mặt bằng vữa xi măng Sau đó người ta chế tạo các bản sàn, đường ống, bể chứa nước và các cấu kiện khác bằng bê tông cốt thép

- Ở thời kỳ sơ khai người ta làm bằng cảm tính nên cốt thép thường được đặt ở giữa chiều cao tiết diện (vị trí trục trung hòa) Khoảng sau 1880, các nghiên cứu về cường độ bê tông và cốt thép, về lực dính giữa bê tông và cốt thép mới được nghiên cứu ở Pháp và Đức Koenen (Đức) là một trong những người đầu tiên đề nghị đặt cốt thép vào vùng bê tông chịu kéo và năm 1886 đã kiến nghị phương pháp tính toán cấu kiện bê tông cốt thép

- Đầu thế kỷ 20, người ta bắt đầu xây dựng lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo ứng suất cho phép (phương pháp cổ điển) Phương pháp này dựa trên cơ sở các phương pháp tính toán ứng suất của môn sức bền vật liệu

- Bê tông cốt thép ứng suất trước được Freysinet (Pháp) nghiên cứu thành công từ năm 1928

- Năm 1939 Giáo sư Loleit (Nga) cùng với nhiều người khác đã nghiên cứu tính không đồng chất và đẳng hướng, tính biến dạng đàn hồi dẻo của bê tông và kiến nghị phương pháp tính toán theo giai đoạn phá hoại

- Đến 1955 ở Liên Xô đã bắt đầu tính toán theo phương pháp mới hơn,

đó là phương pháp tính theo trạng thái giới hạn Phương pháp này ngày càng được hoàn thiện và được nhiều nước sử dụng kể cả nước ta trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

- Ở nước ta bê tông cốt thép bắt đầu được dùng từ đầu thế kỷ 20,…

1.1.2 Ứng dụng bê tông và bê tông cốt thép:

- Hiện nay bê tông và bê tông cốt thép vẫn là vật liệu chính trong các công trình xây dựng

- Bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình kiến trúc, móng, gạch không nung hay gạch block, mặt lát của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường lộ, đường băng, các cấu trúc trong bãi đỗ xe, đập, hồ chứa/bể chứa nước, ống cống, chân cột cho các cổng, hàng rào, cột điện …

1.1.3 Các đặc điểm của bê tông xi măng:

1.1.3.1 Khái niệm bê tông:

- Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lí bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Thành phần hỗn hợp bê tông phải đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải đạt được những tính chất cho trước như cường độ, độ chống thấm v.v

- Hỗn hợp nguyên liệu mới nhào trộn gọi là hỗn hợp bê tông

- Hỗn hợp bê tông sau khi cứng rắn, chuyển sang trạng thái đá gọi là

bê tông

- Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực Hồ chất kết dính bao bọc xung quanh hạt cốt liệu, chúng là chất bôi trơn, đồng thời lấp đầy khoảng trống và liên kết giữa các hạt cốt liệu Sau khi cứng rắn, hồ chất kết dính gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối tương đối đồng nhất và được gọi là bê tông Bê tông có cốt thép gọi là bê tông cốt thép

- Bê tông là loại vật liệu giòn, cường độ chịu nén lớn, cường độ chịu kéo thấp (chỉ bằng 1/10-1/15 cường độ chịu nén) Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường đặt cốt thép vào để tăng cường khả năng chịu kéo của bê tông trong các kết cấu chịu uốn, chịu kéo Loại bê tông này gọi là bê tông cốt thép

Vì giữa bê tông và cốt thép có lực bám dính tốt, có hệ số dãn nở nhiệt xấp xỉ nhau, nên chúng có thể làm việc đồng thời Nếu cốt thép được bảo vệ chống

gỉ tốt thì sẽ cùng với bê tông tạo nên loại vật liệu có tuổi thọ cao Cốt thép đặt trong bê tông có thể ở trạng thái thường, hoặc ở trạng thái có ứng suất (dự ứng lực)

- Chất kết dính có thể là xi măng các loại, thạch cao, vôi và cũng có thể

là chất kết dính hữu cơ (polime)

- Trong bê tông xi măng cốt liệu thường chiếm 80 - 85%, còn xi măng chiếm 10 - 20% khối lượng

- Bê tông và bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì chúng có những ưu điểm sau: Cường độ chịu lực cao, có thể chế tạo được những loại bê tông có cường độ, hình dạng và tính chất khác nhau Giá thành

rẻ, khá bền vững và ổn định đối với mưa nắng, nhiệt độ, độ ẩm

- Tuy vậy chúng còn tồn tại những nhược điểm:

- Nặng (ρv = 2200 - 2400kg/m3), cách âm, cách nhiệt kém (λ = 1,05 - 1,5 kCal/m.0C.h), khả năng chống ăn mòn kém

1.1.4 Phân loại:

- Theo dạng chất kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính

là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt

- Theo dạng cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit)

- Theo khối lượng thể tích: Bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt

- Bê tông nặng ( ρv = 2200 - 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực

- Bê tông tương đối nặng (ρv = 1800 - 2200 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực

- Bê tông nhẹ ( ρv = 500 - 1800 kg/m3), trong đó gồm có bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất

tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ)

- Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có ρv < 500 kg/m3

- Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt

có r = 70 - 85%, bê tông thủy công r = 8 - 10%

- Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè

- Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ)

- Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ

- Trong phạm vi chương trình ta chỉ chủ yếu nghiên cứu về bê tông nặng dùng chất kết dính xi măng

1.2 Vật liệu chế tạo bê tông nặng:

1 Xi măng

 Vai trò:

- Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bê tông, như vậy chất lượng và hàm lượng xi măng

là yếu tố quan trọng quyết định cường độ chịu lực của bê tông

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Khi sử dụng xi măng để chế tạo bê tông ta cần chú ý các yêu cầu sau đây:

- Chọn chủng loại xi măng: Để chế tạo bê tông ta có thể dùng xi măng pooclăng, xi măng pooclăng bền sunfat, xi măng pooclăng xỉ hạt lò cao, xi măng pooclăng puzolan, xi măng pooclăng hỗn hợp, xi măng ít tỏa nhiệt và các loại xi măng khác thỏa mãn các yêu cầu quy phạm nhưng phải chọn

chủng loại xi măng phù hợp với đặc điểm kết cấu và tính chất môi trường sẽ thi công để đảm bảo tính bền vững lâu dài của kết cấu

- Chọn mác xi măng để vừa phải đảm bảo cho bê tông đạt mác thiết kế, vừa phải đảm bảo yêu cầu kinh tế

- Nếu dùng xi măng mác thấp để chế tạo bê tông mác cao thì lượng xi măng sử dụng cho 1m3 bê tông sẽ nhiều nên không đảm bảo kinh tế

- Nếu dùng xi măng mác cao để chế tạo bê tông mác thấp thì lượng xi măng tính toán ra để sử dụng cho 1m3 bê tông sẽ rất ít không đủ để liên kết toàn bộ các hạt cốt liệu với nhau, mặt khác hiện tượng phân tầng của hỗn hợp

bê tông dễ xảy ra, gây nhiều tác hại xấu cho bê tông

- Vì vậy cần phải tránh dùng xi măng mác thấp để chế tạo bê tông mác cao

và ngược lại cũng không dùng xi măng mác cao để chế tạo bê tông mác thấp

2 Nước

 Vai trò:

- Nước là thành phần giúp cho xi măng phản ứng tạo ra các sản phẩm thủy hóa làm cho cường độ của bê tông tăng lên Nước còn tạo ra độ lưu động cần thiết để quá trình thi công được dễ dàng

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Nước để chế tạo bê tông phải đảm bảo chất lượng tốt, không gây ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết và rắn chắc của xi măng và không gây ăn mòn cho cốt thép

- Nước dùng được là loại nước dùng cho sinh hoạt như nước máy, nước giếng

- Các loại nước không được dùng là nước đầm, ao, hồ, nước cống rãnh, nước chứa dầu mỡ, đường, nước có chứa sunfat lớn hơn 0,27% (tính theo hàm lượng ion ), lượng hợp chất hữu cơ vượt quá 15mg/l, độ pH nhỏ hơn 4 và lớn hơn 12,5 -24SO

- Nước biển có thể dùng để chế tạo bê tông cho những kết cấu làm việc trong nước biển, nếu tổng các loại muối không vượt quá 35g trong 1

- Cát dùng để chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo

có cỡ hạt từ 0,14 đến 5 mm

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Chất lượng của cát để chế tạo bê tông nặng phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hạt, độ lớn và hàm lượng tạp chất, đó cũng là những yêu cầu kỹ thuật đối với cát

- Thành phần hạt

- Cát có thành phần hạt hợp lý thì độ rỗng của nó nhỏ, lượng xi măng sẽ

ít, cường độ bê tông sẽ cao

- Thành phần hạt của cát được xác định bằng cách lấy 1000g cát (đã sấy khô) lọt dưới sàng có kích thước mắt sàng 5 mm để sàng qua bộ lưới sàng có kích thước mắt sàng lần lượt là 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 mm

- Sau khi sàng cát trên từng lưới sàng có kích thước mắt sàng từ lớn đến nhỏ ta xác định lượng sót riêng biệt và lượng sót tích lũy trên mỗi sàng

- Lượng sót riêng biệt: ai (%) đó là tỷ số giữa lượng sót trên mỗi sàng so với toàn bộ lượng cát đem thí nghiệm: ai=mi/m*100%

biệt kể từ sàng lớn nhất a2,5 đến sàng cần xác định ai

- Ai = a2,5 + a1,25 + + ai, %

Bảng 1.1 Thành phần hạt của cát cần phải thỏa mãn theo

TCVN 7570:2006

Kích thước mắt sàng, mm 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Lượng sót tích lũy trên

- Ngoài đá dăm và sỏi khi chế tạo bê tông còn có thể dùng sỏi dăm (dăm đập từ sỏi)

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Chất lượng hay yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu lớn được đặc trưng bởi các chỉ tiêu thành phần hạt, độ lớn và hàm lượng tạp chất

- Dmax là đường kính lớn nhất của cốt liệu tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích lũy nhỏ hơn và gần 10% nhất

- Dmin là đường kính nhỏ nhất của cốt liệu tương ứng với cỡ sàng có

lượng sót tích lũy lớn hơn và gần 90% nhất

Bảng 1.2 Thành phần hạt của đá (sỏi) phải thỏa mãn

- Mỗi loại phụ gia sẽ có tác dụng khác nhau có thể là tăng tính dẻo, giảm lượng nưóc nhào trộn, chậm đông kết, rắn chắc nhanh v.v…

1.3 Tính chất của bê tông và bê tông cốt thép:

- Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu

là bêtông và thép có đặc trưng cơ học khác nhau cùng phối hợp chịu lực với nhau

- Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm xi măng (chất kết dính), cát, sỏi - đá (cốt liệu) kết lại với nhau dưới tác dụng của nước Cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn cường độ chịu nén rất nhiều (8 - 15 lần)

- Cốt thép là loại vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều rất tốt Do đó nếu đặt lượng cốt thép thích hợp vào tiết diện của kết cấu thì khả năng chịu lực của kết cấu tăng lên rất nhiều Dầm bê tông cốt thép có thể có khả năng chịu lực lớn hơn dầm bê tông có cùng kích thước đến gần 20 lần

- Bê tông và cốt thép cùng làm việc được với nhau là do:

- Bê tông khi đóng rắn lại thì dính chặt với thép cho nên ứng lực có thể truyền từ vật liệu này sang vật liệu kia, lực dính có được đảm bảo đầy đủ thì khả năng chịu lực của thép mới được khai thác triệt để

- Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, ngoài ra hệ số giãn nở của cốt thép và bê tông suýt soát bằng nhau:

5 Phân loại:

 Theo phương pháp thi công có thể chia thành 3 loại sau:

- Bê tông cốt thép toàn khối: ghép cốp pha và đổ bê tông tại công trình, điều này đảm bảo tính chất làm việc toàn khối (liên tục) của bê tông, làm cho công trình có cường độ và độ ổn định cao

- Bê tông cốt thép lắp ghép: chế tạo từng cấu kiện (móng, cột, dầm, sàn,…) tại nhà máy, sau đó đem lắp ghép vào công trình Cách thi công này đảm bảo chất lượng bê tông trong từng cấu kiện, thi công nhanh hơn, ít bị ảnh hưởng của thời tiết, nhưng độ cứng toàn khối và độ ổn định của cả công trình thấp

- Bê tông cốt thép bán lắp ghép: có một số cấu kiện được chế tạo tại nhà máy, một số khác đổ tại công trình để đảm bảo độ cứng toàn khối và độ ổn định cho công trình Thương thì sàn được lắp ghép sau, còn móng, cột, dầm được đổ toàn khối

 Nếu phân loại theo trạng thái ứng suất khi chế tạo ta có:

- Bê tông cốt thép thường: khi chế tạo, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất, ngoài nội ứng suất do co ngót và giãn nở nhiệt của bê tông Cốt thép chỉ chịu ứng suất khi cấu kiện chịu lực ngoài (kể cả trọng lượng bản thân) Dầm bê tông cốt thép thường – võng xuống khi chịu tải

- Bê tông cốt thép ứng suất trước: căng trước cốt thép đến ứng suất cho phép khi buông cốt thép, nó sẽ co lại, tạo ứng suất nén trước trong tiết diện bê tông, nhằm mục đích khử ứng suất kéo trong tiết diện bê tông khi nó chịu lực ngoài hạn chế vết nứt và độ võng Dầm bê tông cốt thép ứng suất trước, thớ dưới chịu nén trước

1.4 Ưu và khuyết điểm của bêtông cốt thép:

- Bê tông cốt thép hiện nay là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi vì

có các ưu điểm sau:

- Rẻ tiền so với thép khi chúng cùng chịu tải trọng như nhau

- Có khả năng chịu lực lớn so với gạch đá và gỗ, có thể chịu được tải trọng động lực và lực động đất

- Bền vững, dễ bảo dưỡng, sửa chữa ít tốn kém so với thép và gỗ

- Chịu lửa tốt hơn so với thép và gỗ

- Có thể đúc thành kết cấu có hình dạng bất kỳ theo các yêu cầu về cấu tạo, về sử dụng cũng như về kiến trúc

- Tuy nhiên bê tông cũng tồn tại một số nhược điểm sau:

- Trọng lượng bản thân khá lớn, do đó khó làm được kết cấu nhịp lớn Nhưng nhược điểm này gần đây được khắc phục bằng cách dùng bê tông nhẹ,

bê tông cốt thép ứng lực trước và kết cấu vỏ mỏng

- Dưới tác dụng của tải trọng, bêtông dễ phát sinh khe nứt làm mất thẫm

mỹ và gây thấm cho công trình

- Thi công phức tạp, tốn nhiều cốp pha khi thi công toàn khối

1.5 Giới thiệu chung về cát nhân tạo

- Là loại cát được nghiền từ các loại đá trong tự nhiên như đá vôi, đá ong, đá granit, cuội sỏi có modul hạt tương đương với cát tự nhiên Cát Nhân Tạo bảo đảm các yêu cầu về cơ lý, hóa nhằm thay thế một phần cát tự nhiên trong sản xuất bê tông và vữa xây dựng Sản xuất cát nhân tạo từ đá và sỏi cuội đang là mối quan tâm lớn nhất hiện nay

- Cát nhân tạo hay được gọi là cát nghiền là loại sản phẩm được sản xuất nhằm thay thế cho cát tự nhiên, được sản xuất theo công nghệ va đập ở tốc độ cao làm cho đá bị vỡ ở mặt cắt yếu nhất Đặc tính này giúp sản phẩm luôn có hình dạng tròn và có độ ma sát thấp, giúp tăng tính linh hoạt cho bê tông, chất lượng bê tông tốt ổn định

- Các công nghệ sản xuất cát nhân tạo phổ biến hiện nay

- Hiện nay, ở Việt Nam cát nhân tạo được sản xuất từ 2 công nghệ phổ biến là: Sản phẩm cát nhân tạo được sản xuất theo công nghệ VSI nghiền khô: Với công nghệ sản xuất này sản phẩm nguyên vật liệu đầu vào bắt buộc phải sạch không được phép lẫn tạp chất, hệ thống phân ly sẽ tách ra thành phần cát và bột

- Sản xuất cát nhân tạo theo công nghệ ướt: Đặc điểm của công nghệ này không kén nguyên liệu đầu vào Việc loại bỏ các tạp chất như đất sét, gỗ mùn, tạp chất hữu cơ khác qua quy trình rửa cát điển hình bằng thiết bị rửa trục vít xoắn sẽ tạo những sản phẩm có chất lượng cao, sạch và độ bền của bê tông được bảo đảm

- Cát nhân tạo đã qua hệ thống rửa Nguyên vật liệu để sản xuất Cát Nhân Tạo: Bất cứ loại đá nào có cường độ tốt, ổn định, có thể dùng làm nguyên vật liệu xây dựng đều có thể làm nguyên vật liệu để sản xuất cát nhân tạo như: đá vôi, đá granit, đá basalt, đá cuội, sỏi

- Yêu cầu cát nhân tạo cho bê tông xi măng: Cát bê tông phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, tiêu chí kỹ thuật bởi quốc gia và các tổ chức chuyên môn có thẩm quyền Thông số kỹ thuật cơ bản của cát nhân tạo là đường đặc tính hạt, tiêu chuẩn phổ biến là ASTM C-33 của Mỹ, cát nhân tạo từ máy nghiền Barmac VSI Metso

- Một số tiêu chí kỹ thuật cơ bản của cát nhân tạo Sản phẩm cát nhân tạo được sản xuất ra phải đáp ứng được các tiêu chí kỹ thuật và tiêu chuẩn ASTM C-33 của Mỹ

- Phải có modul theo tiêu chuẩn, có tính linh hoạt, tính công tác bảo đảm chất lượng bê tông sau khi hoàn thiện

- Phải có chất lượng hình dạng độ tròn, độ mịn cần thiết Sản phẩm không lẫn các tạp chất hữu cơ, đất sét, gỗ mùn… ảnh hưởng tới quá trình

đông kết của bê tông

Hình 1.1 Công nghệ sản xuất cát nhân tạo

Nguồn vật liệu cát của các dự án

6 Cát tự nhiên

- Hiện nay nguồn cung ứng cát cho các dự án càng trở nên khan hiếm (nhất là cát có thành phần hạt to), giá cả đắt đỏ làm cho chi phí xây dựng công trình tăng cao

- Hiện cả nước có 331 mỏ cát vàng với tổng trữ lượng khoảng 2.079,72 triệu m3 Mỗi năm nhu cầu cát xây dựng cần khoảng 120 triệu m³, lượng cát khai thác được 28,985 triệu m³/năm (của 559 cơ sở được cấp phép) cũng chỉ đáp ứng được 24,2% nhu cầu

- Đối với cát san lấp, nhu cầu cần từ 525 – 575 triệu m³, hiện trên cả nước có 71 cơ sở khai thác cát san lấp được cấp phép với tổng công suất đạt 4,58 triệu m³/năm, mới đáp ứng được 1,5% nhu cầu hàng năm

- Giá cát tự nhiên tại hai địa phương có nhu cầu sử dụng cát lớn nhất nước như sau (số liệu tham khảo thị trường):

Hà Nội Cát vàng bê tông 410.000

TP.HCM Cát vàng bê tông 650.000

7 Cát nhân tạo

- Hiện nay việc sản xuất cát nhân tạo mới chỉ có khoảng gần chục cơ sở sản xuất tập trung tại Sơn La, Lai Châu, Quảng Ninh, Lạng Sơn, Thái Nguyên, Hà Nam, Bà Rịa-Vũng Tàu, Bình Dương, Đồng Nai, với tổng công suất đạt khoảng 3 triệu m3/năm

- Về giá thành cát nhân tạo dao động từ 350.000 đồng – 400.000 đồng

Kết luận:

- Bê tông và bê tông cốt thép đã được sử dụng rất lâu trên thế giới và Việt Nam Bê tông được ứng dụng trong hầu hết các công trình xây dựng và

là loại vật liệu không thể thay thế trong giai đoạn hiện nay Có rất nhiều loại

bê tông khác nhau, tùy vào thành phần vật liệu, phương thức chế tạo khác

nhau… tuy nhiên điểm chung là bê tông là loại vật liệu bền với môi trường,

- Do đó nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép có sử dụng cát nhân tạo, không những đáp ứng được các yêu cầu về cát sử dụng cho bê tông mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm nguồn vật liệu mới thay thế các loại vật liệu thiên nhiên ảnh hưởng môi trường

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁT THIÊN NHIÊN CÁT NHÂN TẠO

TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 2.1 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên và cát nhân tạo trên thế giới

2.1.1 Tình hình sử dụng cát thiên nhiên trên thế giới

- Ở các nước phát triển như Nga, Mỹ, Úc, Hà Lan, Ý … hoạt động khai thác cát lòng sông diễn ra nhịp nhàng và hiệu quả cao Các mỏ thường có quy

mô công suất lớn, đồng bộ thiết bị hiện đại Công tác bảo vệ môi trường trong quá trình khai thác được chú trọng, hoàn thiện Chính bởi hoạt động khai thác cát làm ảnh hưởng lớn tới môi trường, hệ sinh thái sông và điều kiện xã hội

… vì vậy các nước phát triển đã ra nhiều cơ chế chính sách và tổ chức lại các

cơ quan quản lý đối với các hoạt động này kể từ khâu thăm dò, quy hoạch, cấp phép khai thác, kiểm tra, hậu kiểm v.v… một cách chặt chẽ Ví dụ như ở

Mỹ, việc quản lý hoạt động khai thác, cát lòng sông được giao cho quân đội,

ở Úc được giao cho Ủy ban quản lý lưu vực sông …

- Trong khi đó, ở các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Myanma, Ấn Độ, Malaysia v.v…hoạt động khai thác cũng còn tồn tại nhiều bất cập, đặc biệt là lĩnh vực bảo vệ môi trường và khắc phục hậu quả công tác khai thác vẫn còn yếu kém

Ví dụ: Tại Trung Quốc: Trung Quốc là quốc gia có sản lượng khai thác

cát lòng sông hàng năm rất lớn Hoạt động khai thác cát phổ biến trên các con sông, trong đó sông Dương Tử là sông có hoạt động khai thác diễn ra sôi động, tại đây khai thác cát bắt đầu đươc khai thác từ đầu những năm 1970 với hàng trăm doanh nghiệp, tổ chức khai thác với quy mô lớn, nhỏ khác nhau Quy mô sản lượng, tốc độ khai thác trên sông gắn liền với tốc độ phát triển đô thị hóa của khu vực Thiết bị khai thác đa dạng với công suất lớn đến 500 tấn/giờ Tình trạng khai thác cát lòng sông ồ ạt đã gây nhiều hậu quả như xấu như: nhiều đoạn đê chống lũ vùng cửa sông bị xói lở, đặt các vùng đất thấp

phía hạ du vào tình trạng nguy hiểm Mặt khác, lòng dẫn diễn biến xói bồi không theo quy luật, tình trạng tranh dành mỏ, cạnh tranh thị trường, tai nạn giao thông thủy v.v…diễn ra phức tạp

Tại Ấn Độ: Trung bình mỗi năm có khoảng 11,73 triệu tấn cát, sỏi được khai thác từ 7 con sông ở phía Tây Nam của Ấn Độ và 0,4 triệu tấn cát từ các vùng bãi ngập lũ Sản lượng khai thác hàng năm cao gấp gần 40 lần lượng cát bồi lắng tự nhiên Hoạt động khai thác cát lòng sông tự phát, thiếu quy hoạch

đã làm lòng sông bị hạ thấp với tốc độ 7÷15 cm/năm trong vòng 20 năm trở lại đây Hậu quả là gây thiệt hại nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên của hệ thống sông Thảm thực vật, hệ sinh thái sông đã bị thay đổi lớn, nguồn thức

ăn, môi trường sống, và các loại động vật dưới sông giảm đi rõ rệt

Tại các nước Đông Nam Á: Thực trạng hoạt động sỏi diễn ra rất phổ biến

ở các nước Lào, Thái Lan và Campuchia Khối lượng khai thác các loại vật liệu lòng sông (cát, sỏi, đá) ở một số đoạn sông điển hình được biểu diễn trong bảng 1.1, trong đó, sản lượng cát khoảng trên 23 triệu m3/năm, chiếm 86.5% Campuchia là nước khai thác cát nhiều nhất trên sông Mekong Tại khu vực sông Cửu Long, cường độ khai thác tương đối cao, hàng năm có khoảng 28 triệu m3 cát được khai thác

(m3/năm)

2 Vientiane - Savanaketh 4.154.000

3 Savanaketh - Champasak 31.000

4 Campuchia: thượng lưu Kongpong Cham 580.000

5 Campuchia - Biên giới Việt Nam 18.0160.000

2.1.2 Tình hình sử dụng cát nhân tạo trên thế giới

Tại Nhật Bản:

- Cách đây 40 năm, cát nhân tạo đã được sử dụng thay thế cho cát tự nhiên, tại Nhật Bản hiện này hầu hết các công trình đều sử dụng hoàn toàn cát nhân tạo Nhật bản xem khai thác cát tự nhiên là hủy hoại môi trường

Tại Ấn Độ:

- Việc sử dụng cát nhân tạo không phải là giải pháp mới tại Ấn Độ Công nghệ này đã được sử dụng gần 20 năm trước Năm 2002, cao tốc Mumbai - Pune hoàn thành, sử dụng hoàn toàn cát nhân tạo Đây cũng là cao tốc 6 làn

xe đầu tiên của Ấn Độ

Hình 2.1 Cao tốc 6 làn xe nối Mumbai với Pune đƣợc xây dựng hoàn

toàn bằng cát nhân tạo

- Ngoài ra, đường băng quốc tế tại sân bay quốc tế Thiruvananthapuram

và một số cầu vượt tại thành phố Thiruvananthapuram cũng được xây dựng sử dụng hoàn toàn cát nhân tạo

- Theo các nghiên cứu tại Ấn Độ, cát nhân tạo - được sản xuất bằng cách nghiền nát đá xanh, đá granite - có ưu điểm vượt trội so với cát tự nhiên

- Cát nhân tạo đồng nhất về hình dáng và kích thước giúp tăng độ kết

dính của bê tông Đồng thời, cát nhân tạo không bị lẫn các tạp chất do đó không mất công làm sạch Ngoài ra, có thể xây dựng các nhà mày sản xuất cát nhân tạo ở khắp nơi, do đó giảm giá thành vận chuyển

- Hiện nay giá thành cát nhân tạo tại Ấn Độ chỉ bằng 2/3 hoặc ½ so với cát tự nhiên

- Chính những ưu điểm này khiến ngành xây dựng Ấn Độ đang hướng tới sử dụng cát nhân tạo thay thế hoàn toàn cát xây dựng Một số ý kiến cho rằng nên bắt buộc dùng cát nhân tạo trong các công trình do nhà nước đầu tư

- Song song với cát nhân tạo, các vật liệu xây dựng không dùng cát cũng đang được đưa ra thị trường Ấn Độ

- Trong năm 2013, công ty trách nhiệm hữu hạn Perlcon Premix PVT lần đầu tiên trình làng các loại vữa không sử dụng cát tại Ấn Độ

2.2 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên và cát nhân tạo tại Việt Nam

2.2.1 Tình hình thực tế sử dụng cát thiên nhiên tại Việt Nam

- Việt Nam là quốc gia có nhiều mỏ cát có trữ lượng khác nhau Hoạt động khai thác diễn ra tại các con sông từ Bắc, Trung, Nam, từ miền núi, trung du đến đồng bằng và vùng cửa sông

- Qua tìm hiểu thực tế và căn cứ vào các số liệu do ngành xây dựng công

bố trong những năm vừa qua cho thấy, nhu cầu về vật liệu xây ở nước ta tăng rất nhanh Trong đó, cát xây dựng, chủ yếu là từ nguồn cát sông chiếm tỷ trọng lớn trong thành phần cốt liệu xây dựng

- Theo Quy hoạch tổng thể phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 121/2008/QĐ-2008 ngày 29 tháng 8 năm 2008, công suất và sản lượng cát xây dựng được quy hoạch với xu hướng tăng theo giai đoạn theo đơn vị: triệu m3

Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020

Công

suất

Sản lượng

Công suất Sản lượng Công

suất

Sản lượng

- Theo thống kê của Bộ Xây dựng, hàng năm riêng nhu cầu tiêu thụ cát cho xây dựng đều vượt so với nhu cầu dự báo Tiêu thụ cát xây dựng năm

2005 là 64,44 triệu m3, năm 2006 là 73,09 triệu m3, trong khi đó Quy hoạch

dự báo trước đây đến năm 2010 nhu cầu mới chỉ có trên 35 triệu m3 Đối với cuội, sỏi xây dựng cũng lên tới vài chục triệu mét khối trên năm Đến thời điểm hiện nay, trên địa bàn 63 tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương có hàng trăm giấy phép khai thác cát xây dựng với trữ lượng và công suất khai thác lên tới hàng trăm triệu mét khối

- Thực tế cho thấy nhu cầu sử dụng cát xây dựng của cả nước đang ngày càng tăng, tại khu vực các tỉnh đồng bằng Nam Bộ, Vùng kinh tế trọng điểm vùng đồng bằng sông Cửu Long và khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam đang triển khai nhiều dự án lớn về giao thông, phát triển hạ tầng và xây dựng các khu công nghiệp, khu đô thị vv…đòi hỏi nhu cầu sử dụng cát xây dựng và cát san lấp với khối lượng rất lớn; theo số liệu của Hội vật liệu xây dựng Việt Nam – VABM, dự báo về nhu cầu sử dụng cát xây dựng đến 2020 đạt 190 triệu m3 riêng khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam và khu kinh tế đồng bằng Sông Cửu Long được dự báo lên tới gần 100 triệu m3 và liên tục tăng lên theo hàng năm, trong khi đó nguồn cung cấp cát chủ yếu từ việc khai thác cát lòng sông tại các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long Ngoài ra, tại khu vực này, hàng năm còn tiếp nhận một khối lượng lớn, khoảng hàng chục triệu m3 cát nhiễm mặn được nạo vét từ các dự án khơi thông luồng, lạch của ngành giao thông, tuy nhiên số liệu về loại cát này còn chưa được thống kê đầy đủ, thêm vào đó, cát nhiễm mặn hầu như chỉ sử dụng để san lấp một số công trình lấn biển, chưa sử dụng được cho ngành xây dựng nên hiện tại hầu hết là phục vụ

xuất khẩu

- Tại khu vực miền Bắc, với nguồn tài nguyên tương đối dồi dào (khoảng trên 1 tỷ m3), cát có chất lượng tốt, phân bố chủ yếu ở hệ thống sông Hồng, sông Đà, sông Lô thuộc địa bàn các tỉnh như: Hà Nội, Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Tuyên Quang Theo đánh giá, khối lượng tiêu thụ năm 2009 là 30 triệu m3, nhu cầu khai thác giai đoạn 2010 khoảng 40 triệu m3, giai đoạn 2015 khoảng trên 51 triệu m3 và giai đoạn 2020 khoảng trên 65 triệu m3

- Tại khu vực miền Trung và Tây Nguyên, với đặc điểm chung của các sông thường là ngắn, độ dốc cao nên trữ lượng cát bồi đắp lớn đặc biệt là ở các cửa sông và một phần trôi ra biển Trữ lượng, tài nguyên cát sông ở khu vực miền Trung qua tài liệu khảo sát, thăm dò được đánh giá ít hơn so với các khu vực khác (khoảng trên 300 triệu m3) Trong những năm vừa qua, tốc độ xây dựng ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên còn chậm nên nhu cầu tiêu thụ cát sông không lớn, theo đánh giá, trung bình hàng năm khoảng 10 - 15 triệu m3, trong đó chủ yếu tập trung vào một số địa phương như: thành phố

Đà Nẵng, Nha Trang - Khánh Hoà, Thanh Hoá, Nghệ An và một số địa phương khác

- Như vậy, có thể nói hàng năm một lượng có thể lên tới hàng trăm triệu m3 cát lòng sông được khai thác phục vụ cho ngành xây dựng, giao thông với nhu cầu ngày càng tăng do cần phải đáp ứng cho các công trình đang xây dựng trên cả nước Việc khai thác cát sông đòi hỏi cần phải được nghiên cứu, nhìn nhận một cách nghiêm túc nhằm có những giải pháp về công nghệ, quản

lý, bảo vệ môi trường, thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững Bên cạnh đó, thêm một vấn đề đặt ra với các nhà quản lý là cần phải tổng hợp, thống kê một cách đầy đủ, toàn diện về các số liệu liên quan đến khối lượng cát sử dụng trong các lĩnh vực nhằm có những chính sách, chiến lược phù hợp cho công nghiệp khai thác cát nói chung và ngành khai khoáng nói riêng

2.2.2 Tình hình sử dụng cát nhân tạo:

Về sản lượng và giá thành

- Hiện nay việc sản xuất cát nhân tạo mới chỉ có khoảng gần chục cơ sở sản xuất tập trung tại Sơn La, Lai Châu, Quảng Ninh, Lạng Sơn, Thái Nguyên, Hà Nam, Bà Rịa-Vũng Tàu, Bình Dương, Đồng Nai, với tổng công suất đạt khoảng 3 triệu m3/năm

- Về giá thành cát nhân tạo giao động từ 350.000 đồng – 400.000 đồng

Các công trình đã sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên

- Hiện nay cát nghiền đã được áp dụng để thi công các công trình giao thông, thủy lợi, thủy điện, sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn …

- Các dự án tiêu biểu sử dụng cát nghiền:

Công trình thủy lợi, thủy điện Địa phương Thời gian

- Các dự án thủy lợi, thủy điện này đa phần nằm trong vùng địa hình hiểm trở, khó vận chuyển vật tư đến công trình, do đó việc sử dụng cát nghiền

tại chỗ là phương án tối ưu

- Trên thực tế, nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt, việc khai thác cát lậu đã làm ảnh hưởng nặng nề đến môi trường, làm lệch dòng chảy của các con sông và hậu quả rất khó lường Trong khi đó, cát nhân tạo được nghiền từ

đá có khả năng đáp ứng những đòi hỏi khắt khe trong cấp phối bê tông đã được triển khai tại thị trường phía Nam cách đây 7 - 8 năm, nhưng lại không thể thâm nhập thị trường phía Bắc

- Theo số liệu thống kê, mỗi năm thị trường phía Nam tiêu thụ khoảng 5 triệu m3 cát xây dựng, trong đó cát nhân tạo dùng cho bê tông được tiêu thụ khoảng 3 triệu m3 Thị trường hiện có khoảng 10 doanh nghiệp sản xuất và phân phối loại cát này

- Do cát sông không đủ tiêu chuẩn khi cấp phối một số loại bê tông, nên dùng cát nhân tạo là giải pháp hiệu quả đảm bảo chất lượng sản phẩm Các công ty như Beton6, Bê tông Ly tâm Thủ Đức… đều dùng cát nhân tạo cho một số dòng sản phẩm chủ lực của mình Tùy từng loại bê tông mà độ lớn hạt cát được sử dụng khác nhau

- Tuy nhiên, để đảm bảo được việc kinh doanh có hiệu quả hơn, các nhà sản xuất cát nhân tạo buộc phải “đa ngành” Thay vì chỉ sản xuất cát, dây chuyền còn sản xuất cả đá cho bê tông và thậm chí cả gạch xi măng cốt liệu Đơn cử như Công ty Sư Tử Biển đã chọn nguồn nguyên liệu và đặt hệ thống nghiền tại mỏ đá Hóa An (TP Biên Hòa, Đồng Nai), mỏ Tân Đông (thị xã Dĩ

An, Bình Dương), mỏ Lương Cơ (Tân Thành, Bà Rịa - Vũng Tàu) Đây là những mỏ đá được đánh giá là có chất lượng tốt nhất miền Nam hiện nay

- Dù giá thành cát nhân tạo có thể đắt hơn cát tự nhiên từ 2 - 3 lần, nhưng các nhà thầu chuyên nghiệp như Cotteccons hay Hòa Bình thường sử dụng loại cát này trong những công trình chất lượng cao mà họ xây dựng thông qua các công ty cung cấp bê tông tươi và bê tông đúc sẵn có uy tín như Fico-Pan-

U, Beton 6, Bê tông Phan Vũ, Xuân Mai… Nhiều công trình lớn như cao tốc

TP HCM - Long Thành - Dầu Giây, Metro Bến Thành - Suối Tiên, dự án sữa

chữa nhà chứa máy bay thân rộng A75 Sân bay Tân Sơn Nhất, Dự án nâng cấp, sửa chữa Cầu Sài Gòn… đều được dùng cát nhân tạo

- Cát nhân tạo không chỉ được dùng trong xây dựng mà còn dùng để sản xuất gạch xi măng cốt liệu - một trong những loại vật liệu không nung được đánh giá sẽ thế thay thế gạch đỏ trong thời gian tới Hiện nay, dây chuyền sản xuất gạch xi măng cốt liệu có mức đầu tư từ 400 triệu đến 5 tỷ đồng tùy thuộc vào công suất, chất lượng

- Nếu được sử dụng cát nhân tạo, gạch xi măng cốt liệu sẽ khai thác được nguồn nguyên liệu tại chỗ, giảm chi phí vận chuyển, giảm giá thành sản xuất tối đa do không cần phải xây dựng kho chứa

- Các vùng giàu nguyên liệu đá như Nghệ An, Thanh Hóa, Ninh Bình,

Hà Nam lại có sẵn các nhà máy xi măng, thì cơ hội cho gạch xi măng cốt liệu

là khá lớn Tuy nhiên, cơ hội cho cát nhân tạo phụ thuộc nhiều vào nguồn cung gạch xi măng cốt liệu trên thị trường

2.3 Tình hình khai thác và sử dụng cát tại Bến Tre

Cát thiên nhiên:

- Bến Tre hiện có 3 mỏ cát có vị trí thuộc địa phận xã An Hiệp - An Ngãi Tây, xã An Đức - An Hòa Tây, xã An Hòa Tây, huyện Ba Tri (Bến Tre) Với sản lượng khoãng gần 5 triệu m3 cát san lấp Tuy có nhiều sông lớn trên địa bàn tỉnh, nhưng do nằm cuối nguồn sông Mekong nên cát chủ yếu là cát hạt mịn dùng để san lấp

- Cát dùng cho hoạt động xây dựng chủ yếu được nhập từ các nguồn ngoài tỉnh với giá khá đắt đỏ, theo Giá liên sở xây dựng Bến Tre thì cát vàng moduel lớn hơn 2 (cát Hồng Ngự) là 510.000đ /m3

- Hiện nay giá cát nhân tạo tại Bến Tre khoãng 310.000 đ/m3

2.4 Ảnh hưởng môi trường do khai thác cát vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Các tỉnh vùng ĐBSCL hiện có khoảng 562 điểm bị sạt lở với tổng chiều dài 786 km (513 điểm sạt lở bờ sông có tổng chiều dài 520km và 49 điểm sạt lở bờ biển có tổng chiều dài 266 km) Trong đó, có 42 vị trí sạt lở đặc biệt nguy hiểm với tổng chiều dài 149km (bờ sông 26 điểm, tổng chiều dài 65km; bờ biển 16 vị trí, tổng chiều dài 84 km) cần xử lý cấp bách để đảm bảo an toàn tính mạng, tài sản của người dân Tổng kinh phí cần đầu tư khoảng 6.990 tỉ đồng

Các khu vực sạt lở trọng điểm như bờ biển Gò Công Đông (Tiền Giang), Bình Đại (Bến Tre), Vĩnh Châu (Sóc Trăng), Nhà Mát, Gành Hào (Bạc Liêu), khu vực cửa biển Vàm Xoáy, xã Đất Mũi, khu vực cửa Rạch Rốc, huyện Ngọc Hiển và bờ biển Tây (Cà Mau)…

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NHÂN TẠO CHO CÁC CÔNG TRÌNH

GIAO THÔNG ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG

3.1 Các yêu cầu về cát sử dụng cho bê tông, chỉ tiêu cơ lý của cát

3.1.1 Yêu cầu về cát cho bê tông

- Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tính chất của bê tông xi măng như thành phần cấp phối hạt cốt liệu, hàm lượng và chất lượng chất kết dính, độ góc cạnh của cốt liệu, tuổi bê tông và chế độ bảo dưỡng, Trong đó ảnh hưởng của cốt liệu nhỏ đến tính chất của bê tông xi măng là khá đáng kể Trên thế giới các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về BTXM có sử dụng cốt liệu nhỏ được xay từ đá đã được tiến hành và áp dụng trong thực tế Ở Việt Nam hiện nay đã có tiêu chuẩn áp dụng cát nhân tạo (TCVN 9205-2012)

và đang khuyến khích các doanh nghiệp xây dựng chuyển từ cát thiên nhiên sang cát nhân tạo Xét về mặt kinh tế, nhìn nhận ban đầu là rất tốt do cát nghiền có trữ lượng nhiều, chủ động trong việc sản xuất, giá thành rẻ hơn cát

tự nhiên và cát tự nhiên đang ngày càng khan hiếm hoặc giá thành rất cao Do vậy đề tài cần nghiên cứu, xem xét khả năng sử dụng cát nhân tạo sản xuất

BTXM có ý nghĩa thiết thực

Theo giá trị môđun độ lớn, cát dùng cho bê tông và vữa được phân

ra thành hai nhóm chính (TCVN 7570:2006):

- Cát có mudul độ lớn trong khoảng từ lớn hơn 2,0 đến 3,3;

- Cát mịn khi môđun độ lớn trong khoảng từ 0,7 đến 2,0

- Thành phần hạt của cát, biểu thị qua lượng sót tích luỹ trên sàng, nằm trong phạm vi quy định trong Bảng 1

- Cát thô có thành phần hạt như quy định trong Bảng 1 được sử dụng để chế tạo bê tông và vữa tất cả các cấp bê tông và mác vữa

khụng lớn hơn

Cát mịn đƣợc sử dụng chế tạo bê tông và vữa nhƣ sau:

- Đối với bê tông:

+ Cát có modul độ lớn từ 0,7 đến 1 (thành phần hạt như Bảng 3.1) có thể được sử dụng chế tạo bê tông cấp thấp hơn B15;

+ Cát có modul độ lớn từ 1 đến 2 (thành phần hạt như Bảng 3.1) có thể được sử dụng chế tạo bê tông cấp từ B15 đến B25;

- Đối với vữa:

+ Cát có modul độ lớn từ 0,7 đến 1,5 có thể được sử dụng chế tạo vữa mác nhỏ hơn và bằng M5;

+ Cát có modul độ lớn từ 1,5 đến 2 được sử dụng chế tạo vữa mác M7,5

+ Cát dùng chế tạo vữa không được lẫn quá 5 % khối lượng các hạt có kích thước lớn hơn 5 mm

- Hàm lượng các tạp chất (sét cục và các tạp chất dạng cục; bùn, bụi và sét) trong cát được quy định trong Bảng 3.2