nghiên cứu so sánh mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế

Kết quả này sẽ hỗ trợ trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và tính chất cơ học của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế, từ đó giúp tối ưu hóa thiết kế và xây dựng các côn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ VĂN HIỆP

NGHIÊN CỨU SO SÁNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG

CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐỒNG NAI, NĂM 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ VĂN HIỆP

NGHIÊN CỨU SO SÁNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG

CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ NGÀNH: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ ĐỨC HIỂN

ĐỒNG NAI, NĂM 2024

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Lê Đức Hiển đã giúp đỡ, hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Xây Dựng của trường Đại Học Lạc Hồng Xin cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Đồng Nai, ngày tháng năm 2024 Tác giả

Lê Văn Hiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Nghiên cứu so sánh mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế”

là của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác Đồng Nai, ngày tháng năm 2024

Tác giả

Lê Văn Hiệp

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu về cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế là một nghiên cứu chi tiết và cơ bản về khả năng chịu nén của cột bê tông có sử dụng cốt liệu tái chế thông qua sự kết hợp giữa phương pháp thí nghiệm và mô phỏng bằng phần tử hữu hạn

Việc sử dụng cốt liệu tái chế trong xây dựng là một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp xây dựng, nhằm giảm thiểu lượng chất thải và tài nguyên sử dụng Tuy nhiên, việc ứng dụng cốt liệu tái chế trong cột bê tông đòi hỏi kiểm tra và đánh giá khả năng chịu nén của cột để đảm bảo tính an toàn và độ bền của công trình

Để xem xét cơ chế phá hoại của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế, nghiên cứu này sử dụng phương pháp thí nghiệm truyền thống kết hợp với mô phỏng bằng phần tử hữu hạn Thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu cột bê tông có sử dụng cốt liệu tái chế với các bố trí cốt đai vuông và khoảng cách đai là 55mm, 75mm và 95mm Đồng thời, mô phỏng bằng phần tử hữu hạn được thực hiện để tái hiện quá trình phá hoại của cột trong điều kiện thực tế

Kết quả mô phỏng đã cho thấy hình thái phá hoại của mẫu phù hợp với kết quả thí nghiệm, tuy nhiên, có sự chênh lệch 2-6% trong kết quả lực nén trung bình và 11-18% trong lực biến dạng dọc của bê tông so với thí nghiệm Điều này cho thấy mô phỏng bằng phần tử hữu hạn là một công cụ hữu ích và chính xác để xem xét cơ chế phá hoại của cột bê tông sử dụng cốt liệu tái chế

Tổng hợp kết quả thí nghiệm và mô phỏng trên các mẫu cột bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đã cung cấp thông tin quan trọng và hữu ích về khả năng chịu nén và biến dạng của cột Kết quả này sẽ hỗ trợ trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và tính chất cơ học của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế, từ đó giúp tối ưu hóa thiết kế và xây dựng các công trình bền vững và hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ 5

1.1 Tổng quan về bê tông cũ ở Việt Nam và trên thế giới 5

1.1.1 Tình hình bê tông cốt liệu cũ ở Việt Nam 6

1.1.2 Tình hình bê tông cốt liệu cũ ở một số quốc gia 7

1.2 Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) 8

1.3 Phương pháp sản xuất và phối trộn 11

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông 15

1.4.1 Ảnh hưởng của cường độ đá xi măng 15

1.4.2 Ảnh hưởng của cốt liệu 18

1.4.3 Ảnh hưởng của cấu tạo bê tông 19

1.4.4 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường bảo dưỡng 19

1.5 Tóm tắt chương 1 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ 21

2.1 Cường độ bê tông cốt liệu cũ sử dụng cho công trình xây dựng 21

2.1.1 Cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu cũ 22

2.1.2 Phương pháp và công thức xác định cường độ chịu nén của bê tông 23

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PHƯƠNG PHÁP PTHH) 23

2.2.1 Giới thiệu 23

2.2.2 Nguyên lý cực tiểu hoá thế năng toàn phần 24

2.2.3 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 25

2.3 Thành phần vật liệu chế tạo bê tông 27

2.4 Mô phỏng cấu kiện cột chịu nén bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 30

2.4.1 Mô hình vật liệu bê tông (DIANA) 30

2.4.2 Mô hình vật liệu cho cốt thép 36

2.4.3 Lựa chọn phần tử 36

2.5 Tóm tắt chương 2 37

Chương 3 NGHIÊN CỨU SO SÁNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT

3.2.1 Hình thái phá hoại của mẫu thử 48

3.2.2 Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa lực và biến dạng 51

3.3 Mô phỏng cấu kiện cột chịu nén bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 56

3.4 So sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng nén mẫu 60

3.4.1 So sánh hình thái phá hoại của mẫu 60

3.4.2 So sánh lực nén trung bình khi phá hoại 62

3.4.3 So sánh biến dạng dọc của bê tông 63

3.5 Tóm tắt chương 3 66 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

RCA Cốt liệu bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate) GHGs Khí thải nhà kính

C&D Chất thải xây dựng và phá dỡ PTHH Phần tử hữu hạn

X/N Tỷ lệ xi măng/nước

Rb Cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày, kG/ cm2 RX Mác của xi măng (cường độ), kG/cm2

R28 Cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày P Tải trọng phá hoại

F Diện tích mặt cắt ngang ft Cường độ kéo của bê tông ult Biến dạng giới hạn

Gf Năng lượng phá hủy

𝐺𝑐 Năng lượng đứt gãy do nén của bê tông

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số chất lượng vật liệu A và A1 17

Bảng 3.1 Bảng cấp phối bê tông M300 43

Bảng 3.2 Dạng phá hoại của các nhóm mẫu thí nghiệm 49

Bảng 3.3 Bảng giá trị lực nén, biến dạng của bê tông + cốt thép mẫu bê tông sử dụng 25% cốt liệu cũ với khoảng cách đai 55mm, 75mm và 95mm 50

Bảng 3.4 Thông số hình học mô hình PTHH 57

Bảng 3.5 Thông số vật liệu PTHH 58

Bảng 3.6 So sánh thí nghiệm và mô phỏng hình thái phá hoại của mẫu 61

Bảng 3.7 Bảng giá trị trung bình lực nén thí nghiệm và mô phỏng 62

Bảng 3.8 Bảng giá trị biến dạng dọc của mẫu thí nghiệm và mô phỏng 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cốt liệu bê tông tái chế 9

Hình 1.2 Quy trình làm sạch tự sinh 13

Hình 1.3 Máy nghiền cốt liệu 14

Hình 1.4 Phương pháp trộn hai giai đoạn 15

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn 17

Hình 2.1 Rời rạc miền tính toán 24

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán PTHH 26

Hình 2.3 Mô hình bê tông chịu kéo 33

Hình 2.4 Ứng xử chịu nén của bê tông 35

Hình 2.5 Ứng xử chịu kéo của bê tông 35

Hình 2.6 Mô hình vật liệu thép 36

Hình 2.7 Phần tử CHX60 37

Hình 2.8 Phần tử L6TRU 37

Hình 3.1 Chi tiết các mẫu bố trí cốt đai với s = 95mm, 75mm và 35mm 40

Hình 3.2 Công tác cốt thép chuẩn bị đổ mẫu 41

Hình 3.3 Công tác ván khuôn chuẩn bị đổ mẫu 41

Hình 3.4 Công tác mài phẳng mặt cốt thép và vệ sinh bề mặt 41

Hình 3.5 Công tác dùng keo chuyên dụng phủ lên bề mặt SG 42

Hình 3.6 Công tác dán SG vào cốt đai 42

Hình 3.7 Công tác dán SG vào cốt dọc 42

Hình 3.8 Công tác hàn dây tín hiệu vào SG 43

Hình 3.9 Công tác phủ lớp silicon chuyên dụng chống nước 43

Hình 3.10 Công tác đổ mẫu cột 44

Hình 3.11 Tháo khuôn cột và bảo dưỡng 28 ngày 45

Hình 3.12 Vệ sinh mài mặt phẳng mẫu 45

Hình 3.13 Vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm và dán SG bê tông 45

Hình 3.14 Cảm biến đo biến dạng (Straingauge) trên mẫu thí nghiệm 46

Hình 3.15 Các thiết bị, dụng cụ cho thí nghiệm 46

Hình 3.16 Mẫu nén trên hệ khung gia tải 47

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai 51

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép dọc 51

Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông ngang 52

Hình 3.20 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông dọc 52

Hình 3.21 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai 53

Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép dọc 53

Hình 3.23 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông ngang 54

Hình 3.24 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông dọc 54

Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai 55

Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cốt thép dọc 55

Hình 3.27 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông ngang 56

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng bê tông dọc 56

Hình 3.29 Mô hình cốt thép 57

Hình 3.30 Mô hình cột và tấm thép 58

Hình 3.31 Mô hình PTHH sau khi chia lưới 59

Hình 3.32 Điều kiện biên và tải trọng 60

Hình 3.33 So sánh giá trị lực nén trung bình trường hợp mẫu bê tông sử dụng 25% cốt liệu cũ với khoảng cách đai 55mm, 75mm và 95mm 62

Hình 3.34 So sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng biến dạng bê tông dọc trung bình

Hình 3.37 So sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng biến dạng bê tông dọc trung bình mẫu bê tông với khoảng cách đai 55mm, 75mm và 95mm 65

PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu về khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển cơ sở hạ tầng hiện nay Với sự phát triển của xây dựng và công nghệ, việc nghiên cứu và đánh giá cơ chế hoạt động, cũng như các yếu tố tác động đến khả năng làm việc của các cấu kiện trong công trình, là điều cần thiết và hết sức quan trọng

Cột được coi là một trong những thành phần chủ chốt trong công trình xây dựng, và sự phá hủy của cột có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cấu trúc tổng thể Nghiên cứu khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép, đặc biệt khi sử dụng cốt liệu tái chế, đóng góp quan trọng vào việc tối ưu hóa thiết kế và xây dựng các công trình bền vững và an toàn

Sự phá hoại của cột thường xảy ra khi cột đến giới hạn khả năng chịu nén của nó Việc nghiên cứu các biến dạng và tác động của lực nén đối với cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế sẽ giúp hiểu rõ hơn về cơ học hoạt động của cấu kiện này, từ đó đưa ra những cải tiến trong thiết kế và vật liệu, nhằm gia tăng khả năng chịu lực nén của cột và giảm thiểu nguy cơ phá hủy

Lý do chọn đề tài "Nghiên cứu so sánh mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế" là vì sự cần thiết và

tính ứng dụng của việc sử dụng cốt liệu tái chế trong xây dựng hiện nay Việc tận dụng lại cốt liệu từ các công trình cũ không chỉ giảm thiểu tài nguyên, mà còn giúp giảm lượng rác thải và khí thải CO2 vào môi trường

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm giữa các cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế sẽ cung cấp thông tin chính xác và đáng tin cậy về hiệu quả và độ tin cậy của cốt liệu tái chế trong việc tăng cường khả năng chịu lực nén của cột

Đề tài này không chỉ có ý nghĩa trong việc tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường, mà còn đóng góp vào việc xây dựng các công trình có hiệu suất cao, bền vững

và an toàn, hướng tới sự phát triển bền vững và hài hòa với môi trường

2 Mục đích và nhiệm vụ của luận văn

Mục đích của luận văn "Nghiên cứu so sánh mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế" là tạo ra một nghiên cứu toàn diện và đáng tin cậy về hiệu quả và khả năng ứng dụng của cốt liệu tái chế trong việc tăng cường khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép Nghiên cứu này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về xây dựng các công trình bền vững và có tính chất thân thiện với môi trường

Cụ thể, nhiệm vụ của luận văn bao gồm:

- Tổng quan và phân tích tài liệu liên quan: Tiến hành tìm hiểu và phân tích những nghiên cứu, tài liệu và công trình liên quan đến việc sử dụng cốt liệu tái chế và khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép Điều này giúp xác định cơ sở lý thuyết và kiến thức hiện có về đề tài

- Nghiên cứu và lựa chọn vật liệu cốt liệu tái chế: Tiến hành nghiên cứu về các loại vật liệu tái chế có thể được sử dụng trong bê tông cốt thép Điều này bao gồm đánh giá tính chất cơ học và môi trường của các vật liệu này để chọn ra những vật liệu phù hợp và hiệu quả nhất cho việc tăng cường khả năng chịu lực nén của cột

- Mô phỏng số học: Sử dụng phần mềm mô phỏng và phân tích cơ học để mô phỏng hành vi và hiệu năng của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế trong điều kiện khác nhau Các mô phỏng này giúp dự đoán và đánh giá cách cột ứng xử và chịu tải trong các tình huống thực tế

- Thực nghiệm: Tiến hành các thí nghiệm thực tế trên các mẫu cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế để đo lường và ghi nhận các thông số hiệu năng, như độ chịu lực nén, biến dạng, và các hiện tượng phá hủy Nhờ đó, thu thập dữ liệu thực tế và xác thực kết quả mô phỏng

- So sánh và đánh giá kết quả: Tổng hợp, so sánh và đánh giá các kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm Xác định mức độ phù hợp và độ tin cậy của các phương pháp đánh giá khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế

Đề xuất cải tiến và ứng dụng thực tiễn: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất những cải tiến và áp dụng thực tế để tăng cường khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép thông qua việc sử dụng cốt liệu tái chế Các kết quả này có thể đóng góp vào phát triển các tiêu chuẩn và quy định mới liên quan đến việc sử dụng cốt liệu tái chế

trong xây dựng công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu sẽ tập trung vào các cấu kiện cột được tạo từ việc sử dụng cốt liệu tái chế bê tông hoặc các vật liệu tái chế khác Đối tượng nghiên cứu chính là các cấu kiện cột này khi chịu lực nén trong các điều kiện thực tế

Phạm vi nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu vật liệu tái chế, mô phỏng số học và thực nghiệm trên các mẫu cột Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm sẽ được so sánh và đánh giá để xác định tính chính xác và hiệu quả của phương pháp

đánh giá khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn

Phương pháp luận bao gồm việc tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, mô phỏng số học để dự đoán hành vi của cột sử dụng cốt liệu tái chế và thực hiện các thí nghiệm trên các mẫu cột thực tế để xác thực kết quả Sau đó, kết quả từ cả mô phỏng và thực nghiệm sẽ được so sánh và đánh giá để xác định tính chính xác và hiệu quả của phương pháp đánh giá khả năng chịu lực nén của cột

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thu thập dữ liệu về các vật liệu cốt liệu tái chế, xây dựng mẫu thí nghiệm, đo lường và ghi nhận dữ liệu từ các thí nghiệm, xử lý và phân tích dữ liệu thu thập, và đề xuất các cải tiến và ứng dụng thực tiễn dựa trên kết quả nghiên cứu

5 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa lý luận:

Bổ sung kiến thức: Nghiên cứu này mở rộng hiểu biết về việc sử dụng cốt liệu tái chế để tăng cường khả năng chịu lực nén của cột bê tông cốt thép, đóng góp vào nâng cao kiến thức trong lĩnh vực xây dựng

Nâng cao năng lực nghiên cứu: Thực hiện nghiên cứu này đòi hỏi sử dụng phương pháp nghiên cứu phức tạp và chính xác, góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và phân tích của cả người thực hiện và cộng đồng nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng

Ý nghĩa thực tiễn:

Xây dựng công trình bền vững: Kết quả nghiên cứu giúp tối ưu hóa thiết kế và xây dựng các công trình bền vững và thân thiện với môi trường, giảm lượng rác thải và tài nguyên tiêu thụ

Bảo vệ môi trường: Sử dụng cốt liệu tái chế giúp giảm tác động tiêu cực lên nguồn tài nguyên thiên nhiên, đồng thời giảm lượng khí thải CO2 vào môi trường

Tiết kiệm tài nguyên: Tái chế cốt liệu giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và nguồn năng lượng trong quá trình sản xuất thép

6 Bố cục của luận văn

Chương 1 : Tổng quan về bê tông có sử dụng cốt liệu tái chế

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế Chương 3 : Nghiên cứu so sánh mô phỏng và thực nghiệm đánh giá khả năng

chịu nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ 1.1 Tổng quan về bê tông cũ ở Việt Nam và trên thế giới

Cốt liệu bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA) đang trở thành một giải pháp quan trọng trong ngành xây dựng và xử lý vật liệu Điều đặc biệt làm nổi bật RCA so với bê tông mới là quy trình sản xuất được thực hiện theo một phương pháp khác bệt và cẩn thận

Quá trình sản xuất RCA bắt đầu bằng việc lựa chọn kỹ lưỡng vật liệu từ các nguồn phế liệu bê tông Những mảnh vỡ, mảnh kim loại hay sắt thép có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của vật liệu sẽ được loại bỏ trong quá trình sàng lọc đặc biệt Khi đã loại bỏ những thành phần không mong muốn, bê tông tái chế sẽ tiếp tục được nghiền nhỏ với kích thước tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng dự án

Việc sàng lọc kỹ lưỡng và quá trình nghiền nhỏ này làm tăng tính ổn định và đảm bảo chất lượng của RCA Điều này đặc biệt quan trọng đối với các nhà tái chế đá và nhà cung cấp vật liệu cho các nhà thầu xây dựng đường xá và bãi đậu xe, nơi chất lượng vật liệu đóng vai trò then chốt

Một trong những lợi ích đáng kể của RCA là ảnh hưởng tích cực đến kinh tế và môi trường Chủ cơ sở tái chế và các nhà thầu có thể tiết kiệm được một lượng chi phí đáng kể khi sử dụng RCA thay vì bê tông mới, từ đó tạo cơ hội sử dụng thêm nguồn kinh phí cho việc trang trí bề mặt và các phần khác trong dự án

Tuy nhiên, ưu điểm quan trọng nhất của RCA là tính thân thiện với môi trường sinh thái Trong quá trình sản xuất bê tông mới, việc khai thác đá và nghiền nhỏ đòi hỏi sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và quá trình chế biến cơ khí, gây ra nhiều tác động xấu tới môi trường Ngược lại, việc tái chế bê tông tạo ra một vòng đời mới cho cốt liệu mà chỉ đòi hỏi ít quá trình chế biến, giảm thiểu tác động đến nguồn tài nguyên tự nhiên và giúp giảm lượng phế liệu bê tông chôn lấp

Ngoài ra, tính linh hoạt cao của RCA cũng là một lợi điểm quan trọng Với khả năng sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong xây dựng, RCA có thể được ứng

dụng trong các dự án cảnh quan, cải tạo nhà ở, xây dựng lối vào, hành lang, sân trong khu dân cư, các bãi đậu xe thương mại, đường giao thông nông thôn, tiện ích hạ tầng và nhiều ứng dụng khác

Các nhà nghiên cứu thuộc Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ đã thực hiện nhiều nghiên cứu và kiểm tra, xác nhận rằng mặc dù được tái chế từ phế liệu bê tông, RCA vẫn đáng tin cậy về mặt cấu trúc và an toàn khi sử dụng làm vật liệu tổng hợp tự nhiên

Với những lợi ích rõ ràng và tiềm năng ứng dụng đa dạng, RCA đang ngày càng được sử dụng phổ biến trong ngành xây dựng Các quốc gia phát triển như Mỹ, Singapore, Pháp, Đức, Bỉ và Luxembourg đã đưa ra chính sách và biện pháp để xử lý bê tông phế liệu và tận dụng cốt liệu bê tông tái chế trong các công trình xây dựng, hướng tới việc xây dựng môi trường xanh và bền vững hơn

1.1.1 Tình hình bê tông cốt liệu cũ ở Việt Nam

Tình trạng quản lý và tái chế cốt liệu tái chế (RCA) ở Việt Nam hiện đang đối diện với nhiều thách thức và vấn đề cần giải quyết RCA chiếm tới khoảng 25% lượng chất thải sinh hoạt, tuy nhiên, việc thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải này chưa đạt hiệu quả cao Điều này yêu cầu sự điều chỉnh, bổ sung và tăng cường các quy định hiện hành, đặc biệt là trong việc phân loại từ nguồn và thúc đẩy tái chế

Ngành chức năng đánh giá rằng tình trạng quản lý, thu gom, vận chuyển và xử lý RCA ở Việt Nam vẫn còn nhiều bất cập Cụ thể, tình trạng đổ trộm phế thải xây dựng diễn ra phổ biến ở hầu hết các quận, huyện trong thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Việc này phản ánh rõ ràng việc phân loại, thu gom và vận chuyển RCA hiện vẫn chưa có các quy định cụ thể và trách nhiệm rõ ràng

Các chuyên gia trong lĩnh vực này đồng lòng rằng RCA là nguồn phát thải chính và các biện pháp xử lý và chế tài xử phạt vẫn còn nhiều hạn chế, gây khó khăn trong việc quy trách nhiệm xử lý khi phát hiện trường hợp xả thải ra môi trường Nhiều

chuyên gia cũng cho rằng, trong thời gian dài, biện pháp xử lý chủ yếu đối với RCA ở Việt Nam vẫn chỉ tập trung vào việc chôn lấp

Thực tế, khối lượng RCA ước tính là khoảng 1500 tấn/ngày tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Điều này đòi hỏi sự cần đến những bãi chôn lấp lớn Mặc dù đã quy hoạch 10 khu vực chôn lấp RCA, tốc độ đô thị hóa nhanh, số lượng công trình xây dựng tăng cao dự kiến sẽ gây nhiều áp lực và khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu xử lý RCA trong tương lai Thêm vào đó, RCA còn khá khó phân hủy, làm cho tình trạng quá tải bãi chôn lấp RCA trở thành vấn đề cấp bách

Để giải quyết tình trạng này, việc tăng cường quản lý, phân loại và tái chế RCA trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu cho Việt Nam Cần thiết có các chính sách, quy định rõ ràng và chặt chẽ, đồng thời áp dụng biện pháp xử phạt nghiêm minh đối với việc xả thải không hợp pháp Thúc đẩy việc tái chế RCA không chỉ giúp giảm thiểu nguồn gốc thải và ô nhiễm môi trường mà còn giúp tối ưu hóa tài nguyên và hướng tới xây dựng môi trường sống xanh, bền vững hơn cho tương lai

1.1.2 Tình hình bê tông cốt liệu cũ ở một số quốc gia

Tình hình ứng dụng, sản xuất và tái chế bê tông cốt liệu cũ (RCA) có sự khác biệt ở các quốc gia trên thế giới, nhưng nó đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành xây dựng và quản lý tài nguyên Dưới đây là một số ví dụ về tình hình ứng dụng và tái chế RCA ở một số quốc gia tiêu biểu:

Hoa Kỳ: Hoa Kỳ là một trong những quốc gia dẫn đầu về ứng dụng và tái chế RCA Các chương trình tái chế bê tông cũ đã được triển khai rộng rãi ở nhiều tiểu bang Những công trình xây dựng lớn như đường cao tốc, cầu, và hạ tầng công cộng thường sử dụng RCA làm cốt liệu để giảm thiểu lượng rác thải xây dựng và tiết kiệm tài nguyên Đồng thời, các quy định và tiêu chuẩn về chất lượng và an toàn của RCA cũng được đề cao

Châu Âu: Nhiều quốc gia châu Âu như Pháp, Đức, Bỉ, và Luxembourg đều áp dụng chính sách và giới thiệu các biện pháp tái chế RCA Các dự án xây dựng quan

trọng, từ công trình giao thông đến tòa nhà, đều sử dụng RCA nhằm giảm thiểu lượng chất thải xây dựng và bảo vệ môi trường Chất lượng và tiêu chuẩn sử dụng RCA cũng được quan tâm và kiểm soát chặt chẽ

Singapore: Là một quốc gia có diện tích hạn chế, Singapore đã áp dụng các biện pháp tái chế bê tông cốt liệu cũ một cách hiệu quả Các nhà thầu xây dựng và công trình giao thông thường sử dụng RCA để giảm thiểu lượng chất thải xây dựng và tiết kiệm tài nguyên Điều này cũng giúp Singapore xây dựng môi trường xanh và bền vững hơn

Nhật Bản: Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu và phát triển công nghệ tái chế bê tông cũ từ lâu Các dự án xây dựng lớn và các công trình hạ tầng đều sử dụng RCA một cách sáng suốt để giảm thiểu lượng chất thải và tối ưu hóa tài nguyên Quy định và kiểm soát về chất lượng của RCA cũng được thực hiện chặt chẽ tại Nhật Bản

Úc: Úc cũng là một quốc gia chú trọng đến việc tái chế và sử dụng RCA trong các dự án xây dựng và hạ tầng Các công trình đường cao tốc, cầu, và công trình xây dựng khác thường sử dụng RCA nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường và tiết kiệm tài nguyên

Nhìn chung, các quốc gia trên thế giới đều đang chuyển dần sang ứng dụng và tái chế bê tông cốt liệu cũ nhằm tối ưu hóa tài nguyên, giảm thiểu lượng chất thải xây dựng, và bảo vệ môi trường Các tiêu chuẩn và quy định về chất lượng và an toàn của RCA cũng được chú trọng để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả của quá trình tái chế này

1.2 Cốt liệu bê tông tái chế (RCA)

Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) đang thu hút sự quan tâm ngày càng lớn trong ngành xây dựng vì tiềm năng lợi ích môi trường và kinh tế mà nó mang lại Các nghiên cứu đã chứng minh rằng bê tông sử dụng RCA có thể có các thuộc tính tương đương với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên (NA) Điều này tạo ra một cơ hội quan trọng để tái chế chất thải bê tông và giảm thiểu sự tiêu thụ tài nguyên tự nhiên

Tuy nhiên, việc sử dụng RCA đòi hỏi sự cẩn trọng, chủ yếu do RCA có xu hướng hấp thụ nước cao hơn so với cốt liệu tự nhiên Điều này có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ nước và xi măng trong bê tông, gây ảnh hưởng đến tính chất làm việc và độ bền của bê tông Do đó, quá trình thiết kế hỗn hợp và điều chỉnh phải được thực hiện một cách cẩn thận khi sử dụng RCA để đảm bảo hiệu suất mong muốn và độ bền lâu dài của bê tông

RCA thường được thu thập từ các cơ sở xử lý phế liệu xây dựng và cấp liệu, trong đó bao gồm chất thải bê tông, cốt liệu không ràng buộc và sản phẩm gốm sứ như phần hỗn hợp bổ sung Tuy vậy, thành phần và chất lượng của RCA có thể thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp xử lý Vì vậy, đánh giá và kiểm tra chất lượng của RCA là cần thiết để đảm bảo tính phù hợp và hiệu quả trong ứng dụng của nó trong các dự án xây dựng

(Nguồn: Annisa Dewanti Putri (2017), Recycled concrete aggregate (RCA) for the use in construction: general review)

Hình 1.1 Cốt liệu bê tông tái chế

Việc sử dụng RCA trong xây dựng mang lại nhiều lợi ích, không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải xây dựng và tiết kiệm tài nguyên, mà còn là một biện pháp bền vững để bảo vệ môi trường Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả của việc sử dụng RCA, các kỹ sư và nhà xây dựng cần phải có hiểu biết sâu về tính chất và ứng xử của RCA trong quá trình thiết kế và xây dựng Nghiên cứu tiếp tục trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục

tối ưu hóa ứng dụng của cốt liệu bê tông tái chế, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng môi trường sống xanh và bền vững

Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) là thành phần cơ bản trong hỗn hợp bê tông, chiếm một tỷ trọng đáng kể, thường dao động từ 65% đến 80% Nhu cầu cốt liệu trên toàn cầu là rất lớn, với ước tính tiêu thụ hàng năm khoảng 37,5 tỷ tấn, và Trung Quốc đóng vai trò quan trọng, chiếm gần 40% trong tổng số này Tuy nhiên, việc không ngừng đáp ứng nhu cầu này đã dẫn đến việc sinh ra lượng lớn chất thải xây dựng và phá dỡ (C&D) tại Trung Quốc, chiếm gần 50% trong tổng lượng chất thải rắn đô thị [Ding và Xiao, 2014] Thách thức về chất thải gia tăng này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp bền vững, và việc sử dụng Cốt liệu Bê tông tái chế (RCA) từ phế liệu C&D đã trở thành một hướng tiếp cận tiềm năng với nhiều lợi ích đa dạng cho môi trường và ngành công nghiệp xây dựng

Việc sử dụng RCA trong sản xuất bê tông có tiềm năng lớn trong việc giảm các tác động môi trường Đáng chú ý, việc sử dụng RCA có thể giảm lượng khí thải khí nhà kính (GHGs) đáng kể, với ước tính gợi ý về việc giảm lên đến 65% so với sản xuất bê tông truyền thống, cùng với việc tiết kiệm đáng kể khoảng 58% năng lượng không tái tạo Những kết quả này nhấn mạnh tiềm năng đáng kể của RCA như một lựa chọn thân thiện với môi trường thay thế cho cốt liệu tự nhiên truyền thống, biến nó trở thành yếu tố không thể thiếu trong các chiến lược nhằm chống lại biến đổi khí hậu và bảo vệ nguồn tài nguyên năng lượng hữu hạn

Hơn nữa, trong quá trình nghiền và sản xuất cốt liệu, phần đáng kể của sản phẩm từ máy nghiền chính có thể có kích thước hạt nhỏ hơn 40 mm Hiện tượng này được tăng cường khi sử dụng nhiều giai đoạn nghiền để đạt được kích thước cốt liệu mong muốn, dẫn đến việc tạo ra tỷ lệ cao hơn của các hạt mịn - các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,074 mm Mặc dù hạt mịn có thể gây ra một số thách thức trong sản xuất bê tông do ảnh hưởng tiềm ẩn đến khả năng làm việc và tính chất cơ học, chúng cũng mang đến cơ hội độc đáo trong các ứng dụng bê tông đặc biệt, chẳng hạn như trong sản xuất bê tông tự trải và bê tông cao cường độ

Trong bối cảnh ngành công nghiệp xây dựng tiếp tục mở rộng và phát triển, việc áp dụng các phương pháp bền vững và áp dụng các giải pháp sáng tạo là cần thiết để đối mặt với các vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng Việc sử dụng hiệu quả cốt liệu bê tông tái chế từ chất thải C&D không chỉ giảm nhu cầu sử dụng cốt liệu tự nhiên, bảo tồn tài nguyên quý giá, mà còn đóng góp đáng kể vào việc giảm chất thải, thúc đẩy nguyên lý của nền kinh tế vòng tròn Điều này đồng thời tạo điều kiện cho một ngành công nghiệp xây dựng bền vững và kiên cố hơn, điều này phù hợp với nỗ lực toàn cầu nhằm đạt được bền vững môi trường và một tương lai xanh hơn

Để đạt được hết tiềm năng của RCA và thúc đẩy chương trình phát triển bền vững trong ngành công nghiệp xây dựng, nghiên cứu và phát triển tiếp theo là điều không thể thiếu Cần thực hiện các nghiên cứu toàn diện về các khía cạnh khác nhau của tái chế bê tông, từ các yếu tố kỹ thuật và kỹ nghệ cho đến các khía cạnh kinh tế và chính sách Hơn nữa, sự hợp tác giữa giới học thuật, ngành công nghiệp và các cơ quan chính phủ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng một hệ sinh thái hỗ trợ, khuyến khích việc sử dụng rộng rãi RCA và các biện pháp xây dựng bền vững khác, đảm bảo sự cân bằng hài hòa giữa phát triển đô thị và bảo vệ môi trường

1.3 Phương pháp sản xuất và phối trộn

Hàng năm, khoảng 100 triệu tấn (tương đương 90 triệu tấn mét khối) bê tông được tái chế thành cốt liệu sử dụng Lượng bê tông tái chế lớn như vậy đang mang đến một cơ hội to lớn để tiếp tục nghiên cứu và mở rộng việc sử dụng Cốt liệu Bê tông tái chế (RCA), đặc biệt khi nguồn gốc của nó là từ các nguồn dự trữ rộng lớn của chất thải xây dựng và phá dỡ

Việc tái chế bê tông sang cốt liệu tái chế mang lại nhiều lợi ích vượt trội về môi trường và kinh tế Thay vì lãng phí tài nguyên tự nhiên, RCA tận dụng lại tài nguyên tái sử dụng từ bê tông cũ, giúp giảm thiểu tác động khai thác tài nguyên thiên nhiên Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ các nguồn tài nguyên hữu hạn và hạn chế sự suy giảm nguồn cung cấp cốt liệu tự nhiên

Ngoài ra, việc sử dụng RCA cũng đóng góp tích cực vào việc giảm lượng chất thải xây dựng, giúp giải quyết vấn đề nghiêm trọng về quản lý chất thải Bằng cách tái chế bê tông từ C&D, RCA giảm thiểu lượng chất thải tiêu thụ không gian và giúp giữ cho môi trường xung quanh sạch sẽ và an toàn hơn

Một lợi thế quan trọng khác của RCA là khả năng giảm thiểu lượng khí thải nhà kính (GHGs) Việc sử dụng RCA giúp giảm thiểu tác động môi trường của ngành xây dựng, đóng góp tích cực vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu

Đồng thời, việc phát triển và sử dụng RCA tạo ra cơ hội mới cho ngành xây dựng, đem lại các giải pháp xây dựng bền vững và tạo ra sản phẩm với hiệu quả kinh tế cao Nghiên cứu và phát triển RCA cũng cung cấp các cơ hội đáng kể cho các nhà khoa học và kỹ sư để tối ưu hóa công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng cốt liệu tái chế và tạo ra các sản phẩm xây dựng chất lượng cao

Dựa trên hình vẽ trên, để tạo điều kiện cho việc tái chế Các chất thải xây dựng và thu được cốt liệu tái chế, quy trình này phân biệt giữa các sản phẩm sau đây khi nhập vào nhà máy: Quy trình đầu tiên là Loại bỏ các chất thải xây dựng không có tạp chất hoặc không có sự hiện diện của tạp chất Các chất thải xây dựng không có tạp chất tương ứng với chất thải công nghiệp từ ngành xây dựng hoặc chất thải đạt được nhờ quản lý tốt nguồn gốc Tiếp theo là Các chất thải xây dựng không được lựa chọn: Loại chất thải này chứa các vật liệu không tinh khiết như nhựa, gỗ và kim loại

Trong trường hợp của các chất thải xây dựng không được lựa chọn, các vật liệu dễ nhận dạng (như nhựa, gỗ, v.v.) được tách ra và các chất thải lớn hơn 400 mm được nghiền nhỏ Sau đó, chúng được gửi đến hai dây chuyền xử lý được biết đến với tên gọi là các dây chuyền CDW không được lựa chọn Các chất thải xây dựng không có tạp chất được gửi để được xử lý trong một dây chuyền xử lý được biết đến với tên gọi là dây chuyền CDW sạch

Quy trình này cơ bản bao gồm các quy trình phụ sau: Máy tách từ: tách các kim loại từ tính

Giai đoạn sàng lọc đầu tiên, cần thiết cho việc tách kích thước Các phân đoạn thu được là: (a) 0/15 mm: bị từ chối do nồng độ tạp chất cao, đặc biệt là đất Phân đoạn này được coi là không liên quan đến quy trình tái chế; nó hữu ích cho việc bù đắp nhỏ và phục hồi khu vực tự nhiên bị suy thoái (b) 15/80 mm: phân đoạn này được gửi đến máy nghiền (c) 80/400 mm: phân đoạn này được gửi đến dây chuyền chọn lựa bằng tay

Quy trình tiếp theo sẽ là dây chuyền chọn lựa bằng tay: tách gỗ, kim loại, chất thải độc hại, nhựa, giấy, bìa, dây và thủy tinh, v.v Tiếp theo, quy trình tách bằng khí nén: các tạp chất nhẹ (chủ yếu là nhựa) được loại bỏ thông qua quá trình làm sạch bằng chân không Sau đó, giai đoạn nghiền tiếp theo, giai đoạn sàng lọc kế tiếp: các sản phẩm được tách ra thành một số phân đoạn được tái đưa vào máy nghiền Quy trình tách theo nguyên tắc của quả đạn: loại bỏ các yếu tố nhẹ, có hình dạng dài của phân đoạn 8/40 mm Quy trình cuối cùng sẽ cho ra cốt liệu bê tông tái chế và lưu trữ

Để chuyển đổi chất thải từ chất thải bê tông thành cốt liệu tái chế, có nhiều phương pháp xử lý có thể được sử dụng Nhưng, các bước làm đều phân bổ một cách đồng đều và sàng lọc thông thường được thực hiện trên chất thải xây dựng và phá dỡ để tạo ra cốt liệu tái chế Tuy nhiên, trong một số trường hợp, quy trình làm sạch tự động có thể là bước tiếp theo để loại bỏ các lớp vữa gắn kết nhất trong bề mặt cốt liệu

(Nguồn: Annisa Dewanti Putri (2017), Recycled concrete aggregate (RCA) for the use in construction: general review)

Hình 1.2 Quy trình làm sạch tự sinh

(a) Quá trình đồng nhất hạt được thực hiện trên các hạt bê tông nghiền ban đầu dựa trên việc thu thập và lựa chọn các hạt và mảnh vụn bằng cách xem xét màu sắc chủ đạo của chúng

(b) Trong giai đoạn mài mòn (sử dụng máy mài, máy nghiền hàm, v.v.), vật liệu được chia thành hai loại, đó là cốt liệu tinh và thô

Tiếp theo, (c) một quy trình làm sạch tự động được tạo ra và thực hiện Với quy trình này, RCA được đặt trong một trống máy quay và va chạm vào nhau trong khi loại bỏ các mảnh vụn vữa bám dính Sau quá trình làm sạch tự động, cốt liệu được làm sạch bằng nước và sau đó được làm khô để loại bỏ tất cả cặn còn lại và tạp chất được tạo ra

(Nguồn: Annisa Dewanti Putri (2017), Recycled concrete aggregate (RCA) for the use in construction: general review)

Hình 1.3 Máy nghiền cốt liệu

Trong quá trình phá hủy, cốt liệu bê tông cũ thường được nghiền nát nhiều lần tùy thuộc vào điều kiện và nhu cầu, sử dụng nhiều loại máy nghiền khác nhau, bao gồm máy nghiền hàm, máy nghiền búa, máy nghiền côn và máy nghiền va đập, hoặc có thể được nghiền thủ công bằng búa

Còn về phương pháp trộn TSMA hoặc phương pháp trộn hai giai đoạn, cũng như phương pháp trộn vữa, phương pháp trộn được bọc cát, đều là những phương pháp tiếp cận để tạo cấu trúc bê tông tái chế Trong đó:

Phương pháp trộn TSMA: Đây là một quy trình trộn hai giai đoạn, với giai đoạn đầu tiên là trộn cốt liệu tái chế với một lượng nhỏ nước, sau đó để nó thẩm thấu trong một khoảng thời gian ngắn Sau đó, giai đoạn thứ hai tiếp tục trộn thêm nước và các thành phần bê tông khác để tạo thành hỗn hợp bê tông hoàn chỉnh

(Nguồn: Annisa Dewanti Putri (2017), Recycled concrete aggregate (RCA) for the use in construction: general review)

Hình 1.4 Phương pháp trộn hai giai đoạn

Phương pháp trộn vữa: Trong phương pháp này, cốt liệu tái chế được trộn với vữa, một loại chất kết dính, để tạo thành hỗn hợp bê tông Quá trình trộn này giúp cải thiện tính kết dính và độ cứng của bê tông tái chế

Phương pháp trộn được bọc cát: Trong phương pháp này, cốt liệu tái chế được phủ lớp cát trước khi trộn với các thành phần khác Lớp cát bọc giúp giảm lượng nước thẩm thấu vào cốt liệu và cải thiện tính kết dính của bê tông tái chế

Ngoài ra, các phương pháp trộn khác cũng có thể được sử dụng cho cốt liệu bê tông tái chế (RCA) Sự cải tiến và hiệu suất của RCA cũng phụ thuộc vào phương pháp trộn cốt liệu bê tông tái chế

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông 1.4.1 Ảnh hưởng của cường độ đá xi măng

Cường độ đá xi măng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ bê tông Cuờng độ đá xi măng lại phụ thuộc vào tỉ lệ X/N thực chất là sự phụ thuộc vào thể tích lỗ rỗng tạo ra

do lượng nước dư thừa

Trong đó: N, X là lượng nước và xi măng trong 1m3 bê tông ( kg)

: Lượng nước liên kết hóa học tính bằng % khối lượng xi măng Ở tuổi 28 ngày lượng nước liên kết hóa học khoảng 15 - 20%

Mối Quan hệ giữa cường độ bê tông với Mác xi măng, tỉ lệ X/N được biểu thị qua công thức Bolomey-Skramtaev sau:

Đối với bê tông có: Trong đó: Rb: Cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày, kG/ cm2

RX: Mác của xi măng (cường độ), kG/cm2

A, A1 là hệ số được xác định theo chất lượng vật liệu và phương pháp xác định mác xi măng (bảng 1.1)

X/N: Tỷ lệ xi măng/nước

- Xi măng hoạt tính trung bình, xi măng poóc lăng hỗn hợp chứa 10  15% phụ gia

- Xi măng hoạt tính thấp, xi măng poóc lăng hỗn hợp chứa trên 15% phụ gia thuỷ - Cốt liệu: Đá có 1chỉ tiêu chưa phù hợp

TCVN 1771:1987 Cát nhỏ Mdl< 2 0.45 0.29 0.5 0.32 (Nguồn: Trịnh Quang Vinh (2013), Giáo trình kỹ thuật thi công xây dụng) Dưới đây là biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc cường độ bê tông vào lượng nước:

(Nguồn: Trịnh Quang Vinh (2013), Giáo trình kỹ thuật thi công xây dụng) Hình 1.5 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn

a Vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được b Vùng hỗn hợp bê tông có cường độ và độ đặc cao c Vùng hỗn hợp bê tông dẻo

d Vùng hỗn hợp bê tông chảy

Khi tỉ lệ X/N quá nhỏ thì không đủ nước để đá xi măng thủy hóa hoàn toàn nên có cường độ đá xi măng giảm Mặt khác, khi đó hỗn hợp bêtông có độ sụt bé gây khó khăn trong quá trình thi công Khi tỉ lệ N/X quá cao, nước tự do còn tồn tại nhiều khi bay hơi sẽ để lại nhiều lỗ rỗng trong đá ximăng làm cường độ của đá ximăng giảm, nên cường độ bêtông cũng giảm Ngoài ra, nếu lượng nước quá nhiều thì hỗn hợp bêtông dễ bị phân tầng không thể thi công được

1.4.2 Ảnh hưởng của cốt liệu

Xuất phát từ điều kiện đồng nhất về cường độ của các thành phần cấu trúc trong bê tông (đá, xi măng và cốt liệu to, nhỏ hay vữa , xi măng với cốt liệu to) thì cường độ của cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tông chỉ trong trường hợp cường độ của nó thấp hơn hoặc xấp xỉ cường độ của đá hay vữa xi măng Điều này chỉ có thể xảy ra trong bê tông nhẹ dùng cốt liệu rỗng, vì ở đó cường độ của cốt liệu trong nhiều trường hợp có thể thấp hơn hoặc bằng cường độ của đá hay vữa xi măng Đối với bê tông nặng dùng cốt liệu đặc thì cường độ của cốt liệu lớn hơn rất nhiều so với cường độ của đá hay vữa ximăng

Vì vậy, ở đây cường độ của cốt liệu không ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông Sự phân bố giữa các hạt cốt liệu có ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Bình thường hồ xi măng lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu và đẩy chúng ra xa với cự ly bằng 2+3 lần đường kính hạt xi măng Trong trường hợp này do phát huy được vai trò của cốt liệu nên cường độ của bê tông khá cao và yêu cầu côt liệu có cường độ cao hơn cường độ bê tông từ 1.5 lần (đối với bê tông mác nhỏ hơn 300) đến 2 lần (đối với bêtông Mác lớn hơn 300) Khi bê tông chứa lượng hồ xi măng lớn hơn, các hạt cốt liệu bị đẩy ra xa nhau hơn đến mức hầu như không có tác dụng tương hỗ với nhau Khi đó cường độ của đá xi măng và cường độ vùng tiếp xúc đóng vai trò quyết định

đến cường độ của bê tông, nên yêu cầu về cường độ cốt liệu ở mức thấp hơn cường độ của bê tông còn phụ thuộc vào đặc trưng của cốt liệu

Nếu bề mặt cốt liệu nhám, sạch cường độ dính kết với vữa xi măng sẽ tăng lên nên cường độ bê tông cũng tăng Ngược lại, nếu bề mặt cốt liệu trơn, bẩn thì cường độ dính kết sẽ giảm làm cường độ bê tông cũng giảm Do đó, với cùng một lượng dùng như nhau thì bê tông dùng đá dăm sẽ cho cường độ cao hơn khi dùng sỏi Ngoài ra, với đường kính cốt liệu nhỏ (cát) tăng thì lớp hồ xi măng cao bọc sẽ dày lên tạo khả năng dính kết cao nên cường độ bê tông cũng sẽ tăng Nếu sử dụng cốt liệu đặc chắc thì khi lượng dùng tăng lên thì cường độ bêtông cũng tăng Nguợc lại, nếu cốt liệu rỗng thì khi lượng dùng tăng cường độ bê tông sẽ giảm xuống

1.4.3 Ảnh hưởng của cấu tạo bê tông

Cường độ của bê tông không những chỉ phụ thuộc vào cường độ của đá xi măng, chất lượng cốt liệu mà còn phụ thuộc vào độ đặc riêng của bê tông, nghĩa là phụ thuộc vào sự lựa chọn thành phần và chất lượng thì công hỗn hợp bê tông Nếu như trong bê tông có các lỗ rỗng, thì nó không những làm giảm diện tích làm việc của vật liệu, mà còn tạo ra trong bê tông nhưng ứng suất tập trung hai bên lỗ rỗng Ứng suât này sẽ làm giảm khả năng của bê tông chống lại ngoại lực tác dụng Để tạo hình được tốt, ngoài việc lựa chọn thành phần bê tông sao cho đặc chắc nhất, thì vấn đề quan trọng là chọn độ dẻo của hỗn hợp bê tông và phương pháp thi công cho thích hợp Có nghĩa là nếu độ dẻo của hỗn hợp bê tông cao, tuy lèn ép dễ không cần lực tác động lớn nhưng cường độ bê tông sau này không cao Ngược lại, nếu dùng hỗn hợp bê tông có độ dẻo thấp, tuy cần lực lèn ép mạnh trong thời gian dài hơn, nhưng cường độ bê tông về sau này sẽ được nâng cao

1.4.4 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường bảo dưỡng

Trong điều kiện môi trường nhiệt độ, độ ẩm cao sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cường độ trong thời gian sau này là không đáng kể Khi dưỡng hộ bê tông trong điều kiện nhiệt

ẩm cường độ bê tông tăng rất nhanh trong thời gian vài ngày đầu

1.5 Tóm tắt chương 1

Tổng quan về bê tông có sử dụng cốt liệu tái chế bắt đầu bằng việc giới thiệu về việc sử dụng bê tông tái chế ở Việt Nam và trên thế giới và tầm quan trọng của việc tái chế bê tông cũ trong ngành xây dựng Tiếp theo, chương giới thiệu về cốt liệu bê tông tái chế (RCA) và những ứng dụng của nó trong xây dựng, nhấn mạnh tác động tích cực đến môi trường và tài nguyên tự nhiên khi sử dụng RCA Sau đó, chương tập trung vào phương pháp sản xuất và phối trộn RCA, bao gồm quy trình tái chế bê tông cũ thành RCA và các yếu tố cần xem xét trong việc phối trộn RCA để tạo thành bê tông tái chế chất lượng cao Cuối cùng, điều tra các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh và kiểm soát những yếu tố này để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của bê tông tái chế trong các công trình xây dựng

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ

2.1 Cường độ bê tông cốt liệu cũ sử dụng cho công trình xây dựng

Quản lý chất lượng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đòi hỏi một quy trình kiểm tra và kiểm soát nghiêm ngặt, bắt đầu từ việc thu thập vật liệu chất thải xây dựng phù hợp cho đến giai đoạn cuối cùng của sản xuất bê tông Tính chất của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế tương tự như bê tông mới được sản xuất Do đó, các tiêu chuẩn và các bài kiểm tra để đánh giá cường độ uốn và cường độ nén có thể áp dụng cho cả hai loại bê tông này

Để đảm bảo chất lượng của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, cần thiết phải thiết lập một phương pháp hệ thống, bắt đầu từ việc lựa chọn và thu thập vật liệu chất thải xây dựng phù hợp một cách tỉ mỉ Các vật liệu chất thải thu thập được phải trải qua quá trình sắp xếp và xử lý tỉ mỉ để đảm bảo chỉ có những cốt liệu chất lượng cao, sạch và không bị nhiễm bẩn được sử dụng trong sản xuất bê tông

Sau đó, việc điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp của thiết kế bê tông cần được thực hiện một cách cẩn thận để điều chỉnh cho đúng tính chất của cốt liệu tái chế Cần chú ý kỹ lưỡng để tối ưu hóa tỷ lệ hỗn hợp để đạt được cường độ nén mong muốn, cũng như các tính chất khả năng thực hiện công việc và độ bền phù hợp

Quy trình sản xuất bê tông cần được giám sát chặt chẽ để duy trì tính nhất quán và đồng nhất trong suốt quá trình sản xuất Cần triển khai các biện pháp đảm bảo, chẳng hạn như kiểm tra và kiểm soát chất lượng thường xuyên, ở các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất để đảm bảo bê tông đáp ứng các tiêu chuẩn và thông số yêu cầu

Ngoài ra, quá trình chăm sóc và tuổi thọ cũng vô cùng quan trọng để đạt được cường độ nén và độ bền mong muốn của bê tông Cần áp dụng các kỹ thuật chăm sóc phù hợp, chẳng hạn như chăm sóc bằng nước hoặc sử dụng các chất chăm sóc, để ngăn

ngừa việc khô trước thời hạn và thúc đẩy sự phát triển đủ mạnh mẽ của cường độ trong bê tông

Trong suốt quá trình xây dựng, cần thực hiện kiểm tra và giám sát liên tục các tính chất của bê tông để đảm bảo hiệu suất của nó đáp ứng yêu cầu thiết kế dự kiến Mọi sai lệch hoặc không khớp cần được khắc phục và giải quyết kịp thời để duy trì chất lượng và tính toàn vẹn của công trình bê tông

Tóm lại, quản lý chất lượng hiệu quả cho bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đòi hỏi một phương pháp kiểm soát nghiêm ngặt và toàn diện, bao gồm việc lựa chọn vật liệu phù hợp, điều chỉnh thiết kế hỗn hợp chính xác, giám sát sản xuất chặt chẽ, áp dụng các kỹ thuật chăm sóc đúng đắn và kiểm tra và giám sát liên tục Bằng việc thực hiện những biện pháp nghiêm ngặt này, việc sử dụng cốt liệu tái chế có thể mang lại bê tông

với chất lượng và hiệu suất tương đương với bê tông thông thường

2.1.1 Cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu cũ

Tương tự như bê tông sản xuất mới, bê tông sử sụng cốt liệu cũ có thể làm việc ở những trạng thái khác nhau: nén, uốn, trượt…Trong đó bê tông cốt liệu cũ cũng làm việc ở trạng thái nén là tốt nhất Vì vậy cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu cũ là chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá chất lượng bê tông sử dụng cốt liệu cũ có đảm bảo sức chịu tải của công trình hay không Do vậy nghiên cứu cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu cũ là điều kiện tiên quyết trong việc chế tạo Theo các tiêu chuẩn đã được kiểm định về cường độ của bê tông trong xây dựng ta có thể nhận thấy:

Dựa vào cường độ chịu nén giới hạn trung bình của các mẫu bê tông hình lập phương cạnh 15cm dưỡng hộ trong vòng 28 ngày ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 27±20C độ ẩm không khí lớn hơn 90%)

Trong quá trình cứng rắn cường độ bê tông không ngừng tăng lên Từ 7 ngày đến 14 ngày cường độ phát triển nhanh, sau 28 ngày chậm dần lại và gần như theo quy luật logarit:

- Chế tạo mẫu hoặc lấy trực tiếp mẫu từ kết cấu công trình và tác dụng trực tiếp lên mẫu cho đến khi bị phá hoại Sự xuất hiện vết nứt, sự tách lớp và biến dạng là các dấu hiệu của phá hoại

- Cường độ vật liệu được tính toán từ các kết quả thí nghiệm theo công thức tương ứng với các mẫu thí nghiệm hình lập phương cạnh 15cm)

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng

Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng

suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.) Ta chia V ra nhiều miền con ve có kích thước và bậc tự do hữu hạn Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp các miền

ve

Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve

được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:

- Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút

của ve và biên của nó,

- Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục

trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau

Các miền con ve được gọi là các phần tử

Hình 2.1 Rời rạc miền tính toán

2.2.2 Nguyên lý cực tiểu hoá thế năng toàn phần

Thế năng toàn phần  của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lượng biến dạng U và công của ngoại lực tác dụng W:

Do đó năng lượng biến dạng toàn phần:

Trong đó: u là véctơ chuyển vị và Pi là lực tập trung tại nút i có chuyển vị là ui

2.2.3 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:

Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả

nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt ), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên);

Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi

Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ,

v.v.) ;

Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại

lượng theo yêu cầu

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 2.2)

Đọc dữ liệu đầu vào

- Các thông số cơ học của vật liệu - Các thông số hình học của kết cấu - Các thông số điều khiển lưới - Tải trọng tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử - Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Áp đặt điều kiện biên

(Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

Tính toán các đại lượng khác

(Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)

2.3 Thành phần vật liệu chế tạo bê tông 2.3.1 Xi măng

Xi măng là thành phần chất kết dính được sử dụng để liên kết các hạt cốt liệu với nhau, tạo nên cường độ cho bê tông Chất lượng và lượng xi măng là các yếu tố quan trọng quyết định đến cường độ chịu lực của bê tông Có nhiều loại xi măng có thể được sử dụng trong sản xuất bê tông, như xi măng Portland, xi măng Portland chịu sunfat, xi măng Portland chứa xỉ cao lò, xi măng Portland puzolan, xi măng Portland pha trộn, xi măng Portland ít tỏa nhiệt, và các loại khác phù hợp với các quy định

Khi sử dụng xi măng trong sản xuất bê tông, việc lựa chọn mác xi măng là rất quan trọng, bởi vì nó phải đảm bảo cho bê tông đạt được cường độ mong muốn cũng như đáp ứng yêu cầu kinh tế Nếu dùng xi măng mác thấp để sản xuất bê tông mác cao, sẽ cần sử dụng lượng xi măng lớn hơn cho 1m3 bê tông, làm cho việc này không kinh tế Ngược lại, nếu dùng xi măng mác cao để sản xuất bê tông mác thấp, lượng xi măng tính toán cho 1m3 bê tông sẽ giảm đi đáng kể, có thể không đủ để liên kết toàn bộ các hạt cốt liệu với nhau Ngoài ra, việc này có thể dẫn đến hiện tượng phân tầng của hỗn hợp bê tông, gây ra nhiều hậu quả xấu cho bê tông

Do đó, việc lựa chọn mác xi măng phù hợp là rất quan trọng trong sản xuất bê tông, nhằm đảm bảo bê tông đạt được cường độ mong muốn và đáp ứng mục tiêu kinh tế Cân nhắc tỉ mỉ trong việc chọn xi măng đúng đắn là yếu tố quan trọng để sản xuất

bê tông chất lượng cao và hiệu quả về chi phí

2.3.2 Nước

Nước đóng vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng của xi măng, giúp tạo ra các sản phẩm thủy hoá và làm tăng cường độ của bê tông Nước cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ lưu động cần thiết để thi công bê tông dễ dàng Nước sử dụng để chế tạo bê tông phải đảm bảo chất lượng tốt, không gây ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết và cường độ phát triển của xi măng, và không gây ăn mòn cho cốt thép

Nước được sử dụng để chế tạo bê tông nên là nước đạt tiêu chuẩn vệ sinh, chẳng hạn như nước máy hoặc nước từ nguồn giếng

Các loại nước không nên sử dụng để chế tạo bê tông bao gồm nước đọng, nước ao, nước hồ, nước cống rãnh, nước chứa dầu mỡ hoặc các chất hóa học, nước có độ pH nhỏ hơn 4 hoặc lớn hơn 12.5, và nước có chứa hợp chất hữu cơ vượt quá 15mg/l

Đảm bảo sử dụng nước phù hợp trong quá trình chế tạo bê tông là rất quan trọng để duy trì chất lượng, độ bền và cường độ mong muốn của bê tông Sử dụng nước không phù hợp có thể làm ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của bê tông, gây ra các

vấn đề về cấu trúc và suy giảm theo thời gian

2.3.3 Cát

Cát là một thành phần quan trọng trong quá trình chế tạo bê tông, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành vữa xi măng, một mật độ tổng hợp chất kết dính, để lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn như đá và sỏi Bằng cách này, cát bảo vệ các hạt cốt liệu lớn và giữ chúng lại, hình thành khối bê tông chắc chắn và bền vững

Cát dùng trong chế tạo bê tông có thể là cát tự nhiên được khai thác từ các nguồn tự nhiên như sông, hồ, hay biển, hoặc cát nhân tạo được sản xuất từ quá trình chế biến đá, sỏi, hoặc các tạp chất khác Kích thước hạt cát thường nằm trong khoảng từ 0,14mm đến 5mm, đáp ứng các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật cần thiết để đảm bảo chất lượng bê tông

Chất lượng của cát có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và tính chất của bê tông Một cát tốt phải có thành phần hạt hợp lý, ít tạp chất và độ lớn hạt phù hợp Các thành phần hạt cát ảnh hưởng trực tiếp đến độ rỗng của bê tông, tức là khoảng trống giữa các hạt cốt liệu Nếu cát có thành phần hạt tốt, độ rỗng của bê tông sẽ giảm, giúp giảm lượng xi măng cần sử dụng và đồng thời tăng cường độ cứng và cường độ chịu lực của bê tông

Việc chọn cát phù hợp và có chất lượng tốt trong chế tạo bê tông đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính đồng nhất và độ bền của bê tông Cát chất lượng

kém có thể làm giảm hiệu suất và độ bền của bê tông, gây ra các vấn đề về cấu trúc và sự suy giảm theo thời gian Để đạt được bê tông chất lượng cao và đáp ứng yêu cầu thiết kế, việc sử dụng cát chất lượng cao và tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật là điều cần

thiết và không thể thiếu

2.3.4 Đá (sỏi)

Đá và sỏi được sử dụng làm cốt liệu lớn trong quá trình chế tạo bê tông, và chúng có kích thước hạt từ 5mm đến 70mm Chức năng chính của đá và sỏi là tạo ra bộ khung chịu lực cho bê tông, cung cấp sự cứng vững và ổn định cho cấu trúc

Sỏi có một số đặc điểm quan trọng Với hạt tròn nhẵn, độ rỗng và diện tích mặt ngoài nhỏ, sỏi yêu cầu ít nước trong quá trình thi công Điều này giúp tiết kiệm chi phí và hạn chế hiện tượng bong tróc và rạn nứt trong bê tông Bên cạnh đó, sỏi dễ dàng đầm và đổ, giúp quá trình thi công trở nên thuận tiện và nhanh chóng Tuy nhiên, lực dính giữa sỏi với vữa xi măng không cao, dẫn đến cường độ của bê tông sử dụng sỏi thường thấp hơn so với bê tông dùng đá dăm

Ngoài đá dăm và sỏi, một lựa chọn khác trong quá trình chế tạo bê tông là sỏi dăm Sỏi dăm cũng có kích thước lớn tương tự như đá và sỏi, và chúng có thể thay thế một phần cốt liệu lớn khác trong bê tông Sỏi dăm cung cấp tính chất cơ học và tính

năng tương tự như sỏi, giúp bê tông đạt được cường độ và độ bền mong muốn

2.3.5 Phụ gia

Trong công nghệ chế tạo bê tông hiện nay, phụ gia được sử dụng khá phổ biến Phụ gia thường sử dụng có 2 loại: Loại rắn nhanh và loại hoạt động bề mặt

Phụ gia rắn nhanh thường là các loại muối gốc clo (ví dụ CaCl2, NaCl, FeCl3 ) hoặc là hỗn hợp của chúng Do làm tăng nhanh quá trình thủy hóa mà phụ gia rắn nhanh có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong điều kiện của bê tông trong điều kiện tự nhiên cũng như nâng cao cường độ bê tông sau khi bảo dưỡng nhiệt và ở tuổi 28 ngày