Với đá mạt thì lượng hạt nhỏ chủ yếu là bột do quá trình nghiền đá và đối với bê tông cát loại bột này đóng vai trò quan trọng là bột mịn-một thành phần của cốt liệu.. Bài báo này giới t
Trang 1NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT THẢI TỪ MỎ ĐÁ
LÀM CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG CÁT
NCS NGUYỄN THANH SANG
KS TRẦN LÊ THẮNG
Bộ môn Vật liệu Xây dựng Viện Khoa học & Công nghệ Xây dựng Giao thông Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Nghiên cứu tận dụng đá mạt thải từ các mỏ đá để làm cốt liệu cho bê tông cát
là một giải pháp làm sạch môi trường và giải phóng mặt bằng tại các mỏ khai thác đá Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát vàng bằng đá mạt Hóa an để làm cốt liệu cho bê tông cát Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bê tông cát sử dụng đá mạt có các tính chất
được cải thiện so với bê tông cát thông thường
Summary: Study the crushed stone wastes from quarry to use as aggregate of sand
concrete is environmental method and land cleanracing in quarry This article concerns replacing coarse sand by crushed stone wastes from Hoa an quarry to use aggregate of sand concrete Results show that characteristics of sand concrete use creshed stone wastes have
been improved than whichs of ordinary sand concrete
CT 2
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Các nước trên thế giới việc sử dụng đá mạt hay cốt liệu nghiền từ các cở sở sản xuất cốt liệu hoặc nhà máy cốt liệu, để thay thế nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt Theo các tài liệu [5], [6], [7], [8] đã sử dụng cát bồi, cát phong hóa từ đá, cát nghiền, bột đá thay thế một phần cát
tự nhiên dùng vữa xây và bê tông
Với tốc độ xây dựng công trình như hiện nay, càng ngày cốt liệu cho bê tông xi măng càng khan hiếm dần Vùng Nam bộ đang thiếu một lượng lớn cốt liệu cho bê tông xi măng, theo tài liệu [1] lượng cát có Mk ≥ 2 cần dùng trong cho bê tông năm 2010 là 9 triệu m3, đến năm 2020 tăng lên là 2,6 lần Trong khi khả năng cung cấp nguồn cát có mô đun độ lớn Mk ≥ 2 rất hạn chế thì khả năng khai thác nguồn cát có mô đun độ mịn Mk ≤ 2 khá dồi dào (khoảng 100 triệu
m3/năm [4]), và lượng đá mạt thải ở một số mỏ đá ở khu vực Bình Phước, Kiên Giang, Đồng Nai, Tây Ninh có khá nhiều
Bê tông cát là bê tông hạt nhỏ bao gồm: cát hạt lớn, cát hạt nhỏ, bột mịn, xi măng, nước và phụ gia và có thể trộn thêm đến 30% đá dăm [9] Việc sử dụng đá mạt thay thế cho cát hạt lớn
và đá dăm có thể trộn thêm vào loại bê tông này là một giải pháp tận dụng được đá mạt hiện đang dư thừa ở các cơ sở sản xuất đá Trong bê tông cát, cát là bộ khung cốt liệu, và được kéo dài dải cấp phối bằng cách sử dụng thêm chất độn mịn như bụi tro bay, xỉ lò cao, bột đá nghiền
Trang 2Cát hạt nhỏ tự nhiên thường chứa các tạp chất có hại đến bê tông, do các hạt nhỏ hơn sàng
75µm trong nó thường là các hạt sét, bùn và bụi [5], [6] Với đá mạt thì lượng hạt nhỏ chủ yếu
là bột do quá trình nghiền đá và đối với bê tông cát loại bột này đóng vai trò quan trọng là bột
mịn-một thành phần của cốt liệu Bài báo này giới thiệu nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát
vàng, cốt liệu chính cho bê tông cát, bằng đá mạt ở mỏ đá Hóa An (Đồng Nai) và dùng thêm cát
mịn Vĩnh Long và bụi đá còn trong đá mạt
II VẬT LIỆU CHẾ TẠO
Nguyên tắc chế tạo bê tông cát là giảm đường kính lớn nhất của cốt liệu (D) và kéo dài dải
hạt bằng cách cho thêm vào trong thành phần cốt liệu các chất độn mịn là các loại bột khoáng
nghiền mịn [9] Vật liệu chế tạo bê tông cát bao gồm:
2.1 Cốt liệu
Cát mịn có nguồn gốc từ Vĩnh Long có lượng hạt < 0.63mm chiếm 83%, độ hút nước
nhạt hơn màu chuẩn
Cát thô được lấy từ hồ Trị An, có thành phần hạt phân bố từ 0,075 đến 4,75mm, nhưng
hàm lượng hạt nhỏ hơn 0,3mm rất nhỏ, hàm lượng bụi bùn sét chiếm 1.3%, tạp chất hữu cơ
dùng phương pháp so màu: không thẫm hơn màu chuẩn Thành phần của hỗn hợp sử dụng được
trộn theo tỷ lệ cát thô/cát mịn là 6/4 theo khối lượng
Đá thải Hóa an sau khi phân tích thành phần có: 46% cỡ hạt từ 4,75 ÷ 9,5mm, 6,4% cỡ hạt
lọt qua sàng 75µm, và thành phần còn lại được trộn với cát mịn Vĩnh Long theo tỷ lệ là 60% đá
thải và 40% cát mịn có thành phần được ghi ra bảng sau:
CT 2
Bảng 1 Thành phần cấp phối của các loại vật liệu sử dụng
Lượng lọt sàng (%) Đường
kính sàng
mm
Cát mịn Vĩnh Long
Cát thô Trị An
Đá thải Hóa An (đã sàng)
Hỗn hợp cát mịn và cát thô
Hỗn hợp cát mịn
và đá thải
Theo ASTM C33
Thành phần của đá mạt bảng trên sau khi đã sang bỏ các hạt > 4,75mm (coi như các hạt
này là lượng đá dăm trộn vào bê tông cát) Các chỉ tiêu cơ lý của cát và đá mạt đạt yêu cầu theo
Trang 3thì có thể coi là lượng bột mịn chiếm tỷ lệ theo khối lượng là 6.4%, theo ASTM C33 là 5% với các loại cốt liệu bê tông, nhưng tỷ lệ này theo BS 822 có thể là 15% [5] Hỗn hợp cốt liệu được dùng để thí nghiệm gồm có 2 loại: hỗn hợp hai cát kí hiệu mẫu là C, hỗn hợp đá thải và cát kí hiệu mẫu là DC, được chế tạo để đánh giá các tính năng cơ học cũng như về tính độ bền Khi trộn đá mạt Hóa an với cát mịn Vĩnh Long theo tỷ lệ trên đây kết quả cho thấy rằng hỗn hợp cốt liệu này gồm: Đá 4,75÷9,5mm chiếm: 46%*60% = 27,6% theo khối lượng của hỗn hợp cốt liệu – tỷ lệ này < 30% cốt liệu lớn do đó có thể coi rằng bê tông cát loại có trộn cốt liệu lớn Hàm lượng bột trong đá thải chiếm: 6,4%*60% = 3,84 % theo khối lượng của hỗn hợp cốt liệu đây là thành phần bột mịn trong cốt liệu của bê tông cát, tuy nhiên khi sử dụng cho bê tông cát thì được trộn thêm với bột đá vôi để đảm bảo rằng lượng bột tối ưu như các nghiên cứu trước đây
2.2 Xi măng
Xi măng Nghi sơn PCB40 có khối lượng riêng là 3,1g/cm3, có tỷ diện tích bề mặt đạt: 3690 (cm2/g) và có thành phần hóa học và khoáng vật ghi trong bảng 2 và bảng 3
Bảng 2 Thành phần hóa học của xi măng Nghi Sơn PCB40
21.29 5.72 3.30 63.18 1.1 1.9 0.12 0.30 0.193
Bảng 3 Thành phần khoáng vật của xi măng Nghi Sơn PCB40
Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này tương đương với xi măng CEM I, hoặc ASTM C1157 loại I
CT 2
2.3 Các chất độn mịn
* Tro bay:
Tro bay là một phụ gia hoạt tính cao, còn được gọi là puzzolan nhân tạo, có tính puzzulan cao, thành phần của nó nó bao gồm: silic oxit, nhôm oxít, canxi oxit, mange oxit là lưu huỳnh oxít và một lượng than chưa cháy hết (gọi là hàm lượng mất khi nung) Tro bay loại F chỉ có tính pozzulan còn tro bay loại C có thêm đặc tính dính kết
Tro bay là những hạt cầu mịn, cỡ hạt 1μm đến 1000 μm, tỉ diện bề mặt 250 đến 350 m2/kg Yêu cầu về thành phần hoá học của loại tro dùng trong nghiên cứu này ghi trong bảng 4
Bảng 4 Thành phần hóa học của tro bay Phú Mỹ
Phú Mỹ Silic dioxit (SiO2) + Nhôm ôxit (Al2O3)
+ sắt ôxit (Fe2O3), min, %
70 50 94
(phương pháp sang ướt), max, %
34 34 34
Trang 4Độ mịn của tro bay được biểu thị lượng sót tích lũy trên sàng 45μm (No 325) tính bằng %
Chỉ tiêu này không vượt quá 34% đối với cả hai loại tro bay Các chỉ tiêu vật lý khác của tro bay
phải phù hợp với các qui định của tiêu chuẩn ASTM C618-03 Tro bay trong nghiên cứu này
thuộc loại F có tính pozzulan không có tính dính kết Hàm lượng tro bay có thể từ 10÷25% so
với lượng xi măng sử dụng trong bê tông cát
* Bột đá vôi:
Bột đá vôi là sản phẩm của quá trình nghiền mịn đá vôi (hơn 90% hạt lọt qua sàng 0,075)
Hàm lượng CaCO3 cao hơn 90%, có khi lên tới 97 - 99% Nó có ưu điểm là rắn chắc nhanh và
cường độ cao hơn vôi nhuyễn do tận dụng được nhiệt lượng tỏa ra khi tôi để tạo ra phản ứng
silicat Theo tài liệu [9] cho thấy lượng bột đá vôi để đảm bảo cả về độ dẻo và cường độ của bê
tông cát nên dùng là 125 ÷ 150kg
Bột mịn dùng trong nghiên cứu là bột đá vôi nghiền mịn có thành phần khoáng vật và các
thông số vật lý trình bày ở bảng sau
Bảng 5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của bột đá vôi dùng làm chất độn mịn
Các yêu cầu kỹ thuật bột đá vôi
Lượng lọt qua sàng 0.063 mm
Độ mịn Blaine
Tổng lượng khoáng (CaCO3+MgCO3)
Hàm lượng hợp chất hữu cơ
Hàm lượng ion Cl
-Hàm lượng SO3
Hàm lượng lưu huỳnh S
82%
321m2/kg
- 98%
0.1%
0.03%
0.02%
0.1%
>70 %
>220m2/kg
>90%
>65%
<0.2 %
<0.1 %
<0.15 %
<0.4 %
CT 2
2.4 Phụ gia
Phụ gia siêu dẻo được chọn là loại phụ gia đang có mặt trên thị trường Việt Nam, đó là:
Phụ gia Viscorete V-3000-10 là chất siêu dẻo gốc polyme; được dùng cho bê tông với liều
lượng 0,8 ÷ 1,5 lít cho 100 kg xi măng, chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn ASTM loại G, có khả
năng giảm nước cao, thường được dùng trong bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao
dự ứng lực, giữ độ sụt sau 90 phút, không chứa các clorua và các chất gây ăn mòn, khối lượng
thể tích 1,04÷1,07, độ pH 3,8÷5,7
2.5 Nước
Nước dùng cho bê tông cát là nước sạch theo quy định của nước dùng cho bê tông xi măng
thường
III THỰC NGHIỆM
3.1 Thành phần các hỗn hợp bê tông cát
Thành phần bê tông cát được lựa chọn sao cho đạt được độ sụt yêu cầu là 8 ÷ 10 cm, các
Trang 5Bảng 6 Thành phần cho 1m 3 bê tông cát với các loại chất độn mịn
Hỗn hợp bê tông cát
CV CFA CSF DC Lượng nước N, lít
Xi măng, (kg/ 1m3 bê tông)
Bột đá vôi (kg/ 1m3 bê tông)
Tro bay (kg / % theo kl xi măng)
Muội silic (kg / % theo kl xi măng)
Cốt liệu lớn (4.75mm÷ 9.5mm), kg
Cốt liệu nhỏ (Mk≥2), kg
Cốt liệu nhỏ (Mk<2), kg
Bột đá có trong mạt (6.4% kl mạt), kg
Phụ gia siêu dẻo (V-3000-10), lít
Tỷ lệ N/CKD
205
450
125
-
-
-
902
602
- 4.50 0.46
205
360
125 90/20
-
-
902
602
- 4.20 0.46
205
405
125
- 45/10
-
902
602
- 4.20 0.46
205
450 + 57
-
-
415
653
435
68 4.50 0.46
Ghi chú:
CV: Mẫu có bột đá vôi (đá vôi); CFA: Mẫu có tro bay; CSF: Mẫu có muội silic, DC mẫu dùng đá mạt và cát mịn
3.2 Chuẩn bị mẫu
Bê tông được trộn với thành phần vật liệu như đã trình bày ở trên, ban đầu trộn khô sau đó trộn ướt, để bảm bảo độ chặt thì bê tông được đầm trên đầm rung tiêu chuẩn
Mẫu thí nghiệm gồm: 36 mẫu trụ kích thước 150 x 300 mm để xác định cường độ chịu nén,
36 mẫu dầm kích thước 100 x 100 x 400 mm để xác định cường độ chịu kéo uốn, 12 mẫu để xác định độ mài mòn, 04 mẫu để xác định mức độ chống thấm ion clo
CT 2
Mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng ở 27°C, độ ẩm >90% Sau 24 giờ thì tháo khuôn và ngâm vào bể nước đến ngày thí nghiệm
3.3 Thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu thử bê tông
Máy nén 300T hãng ELE đã được kiểm định của Viện đo lường chất lượng, phòng Thí nghiệm VLXD Đại học Giao thông Vận tải
Các mẫu thử được thử nghiệm theo tuổi 7, 14, 28 ngày theo ASTM C39 Mẫu thử ở trạng thái khô và được làm phẳng bề mặt của mẫu Tốc độ tăng tải 5.3kN/s (tự động đặt theo máy đo Mode 1)
3.4 Thí nghiệm cường độ chịu uốn của mẫu thử bê tông
Thử nghiệm uốn mẫu theo ASTM C78-02, mẫu dầm trạng thái uốn theo kiểu 3 điểm đặt lực Tốc độ tăng tải cho thí nghiệm uốn là 0,2 kN/s
IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả thực nghiệm các tính chất của bê tông cát với các loại chất độn mịn bột đá vôi, tro bay và muội silic được thống kê trong bảng 7
Trang 6Bảng 7 Kết quả thí nghiệm các tính chất của bê tông cát với các loại chất độn mịn
Bê tông cát
CV CFA CSF DC Cường độ nén 7 ngày (MPa)
Cường độ nén 14 ngày (MPa)
Cường độ nén 28 ngày (MPa)
Cường độ kéo uốn 3 ngày (MPa)
Cường độ kéo uốn 14 ngày (MPa)
Cường độ kéo uốn 28 ngày (MPa)
Độ mài mòn (g/cm2)
Điện lượng truyền qua (Culong)
29.05 33.65 38.73 3.76 4.22 4.35 0.23
3872
31.02 40.71 41.91 3.82 4.87 4.49 0.18
1987
33.80 43.11 46.34 3.74 4.73 4.56 0.17
1578
36.85 47.71 48.49 4.30 4.61 5.12 0.19
2943
0
10
20
30
40
50
Ngày tuổi
CFA CSF DC
Hình 1 Sự tăng cường độ nén theo thời gian
của các loại bê tông cát
0 1 2 3 4 5
Ngày tuổi
CV CFA CSF DC
Hình 2 Sự tăng cường độ kéo uốn theo thời gian
Sự thay đổi cường độ theo thời gian của các loại bê tông cát thí nghiệm được trình bày ở
hình 1 và hình 2 Kết quả cho thấy cường độ của bê tông cát khi sử dụng đá mạt, tro bay và
muội đều tăng cường độ nhanh ở tuổi từ 7 đến 14 ngày Cường độ nén đạt được ở tuổi 7 ngày
của mẫu CV, CFA, CSF, DC lần lượt là: 75%, 74%, 73%, 76% so với cường độ 28 ngày tuổi
của các mẫu đó Cường độ chịu nén đạt được của bê tông cát sử dụng đá mạt ở 28 ngày tuổi cao
hơn bê tông cát sử dụng bột đá vôi, tro bay và muội lần lượt là: 1.25, 1.16, 1.05 Cường độ chịu
kéo khi uốn của bê tông cát sử dụng đá mạt ở 28 ngày tuổi cao hơn so với bê tông cát thường
chỉ có bột đá vôi, tro bay, và muội lần lượt là: 1,18; 1,14; 1,08
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Mức trung bình
Mức thấp
2 )
Hình 3 Ảnh hưởng của các loại bột và đá mạt Hình 4 Mức độ thấm ion Cl- của BTC
Trang 7Như vậy khi trộn thêm khi trộn thêm thành phần đá nhỏ (4.75÷9.5mm) cho phép cải thiện cường độ của bê tông cát tương tự nghiên cứu [9]
Quan sát trên biểu đồ hình 3 và kết quả thí nghiệm từ bảng 7 và các tài liệu nghiên cứu trước đây cho thấy rằng: Bê tông cát khi sử dụng đá mạt, tro bay và muội silic giảm đáng kể độ chống mài mòn hay nói cách khác khả năng chống mài mòn của bê tông cát được cải thiện khi
sử dụng đá mạt, tro bay hoặc muội silic Với bê tông cát sử dụng đá mạt với tỷ lệ N/X = 0.46, đá mạt 60% và 40% cát mịn cho độ mài mòn là: 0.19 g/cm2 thấp hơn so với bê tông cát với N/X
=0.46, cát thô 60% và 40% cát mịn là 83%
Mức độ chống thấm Ion Cl- của bê tông cát thấy rằng, khi sử dụng muội silic và tro bay đều làm giảm đáng kể khả năng chống thấm Ion Cl-, còn bê tông cát dùng đá mạt khả năng chống thấm Ion Cl giảm so với bê tông cát thường tuy nhiên sự thay đổi này không rõ nét Vậy muốn cải thiện khả năng chống thấm của Ion Cl- phải bê tông cát nên cho thêm vào các bột mịn hoạt tính như tro bay, muội silic, tro trấu
V KẾT LUẬN
Đá mạt dùng trong nghiên cứu, sau khi phân tích thành phần có 46% thành phần hạt trên sàng 4.75mm, 6.4% hạt nhỏ lọt sàng 75µm, phần còn lại có cấp phối hạt tương tư như cát vàng
sử dụng cho bê tông thông thường Như vậy khi sử dụng cho bê tông cát không cần loại bỏ bất
kỳ loại hạt nào mà tiến hành trộn trực tiếp đá mạt và cát mịn để thành hỗn hợp cốt liệu cho bê tông cát
CT 2
Với thành phần nghiên cứu về bê tông cát sử dụng đá mạt, bê tông cát thông thường trên đây Độ mài mòn của bê tông cát sử dụng đá mạt cải thiện so với bê tông cát thông thường Mức
độ chống thấm ion Clo của bê tông cát sử dụng đá mạt thấp hơn so với bê tông cát thông thường Vì vậy bê tông cát sử dụng đá mạt mở ra triển vọng chế tạo bê tông cát có độ bền cao Khi sử dụng thay thế một phần xi măng bằng các bột khoáng mịn hoạt tính (tro bay, muội silic) đều làm tăng khả năng chống mài mòn, giảm khả năng thấm ion clo của bê tông cát và tăng cường độ chịu nén, kéo uốn cho bê tông cát chỉ sử dụng bột đá vôi Như vậy cần có nghiên cứu xa hơn về sự kết hợp của các loại bột này trong bê tông cát để tăng độ bền cho loại bê tông này
Khi thay thế cát thô (vật liệu đang khan hiếm ở một số khu vực) bằng đá mạt (đá thải từ các
mỏ đá) trong thành phần của bê tông cát thì cải thiện đáng kể cường độ chịu nén, chịu kéo uốn của bê tông cát Cụ thể với thành phần thí nghiệm đã tiến hành của bê tông cát DC (gồm 60% đá mạt Hóa an (Đồng nai), 40% cát mịn Vĩnh Long, tỷ lệ N/X = 0.46, lượng xi măng là 450kg) thì cường độ chịu nén cao hơn 25% và kéo uốn cao hơn 18% so với bê tông cát sử dụng cát vàng
CV (gồm 60% cát vàng Trị An, 40% cát mịn Vĩnh Long, tỷ lệ N/X = 0.46, lượng xi măng là 450kg)
Trang 8Hiện nay các mỏ khai thác đá đều thải ra một lượng khoảng 25%÷40% là đá mạt, nếu tận
dụng được nguồn đá mạt thải này thì sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế và môi trường
Tài liệu tham khảo
[1] KS Nguyễn Thị Hồng, KS Tạ Khánh Hiệp (2004): Điều chỉnh quy hoạch VLXD vùng Đồng bằng
sông cửu Long, (Bà rịa Vũng Tàu, Bình Phước) đến năm 2010 Tuyển tập Các công trình NCKH công
nghệ VLXD 1999-2004, Nhà xuất bản Xây dựng 2004 trang 27
[2] TS Nguyễn Quang Cung (2004): Nghiên cứu sử dụng cát nghiền sử dụng cho bê tông và vữa xây dựng
Tuyển tập Các công trình NCKH công nghệ VLXD 1999-2004, Nhà xuất bản Xây dựng 2004 trang 97
[3] Nguyễn Viết Trung, Đinh Công Tâm (2006): Tình hình cát dùng để sản xuất bê tông cho các dự án
giao thông trong khu vực Nam bộ Tạp chí Cầu đường Việt Nam, Số 5 trang 39
[4] Tuyển tập báo cáo hội thảo xây dựng cầu đường Đông bằng Sông cửu Long năm 2006, TPHCM
[5] Tahir Celik and Khaled Marar-Turkey (1996): Effect of crushed stone dust on some properties of
concrete Cement and Concrete Research, Vol 26, No 7, pp 1121-1130
[6] V.L Bonavetti and E.F Irassar- Argentina (1994): The effect of stone dust content in sand Cement
and Concrete Research, Vol 24, No 3, pp 580-590
[7] J -K Kim, C -S Lee, C -K Park and S -H Eo (1997): The fracture characteristics of crushed
limestone sand concrete, Cement and Concrete Research, Volume 27, Issue 11, pp 1719-1729
[8] A Omoregie, O.E Alutu (2006): The influence of fine aggregate combinations on particle size
distribution, grading parameters, and compressive strength of sandcrete blocks, Canadian Journal of Civil
Engineering Volume 33, Number 10, pp 1271-1278(8)
[9] Béton de sable, caractéristiques et pratiques d’utilisation, Synthése du Projet National de Recherche et
Développement SABLOCRETE, vol 237, Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, ISBN:
CT 2
