Mục đích của bài viết này là khái quát tình trạng khai thác sử dụng cát tại Việt Nam và nghiên cứu tính chất của một số mẫu cát biển (tính chất cơ lý, thành phần hóa học) nhằm đánh giá khả năng thay thế cát tự nhiên trong bê tông xi măng.
THÔNG TIN KHOA HỌC THỰC TRẠNG KHAI THÁC SỬ DỤNG CÁT TỰ NHIÊN TẠI VIỆT NAM VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁT BIỂN TẠI MỘT SỐ VÙNG BIỂN VIỆT NAM Hồng Quốc Gia1, Trịnh Khắc Kiên2 Tóm tắt: Cát vật liệu thiếu xây dựng để sản xuất bê tông, vữa xây dựng, gạch không nung, Thực tế, Việt Nam nhu cầu cát để phục vụ cho cơng trình xây dựng ln mức cao Mục đích báo khái quát tình trạng khai thác sử dụng cát Việt Nam nghiên cứu tính chất số mẫu cát biển (tính chất lý, thành phần hóa học) nhằm đánh giá khả thay cát tự nhiên bê tơng xi măng Từ khố: Cát tự nhiên, Cát biển, Bê tông xi măng, Xâm thực clo, Xâm thực sulfate ĐẶT VẤN ĐỀ * Theo dự báo số lượng cát sử dụng xây dựng ngày tăng cao Cụ thể, năm 2015 nhu cầu cát xây dựng khoảng 92 triệu m3/năm dự kiến đến năm 2020 130 triệu m3/năm Theo thơng tin thức từ Bộ Xây dựng “Với mức độ sử dụng đến năm 2020 hết khơng cát phục vụ cơng trình xây dựng Số liệu thống kê Vụ vật liệu xây dựng tổng hợp” Ở nước ta, trước phần lớn dùng cát vàng (là cát hạt trung hạt lớn) để chế tạo bê tông xi măng, nguồn cát vàng có số nơi sông suối, nên vấn đề khai thác vận chuyển cát vàng từ nơi đến chân cơng trình khó khăn tốn Hiện nay, với việc siết chặt quản lý khai thác cát, nguồn cát tự nhiên ngày khan việc bồi lắng, tái tạo mỏ cát ngày hạn chế việc đầu tư cơng trình thủy điện thượng nguồn Đó nguyên nhân dẫn đến nguồn cát khan hiếm, đẩy giá cát liên tục tăng Thống kê cho thấy giá cát xây dựng dùng cho bê tông tăng mạnh 50% so với thời điểm năm 2017 Đặc biệt, TP.HCM, có thời điểm giá cát loại tăng đột biến lên đến 200% Chính vậy, việc tìm nguồn vật liệu BMVLXD, Khoa Cơng trình, Đại học Thủy lợi Sinh viên lớp 59CX4, Đại học Thủy lợi thay cát truyền thống để bình ổn thị trường góp phần vào việc phát triển bền vững vấn đề thời nóng có tính cấp thiết cao Để giải vấn đề có nhiều giải pháp đưa sử dụng cát nhân tạo, chế tạo bê tơng khơng cát,… Tuy nhiên nhiều lý khác nhau, giải pháp chưa chứng minh tính hiệu chưa áp dụng rộng rãi.Trong đó, cát mịn biển lại có trải dài nước, trữ lượng vô lớn nên việc nghiên cứu sử dụng cát mịn biển thay cát vàng để chế tạo bê tơng xi măng có ý nghĩa lớn vấn đề giảm giá thành xây dựng, đảm bảo tốc độ thi cơng, giảm khó khăn khâu khai thác vận chuyển miền vùng sâu, vùng xa, đặc biệt cơng trình ven biển, hải đảo, khơng làm cạn kiệt tài nguyên môi trường Vấn đề đặt phải xử lý tác nhân có hại cát biển chất lượng bê tông (xâm thực clo, sulfate) Trước việc giải vấn đề vơ khó khăn tốn nên việc sử dụng cát biển gần bất khả thi Tuy nhiên, với phát triển ngành khoa học vật liệu xây dựng với đời nhiều hệ phụ gia tiên tiến, vấn đề sử dụng cát biển cho bê tông xi măng khơng q khó khăn trước Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu cho thử nghiệm ban đầu thành công Tuy vậy, nghiên cứu dừng mức cục Việt Nam chưa có quy trình cơng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 151 nghệ áp dụng diện rộng tiêu chuẩn sử dụng cát biển làm cốt liệu cho bê tơng Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng rộng rãi cát biển để chế tạo bê tông vấn đề cấp thiết tình hình THỰC TRẠNG KHAI THÁC, SỬ DỤNG CÁT TỰ NHIÊN TẠI VIỆT NAM 2.1 Tiềm cát tự nhiên Việt Nam Hiện nay, việc đánh giá trữ lượng cát tự nhiên thực chưa đầy đủ, chưa có thống tồn quốc theo dõi, điều tra, quản lý Các số liệu hoàn toàn địa phương tự đánh giá dựa vào kết điều tra doanh nghiệp chủ yếu Mặt khác, trữ lượng cát nhiễm mặn chưa có điều tra đánh giá nên hồn tồn chưa có số liệu để quản lý Theo số liệu có trung tâm Quy hoạch nước có 331 mỏ cát với tổng trữ lượng khoảng 2.079,72 triệu m3 khác để thay cát như: cát nghiền, tro xỉ,… Ngồi phải có điều tra đánh giá tổng thể trữ lượng cát nhiễm mặn cát mỏ tỉnh có tiềm Lạng Sơn, Quảng Ninh, Sơn La,… 2.2 Nhu cầu cát cốt liệu xây dựng Cát cốt liệu xây dựng bao gồm cát chế tạo vữa bê tông, năm nước ta có nhu cầu sử dụng khoảng 120 triệu m3 cát cốt liệu Theo báo cáo hệ thống sở liệu Quy hoạch: Hiện tồn quốc có 559 sở khai thác, chế biến cát xây dựng cấp phép hoạt động với công suất đạt 28,985 triệu m3/năm Như đáp ứng 24,2% nhu cầu hàng năm Hình Dự báo nhu cầu cát cốt liệu xây dựng nước đến năm 2020 Hình Tổng hợp tài nguyên khoáng sản cát, cuội, sỏi theo vùng kinh tế - xã hội Với trữ lượng cát tự nhiên dùng để san lấp đến năm 2020 Việt Nam hết cát, dùng để làm cốt liệu chế tạo vữa bê tơng đáp ứng thêm từ 15 - 20 năm Như vậy, việc cấp bách cần thiết không dùng cát tự nhiên để san lấp, đồng thời nghiên cứu vật liệu 2.3 Nhu cầu vật liệu san lấp Hiện vật liệu san lấp dùng chủ yếu cát tự nhiên, với dự báo nhu cầu vật liệu san lấp toàn quốc giai đoạn (2016 - 2020) 2.106,5 triệu m3 đến 2.313 triệu m3 Như vậy, năm nước ta cần từ 525 triệu m3 đến 575 triệu m3 vật liệu san lấp Theo báo cáo hệ thống sở liệu Quy hoạch, tồn quốc có 71 sở khai thác cát san lấp cấp phép hoạt động với TCS khai thác đạt 4,58 triệu m3/năm, đáp ứng 1,5% nhu cầu hàng năm Bảng Dự báo nhu cầu vật liệu san lấp toàn quốc giai đoạn 2016 - 2020 STT 152 Tỉnh Tổng Vùng Đồng sông Hồng Bắc Trung Duyên hải miền trung Đồng sông Cửu Long Đông Nam Bộ Giai đoạn 2016 - 2020 (triệu m3) Từ Đến 2106,5 2313 692 720 564 655 515,5 573 335 365 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁT BIỂN CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Việc cát tự nhiên (cát sông) dần cạn kiệt dẫn đến việc sử dụng cát biển nhiều nước giới, nước Anh ví dụ điển hình nước tiên phong việc nghiên cứu ứng dụng cát biển vật liệu thô cốt liệu mịn xây dựng Trong năm 1960, chuyên gia Anh tiến hành loạt nghiên cứu việc sử dụng cát biển làm cơng trình xây dựng cụ thể cốt liệu bê tông xi măng Hơn 21 triệu cát biển sỏi chiết xuất hàng năm quanh bờ biển Anh xứ Wales từ năm 2000 đến năm 2004 Trung bình, cốt liệu có nguồn gốc từ biển chiếm khoảng 17% tổng sản lượng cốt liệu sử dụng sản xuất bê tông Anh xứ Wales Ngay từ năm 1973, cát biển trở thành nguồn nguyên liệu sản xuất bê tông Nhật Bản Trong Năm 2011, tổng số 70 triệu cốt liệu dùng để sản xuất bê tông trộn sẵn Nhật Bản cát biển chiếm 12,2% Ngoài ra, nhiều nước khác giới có nghiên cứu ứng dụng cát biển Nhìn chung, chủ đề thu hút nhiều nhà nghiên cứu giới số lượng cơng trình khoa học lĩnh vực bắt đầu tăng lên năm gần Tại Việt Nam nhìn chung việc sử dụng cát biển làm cốt liệu cho bê tông xi măng chưa áp dụng diện rộng Đã xuất vài nghiên cứu lĩnh vực “Dùng cát biển nước mặn làm bê tông chống xói lở cơng trình biển, hải đảo” hội xây dựng TP.HCM, luận án tiến sĩ “Nghiên cứu sử dụng cát biển Bình Thuận Vũng Tàu làm bê tông xi măng xây dựng đường ôtô” trường Đại học Giao thông vận tải hay đề tài nghiên cứu Đại học Bách khoa TP.HCM Tuy vậy, chưa có tiêu chuẩn hay quy trình kỹ thuật đưa NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁT BIỂN TẠI MỘT SỐ VÙNG BIỂN VIỆT NAM Để nghiên cứu ứng dụng cát biển làm cốt liệu cho bê tơng xi măng cần thiết phải nắm rõ thành phần hóa học tính chất loại cát biển cụ thể Do khn khổ nghiên cứu này, tiến hành lấy mẫu số loại cát biển vùng biển Nam Định, Ninh Thuận, Bình Định tiến hành thí nghiệm xác định tính chất lý hóa học loại Đồng thời tính chất loại cát biển so sánh với tính chất cát tự nhiên (cát sông) thường dùng để chế tạo bê tông xi măng 4.1 Thành phần hạt mođun độ lớn cát Các bước lấy mẫu, bảo quản mẫu để phân tích tiêu lý cát tuân theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7572:2006 Kết thí nghiệm thành phần hạt thể biểu đồ cấp phối hạt Ngoài kết thí nghiệm cho biết mođun độ lớn cát Bảng Mođun độ lớn loại cát thí nghiệm Loại cát Cát biển Nam Định Cát biển Bình Định Cát biển Ninh Thuận Cát sông (a) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) Mđl 1,07 1,58 1,75 2,64 (b) 153 (c) (d) Hình Biểu đồ thành phần hạt a) cát biển Nam Định; b) cát biển Bình Định; c) cát biển Ninh Thuận; d) cát sơng Kết thí nghiệm cho thấy tất loại cát biển lấy mẫu khuôn khổ nghiên cứu thuộc loại cát mịn, giá trị Mđl < 2, cát sông thuộc loại cát thô với Mđl = 2,64 Tuy nhiên giá trị Mđl cát Nam Định thấp nhiều so với cát biển thu thập khu vực miền Trung Cỡ hạt cát biển khu vực phân bố từ sàng 0,14mm đến sàng 0,63mm, cỡ hạt cát biển Nam Định tập trung sàng 0,14mm 0,315mm Nhìn chung, tất loại cát biển lấy mẫu đạt yêu cầu kỹ thuật thành phần hạt cát mịn theo TCVN7570:2006 4.2 Xác định thành phần hóa học Phân tích thành phần hố học cát dựa tiêu chuẩn Việt Nam hành (TCVN 7131:2002, TCVN 7572-15:2006, TCVN 757216:2006) để phân tích hàm lượng thành phần khoáng cát Sau tiến hành phân tích mẫu cát theo nguyên tắc trên, kết nhận số tiêu thành phần hóa học trình bày theo bảng Bảng Hàm lượng số tiêu cát biển STT 154 Tên mẫu thử Cát biển Nam Định Cát biển Bình Định Chỉ tiêu Hàm lượng nung, % Hàm lượng SiO2, % Hàm lượng Fe2O3, % Hàm lượng Al2O3, % Hàm lượng CaO, % Hàm lượng MgO, % Hàm lượng SO3, % Hàm lượng Cl-, % Tổng lượng muối hòa tan, % Hàm lượng nung, % Hàm lượng SiO2, % Hàm lượng Fe2O3, % Hàm lượng Al2O3, % Hàm lượng CaO, % Hàm lượng MgO, % Hàm lượng SO3, % Hàm lượng Cl-, % Tổng lượng muối hòa tan, % Kết thử nghiệm 0,79 91,0 0,28 0,96 1,68 0,53 0,09