6. Bố cục của luận văn
2.2 Phế liệu xây dựng và tái chế phế liệu xây dựng
2.2.1 Phế liệu xây dựng
Trong xu thế phát triển bền vững ở thế kỷ này, việc phát triển bền vững trong ngành xây dựng nói chung và trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng đã và đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới tập trung nghiên cứu. Ví dụ nhƣ ở Anh, Chính phủ đã đƣa ra chiến lƣợc phát triển bền vững và kế hoạch hành động trong xây dựng.
Còn ở Mỹ đã đƣa ra khái niệm về tái sử dụng và hƣớng dẫn thực hành sử dụng các sản phẩm tái chế từ phế liệu xây dựng, phá dỡ các công trình.
Phế liệu xây dựng là vật liệu đƣợc phát sinh trong quá trình phá dỡ toàn bộ hoặc bộ phận công trình xây dựng, ví dụ nhƣ các công trình hiện hữu đã đƣợc xây dựng trong một thời gian dài, chất lƣợng đã xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tiện nghi và an toàn, hoặc các công trình này không còn phù hợp với yêu cầu sử dụng hiện tại (nhƣ mở rộng sản xuất, hoặc làm văn phòng, nhà ở…). Ngoài ra cũng còn có các công trình xây dựng còn mới nhƣng xây dựng trên đất lấn chiếm, xây dựng sai với quy hoạch xây dựng, sai với giấy phép xây dựng, hoặc do giải phóng mặt bằng theo quy hoạch sử dụng đất của nhà nƣớc,…
Tùy theo mức độ lẫn các tạp chất mà phế liệu xây dựng đƣợc tái chế và sử dụng ở các dạng khác nhau Đối với hỗn hợp phế liệu xây dựng có chất lƣợng thấp, có nhiều tạp chất có thể sử dụng cho công tác san lấp mặt bằng hoặc chôn lấp (đối với phế liệu có lẫn tạp chất độc hại).
Hỗn hợp phế liệu xây dựng có chất lƣợng trung bình (nhƣ tƣờng xây gạch, hỗn hợp tƣờng xây và kết cấu bê tông, gạch ốp lát…) thì có thể tái sử dụng làm lớp nền móng đƣờng giao thông. Hỗn hợp phế liệu xây dựng chất lƣợng tốt (nhƣ bê tông xi măng) có thể tái chế làm các loại cốt liệu chất lƣợng cao sử dụng cho kết cấu móng trên hay mặt đƣờng, sản xuất vữa và bê tông. Phần hạt mịn sẽ làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất lanhke xi măng hoặc nghiền thành bột để gia cố nền đất công trình. Phần hạt mịn sẽ làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất lanhke xi măng hoặc nghiền thành bột để gia cố nền đất công trình.
Ngoài ra, phế liệu xây dựng cũng có thể sử dụng làm vật liệu trang trí cảnh quan, các chi tiết kiến trúc có màu sắc khác nhau góp phần xây dựng kiến trúc xanh (các tƣờng đá xếp, kết cấu non bộ trang tr , vách tƣờng có nƣớc chảy,...). Trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu sử dụng phế liệu có nguồn gốc từ bê tông xi măng để làm cốt liệu thay thế cốt liệu tự nhiên trong chế tạo bê tông. Đây là loại phế liệu phổ biến và có chất lƣợng tƣơng đối ổn định trong quá trình thi công, cải tạo và phá dỡ công trình xây dựng.
(Nguồn A. Allahverdi and E. Najafi Kani, 2009)
Hình 2.4 ơ đồ ìn t ứ t sử dụn PLXD tron x y dựn
2.2.2 Tái chế phế liệu trong xây dựng làm cốt liệu cũ cho bê tông
Công nghệ sản xuất cốt liệu bê tông tái chế từ phế liệu xây dựng không khác nhiều so với công nghệ sản xuất cốt liệu nghiền từ đá tự nhiên.
(Nguồn Descarrega Alexandra (2011)
Dây chuyền sản xuất gồm các loại máy nghiền, sàng, thiết bị vận chuyển và các thiết bị loại bỏ tạp chất. Phƣơng pháp cơ bản của tái chế là sử dụng máy nghiền để nghiền các mảnh vỡ phế liệu xây dựng sau đó sàng phân loại ra sản phẩm dạng hạt có k ch thƣớc yêu cầu. Việc tái chế phế liệu xây dựng cũng đòi hỏi phải có một số thiết bị chuyên dụng nhƣ máy kẹp, máy cắt và nam châm điện để loại bỏ vật liệu kim loại trong phế thải. Hiện nay có nhiều quy trình công nghệ tái chế phế liệu xây dựng làm cốt liệu với các mức độ khác nhau nhƣ sơ đồ 2.5.
(Nguồn Descarrega Alexandra, 2011)
Hình 2.6 ơ đồ ôn đoạn t ế p ế l u x y dựn
nghiền, sàng và phân loại. Công nghệ này khá đơn giản, chỉ có một máy nghiền, thƣờng là máy kẹp hàm để đập nhỏ k ch thƣớc của các mảnh phế thải lớn. Nhƣợc điểm cơ bản của dây chuyền này là không có bộ phận để loại bỏ tạp chất, nên thƣờng chỉ sử dụng tái chế các loại phế liệu xây dựng có thành phần ổn định, ít lẫn tạp chất. Ví dụ nhƣ đƣợc sử dụng trong dự án cải tạo và nâng cấp mặt đƣờng, vỉa hè hoặc tại các công trƣờng đang phá dỡ để giảm chi phí vận chuyển. Dây chuyền này cũng có thể sử dụng thêm hệ thống sàng phân loại để tách các cỡ hạt sau khi nghiền nhỏ. Quy trình sàng phân loại có thể phân chia thành chu trình kín và chu trình hở.
Công nghệ tái chế bao gồm thiết bị của dây chuyền công nghệ nhƣng có thêm bộ phận phân tách kim loại bằng từ tính và hệ thống sàng phân loại ra nhiều cỡ hạt khác nhau. Trong dây chuyền có thể có một hoặc 2 máy nghiền, một hệ thống phân loại và một bộ phận tách kim loại (sơ đồ 2.7)
(N uồn T. Bak arev, J. anjayan and Y-B. Cheny (1999)
Hình 2.7 ơ đồ trạm rửa t ế p ế l u x y dựn
2.2.3 Hiệu quả của việc tái sử dụng phế liệu xây dựng
Hiệu quả kinh tế bao gồm Tiết kiệm chi phí và lệ phí xử lý phế liệu xây dựng tại các bãi rác; vật liệu tái chế có giá thành hạ, khối lƣợng thể tích thấp nên giảm tải trọng bản thân cho kết cấu móng, giảm thiểu các chi phí vận chuyển phế thải đi và nhập khẩu vật liệu về công trình.
Hiệu quả kỹ thuật Là nguồn vật liệu tái chế có chất lƣợng đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ thuật của các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, có khả năng lèn chặt tốt do trong quá trình lu lèn, có một số hạt vật liệu có thể vỡ nhỏ và lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt khác; hiệu quả sử dụng cao do cốt liệu bê tông tái chế có khối lƣợng thể tích nhỏ hơn cốt liệu tự nhiên, nên khối lƣợng thể tích của các sản phẩm bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế giảm 8-15% so với bê tông thƣờng. Có khả năng sử dụng trong nhiều mục đ ch xây dựng khác nhau, đảm bảo các yêu cầu thiết kế của công trình.
Hiệu quả môi trƣờng việc sử dụng cốt liệu tái chế từ phế liệu xây dựng trong chế tạo bê tông sẽ làm giảm lƣợng đá, sỏi tự nhiên khai thác; tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên; không tác động đến môi trƣờng sinh thái cũng nhƣ gây ô nhiễm môi trƣờng ở khu vực khai thác; Giảm lƣợng phế liệu xây dựng tồn chứa, chôn lấp trong các bãi rác nên tiết kiệm diện tích các bãi rác chôn lấp. Việc tái chế và tái sử dụng vật liệu tại chỗ của các công trình phá dỡ sẽ giảm ô nhiễm môi trƣờng và các tác động đến cơ sở hạ tầng giao thông do giảm thiểu đƣợc quá trình vận chuyển phế thải đi và vật liệu đến công trƣờng.
2.3 Nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông cũ trong chế tạo bêtông kết c u tông kết c u
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu đặc điểm của cốt liệu, cũng nhƣ ảnh hƣởng của việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên đến các tính chất của bê tông đã đƣợc nhiều nghiên cứu đề cập (nguồn Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn Đình Cống, 2011).
Mặc dù có nhiều lợi ích về mặt môi trƣờng, nhƣng loại vật liệu này vẫn có những tính chất khác xa so với cốt liệu tự nhiên, là nguyên nhân hạn chế khả năng sử dụng rộng rãi trong xây dựng. Theo Kou S.C., độ hút nƣớc, cƣờng độ chịu nén và thành phần hạt là những yếu tố ban đầu cần xem xét khi đánh giá chất lƣợng của cốt liệu bê tông tái chế và các yếu tố này cũng có ảnh hƣởng quyết định đến các tính chất của bê tông. Vì vậy luận văn sẽ tập trung phân tích các nghiên cứu về đặc tính của hạt cốt liệu bê tông tái chế và bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế, từ đó đề xuất các hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
2.3.1 Tổng quan về cốt liệu bê tông tái chế
Tính chất của cốt liệu bê tông tái chế
Thể tích cốt liệu trong bê tông là lớn nhất (chiếm khoảng 65-80%) và đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Các tính chất chủ yếu của cốt liệu bê tông tái chế ảnh hƣởng nhiều đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông có thể kể đến nhƣ thành phần khoáng hóa, độ rỗng, thành phần hạt, độ hút nƣớc, đặc tính hình dạng và bề mặt hạt, cƣờng độ, mô đun đàn hồi…. Nguyên nhân ch nh làm giảm chất lƣợng và cốt liệu bê tông tái chế có đặc tính khác xa so với cốt liệu tự nhiên do có lớp vữa xi măng bám trên bề mặt hạt cốt liệu có hàm lƣợng lỗ rỗng lớn (Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn Đình Cống, 2011).
(Nguồn Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong and Nguyễn ìn Cống (2011)
Hình 2.8 ìn dạn ạt v t n p n ủa CLBTTC
Thành phần vật liệu của cốt liệu tái chế tƣơng tự nhƣ thành phần của phế liệu bê tông gốc, với hai thành phần ch nh là đá tự nhiên và đá nhân tạo (đá vữa, đá xi măng) (Hình 2.8). Ngoài ra còn có thể có một số tạp chất nhƣ gạch đất sét nung, sét cục, thạch cao, vật liệu hữu cơ, tạp chất thép, kính.
Các thành phần này có thể làm giảm chất lƣợng bê tông, cần phải loại bỏ. Thành phần vữa và đá xi măng thƣờng có cấu trúc rỗng xốp, kém đồng nhất và
có nhiều khuyết tật hơn so với cốt liệu tƣ nhiên. Cho nên, hàm lƣợng vữa này sẽ ảnh hƣởng lớn đến lƣợng nƣớc trộn, tính công tác và tổn thất tính công tác, khối lƣợng thể tích của hỗn hợp bê tông, tính thấm và độ bền của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế.
Nhìn chung, khi sử dụng cùng công nghệ nghiền đập và sàng phân loại thì thành phần cấp phối hạt của cốt liệu bê tông tái chế tƣơng đƣơng với của cốt liệu tự nhiên, và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu cho vữa và bê tông theo TCVN 7570 2006 và tiêu chuẩn ASTM C33.
Chất lƣợng cốt liệu lớn tái chế có thể đạt yêu cầu mà không cần rửa mặc dù có một phần hạt mịn bám trên bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế thƣờng có hình dạng không xác định, bề mặt nhám ráp, góc cạnh và rỗng xốp hơn so với cốt liệu tự nhiên. Theo Zaharrieva R. 2010 bề mặt hạt cốt liệu bê tông tái chế thƣờng có nhiều vết nứt làm tăng lƣợng nƣớc và không khí hấp thụ vào trong hạt, nhƣng lại tăng khả năng liên kết giữa đá xi măng và bề mặt hạt cốt liệu. Hansen T.C. cũng cho rằng cốt liệu nhỏ đƣợc tạo ra từ phế liệu bê tông thƣờng thô, ráp và góc cạnh hơn so với cát tự nhiên. Điều này dẫn đến làm tăng nội ma sát và giảm tính công tác của hỗn hợp cốt liệu bê tông tái chế. O’Mahony M.M cho rằng khi cốt liệu đƣợc nghiền từ hỗn hợp phế liệu tƣờng gạch, do cƣờng độ bản thân gạch thấp, nên hàm lƣợng hạt nhỏ và mịn sẽ nhiều hơn so với từ phế thải từ bê tông. Đây ch nh là lý do mà cốt liệu nhỏ tái chế thƣờng không đƣợc sử dụng để chế tạo hỗn hợp bê tông có yêu cầu tính dẻo cao và bê tông có cƣờng độ cao. Hệ thống lỗ rỗng trong bê tông cũng nhƣ hạt cốt liệu sẽ ảnh hƣởng lớn đến các tính chất của bê tông. (nguồn Nguyễn Duy Hiếu, 2010)
Độ rỗng của bê tông sử dụng cốt liệu đặc chắc và đƣợc đầm chặt tốt chủ yếu phụ thuộc vào lỗ rỗng trong đá xi măng và không kh cuốn vào trong quá trình chế tạo bê tông. (nguồn Lê Việt Hùng, 2007)
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Hình 2.9 ự p n ố k t ớ lỗ rỗn ủa ạt ốt l u tôn t ế từ
tôn t ờn , tôn t l n ao so vớ CLTN
Hạt cốt liệu bê tông tái chế có cấu tạo không đồng nhất, với các phần cấu trúc rỗng xốp khác nhau. Phần đá tự nhiên có cấu tạo tƣơng đối đặc chắc, còn phần vữa, đá xi măng và phần liên kết giữa cốt liệu tự nhiên với đá xi măng có nhiều lỗ rỗng do trong quá trình chế tạo bê tông hồ xi măng không điền đầy hoàn toàn sau khi đầm chặt bê tông và do bọt khí cuốn vào; các lỗ rỗng trong đá xi măng, độ rỗng của các loại cốt liệu bê tông tái chế lớn hơn nhiều so với cốt liệu tự nhiên chủ yếu do hàm lƣợng vữa xi măng d nh bám vào hạt cốt liệu bê tông tái chế hoặc do quá trình gia công cốt liệu. Cũng cho rằng lỗ rỗng trong hạt cốt liệu bê tông tái chế có nhiều k ch thƣớc khác nhau. (Hình 2.9 a,b).
B ng 2.2 Sự ản ởng của h thống lỗ rỗn đến tính ch t của bê tông
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2007)
Do hạt cốt liệu bê tông tái chế có cấu trúc rỗng xốp nên có khả năng hút
Loại ỗ rỗng K ch thƣớc Mô tả Ảnh hƣởng đến t nh ch t bê tông Lỗ rỗng mao quản 50nm-10 µm 10-50nm Lỗ rỗng vĩ mô Lỗ rỗng lớn trung bình T nh thấm, độ khuếch tán T nh thấm trong lỗ rỗng vĩ mô, co ngót ở độ ẩm 80% Lỗ rỗng gel 2,5-10nm 0,5-2,5 nm ≤ 0,5 nm Lỗ rỗng nhỏ Vi lỗ rỗng Lỗ rỗng giữa các gel Co ngót ở độ ẩm trong khoảng 50-80% Co ngót ở tất cả các độ ẩm
nƣớc mạnh trong quá trình trộn hỗn hợp bê tông, đây là nguyên nhân làm tăng tốc độ tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế.
Tuy nhiên, ch nh lƣợng nƣớc cốt liệu tái chế hút vào này sẽ nhả ra và thực hiện quá trình nội bảo dƣỡng đá xi măng bê tông trong quá trình rắn chắc, giúp cƣờng độ liên kết vùng tiếp xúc tăng và dẫn đến tăng cƣờng độ của bê tông.
Ngoài ra, đối với các lỗ rỗng k ch thƣớc lớn và hở, hỗn hợp hồ xi măng có thể dễ dàng xâm nhập vào sẽ làm tăng khả năng liên kết giữa bề mặt hạt cốt liệu tái chế và đá xi măng. Trên cơ sở các phân tích ở trên, cốt liệu tái luôn có độ hút nƣớc lớn hơn nhiều so với cốt liệu tƣ. Cụ thể, độ hút nƣớc của cốt liệu tái chế từ bê tông thƣờng là 3-12%, còn từ hỗn hợp phế liệu xây dựng là 20-25%, trong khi đó của cốt liệu tự nhiên chỉ là 0,5-1,2% .
Độ hút nƣớc của các loại cốt liệu tái chế khác xa nhau là do hàm lƣợng đá xi măng và lƣợng vữa dính trên bề mặt hạt cốt liệu, hàm lƣợng các thành phần có khả năng hút nƣớc cao nhƣ mảnh vỡ gạch xây và gạch ốp lát đất nung; nguồn gốc phế liệu bê tông và k ch thƣớc hạt cốt liệu bê tông tái chế (Hình 2.10).
(Nguồn Lê Vi t Hùng, 2012)
Hình 2.10 Quan ữa m l n vữa vớ độ út n ớc
Cƣờng độ của cốt liệu bê tông tái chế có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ của bê tông. Trƣớc tiên, cƣờng độ của cốt liệu thƣờng đƣợc đánh giá qua cƣờng độ đá gốc hay nói cách khác là cƣờng độ của bản thân từng hạt cốt liệu. Giá trị này phụ thuộc rất lớn vào cƣờng độ của đá tự nhiên đã dùng làm cốt liệu, tỷ lệ N/X và hàm lƣợng vữa xi măng của bê tông. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng các công trình hoặc gia công nghiền các mảnh vỡ phế liệu bê tông thành các cỡ hạt của cốt liệu cũng có thể làm xuất hiện các vết nứt trên bề mặt và trong hạt cốt liệu bê tông tái chế, ch nh điều này sẽ làm giảm cƣờng độ của hạt cốt liệu.
2.3.2 Các giải pháp nâng cao ch t ƣợng cốt liệu tái chế
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp nhằm hạn chế các nhƣợc điểm và cải thiện chất lƣợng của cốt liệu bê tông tái chế nhƣ phƣơng pháp gia công cơ học tách lớp vữa cũ phƣơng pháp hóa học ; phƣơng pháp nhiệt học phƣơng pháp hấp phụ các loại vật liệu khoáng puzơlan trên bề mặt hạt cốt liệu ,v.v… Các phƣơng pháp này cho phép nâng cao chất lƣợng cốt liệu bê tông tái chế cũng nhƣ chất lƣợng cốt liệu bê tông tái chế với các mức độ rất khác