CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG RỖNG THOÁT NƯỚC
1.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTRTN
1.5.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTRTN trên thế giới
BTRTN đã được nghiên cứu và ứng dụng sớm nhất là ở Châu Âu. Từ thế kỷ 19, BTRTN đã được ứng dụng trong một số hạng mục như tường chịu lực, tấm panen, kết cấu mặt. Năm 1852 mới lần đầu tiên được ứng dụng ở Anh khi BTRTN được dùng để xây dựng các nhà dân dụng, với thành phần cấp phối là sỏi và xi măng. Đến Hình 1.13 Thiết lập thử nghiệm kiểm tra
tắc nghẽn [77]
năm 1923 BTRTN được sử dụng trong xây dựng 50 ngôi nhà ở Edinburgh-Scotland, rồi ở Liverpool, London và Manchester. Tại thời điểm đó thì mục đích sử dụng BTRTN chủ yếu là giảm lượng dùng vật liệu, từ đó tiết kiệm giá thành xây dựng công trình. Cho đến những năm 1940 đã có hơn 900 ngôi nhà được xây dựng từ loại bê tông rỗng này. Việc sử dụng BTRTN bắt đầu tăng nhanh kể từ sau khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2. Lí do cũng chỉ là BTRTN sử dụng ít xi măng hơn bê tông truyền thống và tại thời điểm đó, xi măng rất khan hiếm do hậu quả chiến tranh, và BTRTN là vật liệu hiệu quả nhất trong việc giảm lượng dùng xi măng. Từ đó BTRTN nhận được nhiều quan tâm và dần được sử dụng phổ biến ở nhiều nước, khu vực như:
Venezuela, Tây Phi, Australia, Nga và Trung Đông, ….
Cũng sau chiến tranh thế giới thứ hai, Mỹ không phải chịu tác động của chiến tranh nên không có tình trạng khan hiếm nguyên vật liệu xây dựng như ở Châu Âu, do vậy cho đến những năm 70 của thế kỷ XX BTRTN vẫn chưa được quan tâm. Việc đô thị hóa quá nhanh trong các khu đô thị mới ở Mỹ làm nhiều diện tích đất tự nhiên biến mất. Điều này làm cho dòng nước lũ không thấm được xuống đất nhiều nữa mà lại gây ngập lụt trong các khu vực dân cư. Điều này gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, gây ra xói mòn và giảm chất lượng nguồn nước. Lúc này, BTRTN được quan tâm và mục đích sử dụng ban đầu của loại bê tông này cũng không phải là để thay thế bê tông truyền thống trong lĩnh vực xây dựng dân dụng mà là do tính thấm nước của nó. BTRTN bắt đầu được thi công ở bang Florida, Utah và New Mexico rồi sau đó đã phát triển nhanh chóng trên toàn nước Mỹ. Những khu vực gần bờ biển của Mỹ như Florida đã ứng dụng rất thành công BTRTN để kiểm soát lượng nước mưa do các cơn bão nhiệt đới gây ra. Hàng năm có rất nhiều bão nhiệt đới với cường độ và sức phá hoại rất lớn, xong nhờ có BTRTN mà những khu vực bờ biển giáp Thái Bình Dương của Mỹ đã hạn chế được phần nào dòng nước lũ. Sau đó BTRTN được ứng dụng nhiều hơn ở miền Trung và Bắc của nước Mỹ, với mục đích là để nhanh chóng thoát nước sau khi băng tan [2]. Một số ứng dụng tiêu biểu của BTRTN được thể hiện trong các tài liệu [8, 73, 104] cụ thể như:
Bãi đỗ xe
Áo đường cứng bên ngoài các trung tâm mua sắm
Sàn nhà trong các nhà kính để giữ nước
Kết cấu tường yêu cầu tải trọng nhẹ hoặc yêu cầu cách nhiệt
Đường giao thông, tường, sàn có yêu cầu hút âm
Lớp móng trên cho tuyến phố, đường dạo, đường đi bộ
Đường đắp đầu cầu
Sàn quanh bể bơi
Đáy bể xử lý nước thải, …
Bãi đỗ xe Đường đi bộ
Đường dạo trong công viên Sân vườn trong nhà
Đường đi quanh bể bơi Đường nội bộ trong các khu đô thị Hình 1.14 Một số ứng dụng của bê tông rỗng thoát nước [8, 104]
BTRTN được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công trình giao thông, công trình ven biển, kết cấu hỗ trợ thực vật, … Tuy nhiên trong thực tế, ứng dụng hữu hiệu nhất của BTRTN là làm các kết cấu trong công trình giao thông như: vỉa hè, bãi đỗ
xe [8, 73, 104], khi đó chúng đem lại các lợi ích: Thứ nhất, BTRTN giúp đạt được chứng chỉ “Giảm thải ô nhiễm môi trường trong quá trình phát triển” (Low impact developments). BTRTN sẽ được thi công trên lớp móng đá, nhờ có lớp BTRTN mà chúng ta có thể hạn chế việc xây các hồ chứa nước ngay cạnh các khu dân cư hay các bãi đỗ xe. Bãi đỗ xe trở thành nơi chứa nước đồng thời vẫn có thể trông giữ xe, như vậy vừa tiết kiệm chi phí và tiết kiệm quỹ đất xây dựng. Thứ hai, BTRTN có thể chế tạo dễ dàng với các nguồn nguyên liệu địa phương hạ giá thành sản phẩm, đồng thời vừa có thể thi công tại chỗ vừa có thể chế tạo sẵn dạng block. Thứ ba, BTRTN có thể tái sử dụng được, nếu không sử dụng nữa thì lớp bê tông này có thể được sử dụng làm ngay lớp móng thay cho lớp đá base hoặc làm cốt liệu tái chế trong vật liệu xây dựng. Thứ tư, mặt đường BTRTN có hệ thống lỗ rỗng hở giúp giảm tiếng ồn của xe cộ, tạo môi trường yên tĩnh. Khi mưa mặt đường không có nước đọng trên bề mặt, do đó không có hiện tượng bắn nước và bị lóa của vũng nước vào ban đêm, điều này cải thiện sự thoải mái và an toàn cho lái xe.
Hiện nay, một số nước trên thế giới như: Mỹ, Nhật, Anh, ... sử dụng BTRTN có cường độ trong khoảng 20-30 MPa làm lớp áo mặt đường dùng trong các khu đô thị [46], với kết cấu đường sử dụng BTRTN thông thường như sau: Khi thiết kế mặt đường BTRTN với nhiệm vụ giữ và thoát nước, thể tích của cả lớp áo đường và lớp nền cần được cân nhắc. Xét một lớp BTRTN với độ rỗng 20%, với chiều dày lớp áo là 150 mm, có thể giữ được hơn 25 mm nước mưa. Thông thường, nếu BTRTN được đổ trên nền lớp đá base với chiều dày 150 mm thì cả kết cấu sẽ có thể chứa được khoảng 65 mm nước mưa. Chiều dày tối thiểu của lớp áo đường BTRTN được xác định dựa vào kết cấu yêu cầu của hệ thống đường. Có thể làm lớp BTRTN dày hơn hoặc lớp đá base dày hơn để tăng khả năng chứa nước mưa, nhưng lại không thỏa mãn các yêu cầu kinh tế. Nếu như yêu cầu thêm về dung tích chứa nước mưa, thì việc chứa nước mưa có thể tiến hành ngay trên bề mặt áo đường với kết cấu bao. Một dạng thiết kế áo đường BTRTN phổ biến được sử dụng bao gồm việc sử dụng nhiều lớp đất lọc. Sơ đồ được nêu trong cuốn sổ tay xử lý nước mưa của bang Georgia [74], bao gồm việc sử dụng một lớp lọc trên lớp trữ nước, và lớp trữ nước này lại ở trên
một lớp lọc khác; cuối cùng là lớp vải địa kỹ thuật và lớp nền đất. Một giải pháp nữa thiết kế áo đường BTRTN xử lý nước mưa bao gồm cả việc lắp đặt hệ thống ống thoát nước ngầm. Trong phương pháp này, nước ngầm tích trữ vẫn bị hạn chế bởi các điều kiện nền đất. Lớp áo đường BTRTN được đặt trên các ống thoát nước trên đó có đục các lỗ; các ống thoát nước rỗng này được đặt ở đáy của lớp đá base. Nước mưa thoát xuống qua lớp áo đường, qua lớp đá base và sẽ vào các ống thoát nước rỗng. Từ đó, nước mưa được thoát vào các khu vực sử lý nước. Hiệu suất xử lý nước của hệ thống này có thể lên đến 66%. Các sơ đồ trữ nước ngầm khác gồm có việc sử dụng các giếng khoan được đắp bởi cấp phối hạt gián đoạn, chảy qua lớp đất sét tới các địa tầng rỗng khác. Thiết kế tiêu biểu của hệ thống này bao gồm một lớp đá base cấp phối hạt gián đoạn nằm trên lớp đất mịn. Các giếng được đặt tuần tự để đạt được khả năng trữ nước hợp lý. Nền đất nên được làm dốc để dẫn nước đến các giếng, hiệu suất xử lý của hệ thống này tương đương với thiết kế có ống thoát nước ngầm và khả năng trữ có thể cao hơn. Nhiều phương pháp thiết kế sử dụng đều có mục đích thoát lượng nước thừa, tăng khả năng chứa và tăng thể tích thoát nước gồm có:
- Đặt các ống thoát nước rỗng ở phái trên của lớp đã trữ nước để thoát lượng nước sau khi lớp trữ nước đầy;
- Trữ nước ngay trên lớp mặt của bãi đỗ xe, hồ điều hòa, hồ chứa ;
- Thêm các lớp cát, và ống thoát nước rỗng dưới lớp trữ nước để lọc nước;
- Đặt các bể chứa nước hoặc hầm chứa dưới các lớp để chứa nước mưa, tái sử dụng.
Hình 1.15 Kết cấu bê tông thoát nước theo mô hình bang Georgia [74]
Hình 1.16 Kết cấu bê tông thoát nước theo mô hình bang Florida [74]
Hình 1.17 Một số dạng kết cấu bê tông thoát nước trong thực tế [74]
1.5.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTRTN tại Việt Nam
Ở nước ta hiện nay việc nghiên cứu về BTRTN đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm ở một số nơi như: Trường Đại học Xây dựng đã có những đề tài nghiên cứu khoa học của các nhóm sinh viên, học viên nghiên cứu một số tính chất của loại bê tông này sử dụng cốt liệu là đá mạt, nhưng cường độ còn thấp nên hạn chế khả năng ứng dụng. Năm 2008 Tác giả Nguyễn Văn Chánh tại Đại học Bách Khoa TPHCM có nghiên cứu chế tạo bê tông rỗng dùng cho các đô thị, nhưng đây mới là nghiên cứu bước đầu, chủ yếu trong phạm vi phòng thí nghiệm [3]. Năm 2012, Khoa Vật liệu Xây dựng – Trường Đại học Xây dựng có tham gia thiết kế thử nghiệm BTRTN dùng cốt liệu lớn là đá dăm vào hạng mục bãi đỗ xe, đường đi bộ của siêu thị BigC Bình Dương.
Hình 1.18 Bãi đỗ xe BigC Bình Dương ứng dụng BTRTN
Bên cạnh đó tại một số đơn vị như: Bộ giao thông vận tải, Viện khoa học công nghệ xây dựng (IBST), Đại học Kiến trúc Hà Nội, Đại học giao thông vận tải Hồ Chí Minh, Đại học Thủy Lợi, Công ty Holcim Việt Nam, ... cũng đã có những nghiên cứu bước đầu về loại bê tông này, nhưng vẫn còn có những hạn chế nhất định như: cường độ chưa cao, khả năng bong tróc lớn, chưa đánh giá hết các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và hệ số thoát nước, ...
Hiện nay để bảo vệ môi trường và hướng tới phát triển bền vững, các công trình xây dựng ở nước ta đều hướng đến công trình xanh. BTRTN là một giải pháp hữu ích để đạt được yêu cầu này. Khi sử dụng BTRTN sẽ góp phần đưa công trình đạt được Tiêu chuẩn xây dựng công trình xanh LEED. LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), là chứng chỉ ra đời năm 1995, đây là một chứng chỉ danh
giá được quốc tế công nhận để chứng nhận cho một công trình xây dựng xanh. Khi được chứng nhận LEED nghĩa là công trình đó sử dụng hiệu quả nước và năng lượng, thải ít khí CO2, có lợi cho sức khỏe, sử dụng nguồn nước hiệu quả, tận dụng tốt các nguồn tài nguyên ở địa phương. Khi sử dụng BTRTN ở nước ta sẽ đem lại cho công trình xanh một số hiệu quả là:
- Tạo không gian mở lớn nhất: BTRTN thay thế hồ điều hòa và vừa tạo ra không gian trồng cây xanh cho công trình hay vừa làm bãi đỗ xe.
- Quản lý chất lượng, số lượng hệ thống thoát nước mưa: BTRTN giúp xử lý nước mưa loại bỏ tới 80% rác và chất rắn theo dòng chảy và tận dụng lượng nước này, đồng thời làm giảm tốc độ dòng chảy hơn 25%.
- Phế thải BTRTN có thể dễ dàng tái sử dụng. Do cấu trúc rỗng xốp nên khi cấu trúc BTRTN bị phá hủy sẽ tạo ra các hạt rời rạc nên có thế tái sử dụng các hạt đá dùng làm cốt liệu cho chính BTRTN hay bê tông khác, không phải tốn nhiều diện tích đất để chôn lấp.
- BTRTN vừa có thể làm lớp kết cấu vừa lưu trữ nước cho các công trình trồng cây xanh trên mái. Điều hòa không khí và tiêu âm tốt cho một số dạng công trình cần chống ồn do có hệ thống lỗ rỗng hở thông nhau lớn.
Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng ở nước ta BTRTN chưa được ứng dụng rộng rãi, vì một số nguyên nhân như sau:
- Chưa có các nghiên cứu đầy đủ, nâng cao chất lượng của BTRTN;
- Chưa có các tiêu chuẩn hay chỉ dẫn về việc ứng dụng BTRTN;
- Ứng dụng vẫn còn nhỏ lẻ, chưa thành một hệ thống đồng bộ hỗ trợ BTRTN;
- Ý thức người sử dụng chưa cao, dễ gây hiện tượng tắc nghẽn do bụi bẩn, tạp chất, từ đó làm giảm đáng kể ưu điểm của loại bê tông này.