CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHẾ THẢI XÂY DỰNG TÁI CHẾ
2.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng phế thải xây dựng trên thế giới và tại Việt Nam: 21 1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng phế thải xây dựng trên thế giới
2.3.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng phế thải xây dựng trên thế giới:
Việc tái chế và sử dụng PTXD đã được nghiên cứu và ứng dụng từ vài thập kỷ trở lại đây ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, các nước Châu Âu, Australia, Hồng Kông,.. Rất nhiều nước khác trên thế giới cũng đã đưa ra các tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật của vật liệu phế thải tái chế để cho phép sử dụng PTXD qua tái chế trong sản xuất các loại vật liệu xây dựng và xây dựng đường giao thông.
Bảng 2.5. Số liệu tái chế rác thải bê tông và bê tông asphalt cũ từ đường giao thông của một số nước châu âu
Nước Năm Vật liệu phế thải Triệu tấn
Số lượng Sử dụng
Thụy Điển 1999 Bê tông asphant cũ 0.8 0.76
Đan Mạch 1997
PTXD 1.5-2.0 Lượng nhỏ
Bê tông 1.06 0.9
Bê tông asphant cũ 0.82 0.82
Vật liệu gốm 0.48 0.33
Đức 1999
Bê tông asphant cũ 12 6
Vật liệu đường khác 20 11
PTXD 23 4
Bê tông asphant cũ 10.7 10.7
PTXD 9.2 9.2
Việc nghiên cứu sử dụng PTXD tái chế chủ yếu ở các dạng:
- Lớp lót, nền móng cho đường giao thông. Đây là dạng sử dụng nhiều nhất do đơn giản và dễ dàng nhất của bê tông tái chế ở Mỹ.
- Làm cốt liệu tái chế cho bê tông trộn sẵn, Làm cốt liệu tái chế cho bê tông asphant, cấu kiện bê tông cốt thép dùng trong cơ sở hạ tầng giao thông như:
lề đường, bó vỉa, cống dẫn thoát nước…
- Sản xuất gạch block, lát đường, gạch xây.
- Ổn định nền đất là sự kết hợp của các loại vật liệu tái chế, vôi, hoặc tro bay để tăng cường khả năng chịu tải của lực nền.
- Làm vật liệu trang trí cảnh quan, các chi tiết kiến trúc và màu sắc khác nhau góp phần xây dựng kiến trúc xanh.
2.3.2. Nghiên cứu và sử dụng phế thải xây dựng trong xây dựng đường giao thông trên thế giới:
Ở nhiều nước trên thế giới, vật liệu gia cố xi măng đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi làm móng nền đường.
Từ năm 1915, khi một đường ở Sarasota - Florida được xây dựng và đầm chặt bằng cách sử dụng một hỗn hợp của vỏ sò, cát và xi măng Pooc lăng, [15]. Vật liệu nền đường được gia cố bằng xi măng và hỗn hợp hạt cốt liệu lớn, cốt liệu tái chế và đất hạt mịn.
Hình 2.5 cho thấy tập hợp các loại vật liệu gia cố xi măng, [16]. Nói chung các vật liệu dạng hạt thô là thích hợp nhất để được gia cố bằng xi măng.
Hình 2.5. Các loại vật liệu gia cố xi măng, [16]
Vật liệu hạt được gia cố xi măng (VLGCX) trong nền đường được sản xuất bằng cách sử dụng vật liệu cơ bản là cốt liệu thô tự nhiên hoặc nhân tạo nghiền.
Trong những thập kỷ qua, một số cốt liệu tái chế, như bê tông nghiền (BTN) tái chế và tường xây nghiền (TXN) tái chế đã được sản xuất và sử dụng làm vật liệu xây dựng, [15]. Bất cứ loại vật liệu nào được gia cố xi măng phải thỏa mãn chủ yếu các lý do sau:
- Cải thiện tính công tác.
- Tăng cường độ của hỗn hợp.
- Nâng cao độ bền.
- Tăng cường khả năng chịu tải trọng nở ngang.
Mặc dầu VLGCX có nhiều ưu điểm khi sử dụng làm vật liệu nền móng đường, chúng vẫn có một số nhược điểm xuất phát từ bản chất vật liệu. Độ co ngót và các hiện tượng liên quan đến vết nứt được cho là ảnh hưởng lớn đến các lớp kết cấu đường có sử dụng VLGCX. Hơn nữa, độ mỏi dưới tác động của tải trọng lặp đi lặp lại và sự suy giảm dưới tác động của môi trường (chu kỳ khô/ ướt và đóng/ tan băng) là các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng trong kết cấu đường sử dụng VLGCX, [16].
Kết quả là, rất nhiều nghiên cứu đã được công bố bởi các kỹ sư cầu đường nhằm thiết kế ra các hỗn hợp VLGCX thích hợp. Người ta cho rằng nếu việc thiết kế hỗn hợp VLGCX được thực hiện một cách cẩn thận và tuân theo quy trình xây dựng thích hợp thì một số nhược điểm, chẳng hạn như độ co nứt và các ảnh hưởng của môi trường, có thể được hạn chế và kiểm soát. Hơn nữa, bằng cách tối ưu hóa thành phần hỗn hợp có thể cải thiện được độ mỏi của VLGCX.
Các hạt BTN mịn có thể được sử dụng để xây dựng đường bộ và ổn định nền đất. Forster [10] đã đề xuất rằng tiêu chuẩn ASTM có thể được sử dụng các hạt vật liệu lọt sàng No.4 (<4,75mm) trong xây dựng đường như một nguyên liệu ổn định trong các lớp nền móng đường, nhưng Arnold lại cảnh báo rằng các hạt mịn tái chế không nên sử dụng cho các lớp lót rãnh thoát nước của hè đường. Một số vật liệu xi măng gắn trên bề mặt hạt mịn dễ bị hòa tan khi nước thấm qua. Tiếp theo đó sẽ hình thành cấu trúc thoát nước trong lớp vải địa kỹ thuật sử dụng bọc các đường ống. Vì vậy sở Giao thông Vận tải Michigan không còn cho phép sử dụng thành phần hạt mịn tái chế trong lớp móng của rãnh thoát nước hè đường.
Hansen [15] chỉ ra rằng khi thành phần hạt nghiền mịn dưới 2 mm được trộn với đất sét dẻo và ướt, Hỗn hợp đất này sẽ được biến tính và cải thiện các tính chất vượt xa những ảnh hưởng cơ học thuần túy của hỗn hợp hạt sét mịn với các hạt
thô, mịn. Việc cải thiện này có lẽ là do hydroxit canxi trong các hạt nghiền mịn phản ứng với các khoáng chất của đất sét tạo thành hợp chất kết tủa. Tuy nhiên, sự cải thiện này là rất nhỏ nên nó không có giá trị thực tiễn.
Tại Mỹ:
Từ năm 1982, tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu làm bê tông theo ASTM C 33-82, đã định nghĩa cốt liệu lớn bao gồm cả bê tông xi măng thủy lực nghiền và theo tiêu chuẩn ASTM C 125-79A định nghĩa các thuật ngữ liên quan đến bê tông và cốt liệu bê tông đã định nghĩa cát nhân tạo bao gồm cả bê tông xi măng thủy lực nghiền mịn. Tương tự như vậy, Tập đoàn xây dựng quân đội Mỹ đã thay đổi các yêu cầu kỹ thuật và hướng dẫn nhằm khuyến khích việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế. Vì vậy, có thể kết luận rằng không còn bất kỳ rào cản quốc gia đối với việc sử dụng cốt liệu bê tông xi măng poóc lăng tái chế tại Hoa Kỳ, và nước Mỹ đang dần chấp nhận cốt liệu tái chế từ mặt đường bê tông như là một loại cốt liệu tiêu chuẩn và thông thường hơn là đòi hỏi các phép thử nghiệm đặc biệt cho nó.
Một số Cục đường cao tốc ở Hoa Kỳ đã xây dựng yêu cầu kỹ thuật riêng cho cốt liệu bê tông tái chế dùng xây dựng đường. Cụ thể như ở Sở Giao thông vận tải Iowa nêu các yêu cầu, [15]:
- Việc nghiền mặt đường bê tông cũ làm cốt liệu tái chế phải được đánh giá bởi các cơ quan quản lý các nhà thầu.
- Những nơi có lớp mặt đường bê tông asphalt thì lớp bê tông asphalt phải được loại bỏ trước khi loại bỏ lớp bê tông xi măng. Tuy nhiên, đối với các khu vực có lớp bê tông asphalt gắn kết dày nhỏ hơn 1 inch (24,5cm) thì có thể xem xét chấp nhận việc loại bỏ cùng với lớp bê tông xi măng.
- Trong quá trình loại bỏ các lớp đường bê tông xi măng cũ, phải được chú ý đảm bảo giảm thiểu các tạp chất của lớp bê tông lót và vật liệu nền hoặc đất.
- Quá trình công nghệ gia công bao gồm các thiết bị kiểm soát thành phần hạt mịn lọt sàng No.200 theo tiêu chuẩn ASTM không được vượt quá 5%.
- Cốt thép, nếu có, được loại ra khỏi kết cấu đường sẽ trở thành tài sản của nhà thầu và phải được loại bỏ khỏi dự án.
- Bê tông nghiền trong quá trình xử lý có thể phù hợp để sử dụng mà không cần thêm thành phần hạt cốt liệu mịn tự nhiên. Tuy nhiên, để tăng khả năng hoàn thiện và tính công tác nói chung có thể dùng cách thêm cốt liệu mịn tự nhiên với hàm lượng khoảng 25%.
- Thông thường lượng dùng cốt liệu thô và mịn từ bê tông nghiền là tương đương nhau trong sản phẩm bê tông. Tuy nhiên có thể cần phải thêm một lượng cốt liệu mịn tự nhiên nhất định để đảm bảo tính công tác khi thi công.
- Độ bền băng giá của bê tông tái chế phải phù hợp với ASTM C 666, Phương pháp B, quy đổi về 90 ngày bảo dưỡng. Giá trị độ bền quy đổi theo ASTM C-666, Phương pháp B, được coi là chấp nhận được nếu nó ≥80.
Ray, [15] đã xuất phát từ việc tái chế mặt đường bê tông của các dự án được Cục Quản lý đường cao tốc liên bang của Hoa Kỳ tài trợ. Dự án đề cập bao gồm đường cao tốc và đường sân bay. Việc sử dụng bê tông tái chế trong các lớp nền móng đường gia cố xi măng, nền bê tông nghèo xi măng (BTNXM) và đường bê tông xi măng (BTXM) cũng được đề cập.
Tại Love Field, Dallas, Texas, một đường băng mới được xây dựng trên một lớp nền đường gia cố xi măng dày 15 cm vào năm 1964. Hỗn hợp đã sử dụng 72%
cốt liệu bê tông nghiền từ hè đường cũ tại công trường, 28% cát tự nhiên và 4% xi măng theo trọng lượng, [15].
Công trình sử dụng đầu tiên sử dụng bê tông tái chế trong lớp nền đường BTNXM của dự án xây dựng đường mới được ghi nhận là ở California. Hỗn hợp BTNXM gồm BTXM và bê tông asphalt tái chế, lượng xi măng yêu cầu là 8%.
Cường độ nén trung bình ở 28 ngày đạt 5MPa.
Năm 1977 BTN được sử dụng làm cốt liệu trong lớp móng đường BTNXM cho 1 làn đường băng tại sân bay quốc tế Jacksonville, Florida. Công trình thành công đầu tiên sử dụng cốt liệu tái chế để sản xuất bê tông mới là ở Iowa vào năm
1976. Một mặt đường bê tông sau 41 năm sử dụng đã được nghiền nát để làm cốt liệu trong sản phẩm bê tông khi xây mới đường cao tốc dài 1,6 km và chiều dày 22.5 cm.
Một dự án khác ở Iowa vào năm 1978, bê tông cũ nghiền đã được sử dụng làm cốt liệu để chế tạo một đường cao tốc mới dài 27 km với chiều dày 20 cm. Hỗn hợp bê tông được sử dụng gồm 638 kg/m3 cốt liệu thô tái chế, 375 kg/m3 cốt liệu mịn tái chế, 551 kg/m3 cốt liệu mịn tự nhiên và 369 kg/m3 xi măng. Ở Connecticut vào năm 1980, một mặt đường bê tông cốt thép (BTCT) dài 300m, dày 22,5 cm được tái chế từ mặt đường BTCT sau 24 năm sử dụng. Cường độ uốn của bê tông tái chế này đạt cao hơn 3,5MPa ở tuổi 28 ngày.
Cũng trong năm 1980, sở Giao thông Vận tải Minnesota đã tái chế mặt đường bê tông thông thường dài 26km để xây mới mặt đường xa lộ. Tuy nhiên mặt đường này đã gặp lớn do các vết nứt. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng bê tông được làm từ bê tông tái chế có khả năng bền vững nếu kích thước cốt liệu lớn nhất là 19 mm. Việc sử dụng bê tông tái chế trong xây mới dự án đường này đã tiết kiệm cho sở Giao thông vận tải Minnesota hơn 600.000 USD.
Dự án đường bê tông tái chế lớn nhất cho đến nay là việc tái thiết đường cao tốc Edens ở Illinois, vào năm 1979 và 1980. Ở dự án này dài 24 km, với sáu làn xe.
Mặt đường đã được tái chế và để lại làm vật liệu thi công lớp móng dưới. Năm 1983, Sở giao thông Minnesota nhận được hai dự án trên xa lộ 15, với tổng chiều dài 17,6 km. Mặt đường của dự án này cũng gặp các vết nứt tương tự như dự án năm 1980.
Oklahoma đã trở thành tiểu bang đầu tiên tái chế toàn bộ một dự án thuộc hệ thống đường liên bang. Hồ sơ dự thầu của dự án dài 12,3 km với 4 làn xe nằm trên đường liên bang số 40 thuộc phía đông của thành phố Oklahoma. Thiết kế cơ sở của dự án gồm ba lớp nhựa đường tổng cộng 8 3/4 inch. Việc trước tiên cần loại bỏ và tái chế 220.382 km2 mặt đường bê tông thường cũ dày 9-inch. Gần 700.000 tấn cốt liệu được tái sử dụng đã tiết kiệm hàng triệu đô la trong dự án đường nối từ Xa lộ
cao tốc 22 tới xa lộ 91 ở Anaheim, California. Dự án mở rộng đường cao tốc (từ 3 đến 6 làn xe ở cả hai chiều) lúc đầu kéo dài sáu năm, nhựa và bê tông bỏ đi từ dự án dùng để xây mới phần đường mở thêm. Vật liệu này đã được dự trữ tại các khu vực khác nhau của đường cao tốc.
Tổng công ty thiết bị nghiền Dan Copp của Anaheim, California đã mang đến một máy nghiền di động cho công trường này để tái chế nhựa đường và bê tông. Dự án cải thiện đường cao tốc tiêu thụ hết 700.000 tấn vật liệu được tái chế, và bổ sung 100.000 tấn cốt liệu tái chế đã được đưa đến công trường để hoàn thành dự án. Sử dụng cốt liệu tái chế đã tiết kiệm khoảng 5 triệu USD sau khi trừ tiền thu mua và vận chuyển nguyên liệu. Vật liệu tái chế của dự án này cung cấp lợi ích kinh tế to lớn và môi trường cho xã hội: sản xuất được cốt liệu tái chế phù hợp quy mô công trường; giảm được chi phí, lệ phí xử lý bãi rác, loại bỏ các chi phi xuất nhập khẩu nguyên vật liệu; tăng hiệu quả dự án, bê tông cốt liệu tái chế có chi phí giảm 15% theo khối lượng; giảm thiểu tác động đến cơ sở hạ tầng công cộng bằng cách giảm nhập xuất vận tải đường bộ.
Tại Vương quốc Anh:
Chỉ dẫn kỹ thuật của đường cao tốc đã được ban hành năm cho phép sử dụng bê tông nghiền cho một số mục đích xây dựng và có thể được xem xét cho các mục đích khác tùy thuộc chất lượng của các hạt cốt liệu tái chế cụ thể. BTN được cho phép sử dụng trong các lĩnh vực sau, [17]:
- Công tác thoát nước: làm lớp lót và bảo vệ đường ống, san bù các kênh, mương và hệ thống tiêu thoát nước; đổ bù chỗ ống nước lồi ra hay hoàn trả mặt bằng.
- Công tác đất: lấp đầy các kết cấu, làm vật liệu bao che lên các kết cấu hoặc ổn định nền đất; lập đầy các kết cấu móng BTCT ở trên.
- Xây dựng đường: Vật liệu cho móng đường loại 1 và lọa 2 loại VLGCX có mác CBM1 và CBM2 trong định nghĩa của chỉ dẫn kỹ thuật.
Brown [15] kết luận rằng sự thay đổi tính cứng và khả năng chống lại sự co ngót là những tính chất quan trọng nhất của quá trình lèn chặt, lớp vật liệu không liên kết trong kết cấu móng đường được kiểm soát bằng lượng nước thoát ra trong quá trình đầm chặt.
Tại Hà Lan:
Khi vật liệu tái chế được sử dụng làm vật liệu cho lớp móng đường, nó phải thỏa mãn các yêu cầu nêu trong bảng 2.6, [16]. Nó cũng phải đáp ứng được thí nghiệm nén dập của Hà Lan (tương tự như thí nghiệm 10% hạt mịn) và thành phần hạt nằm trong giới hạn được nêu trong tiêu chuẩn của Hà Lan về cốt liệu móng đường giao thông thường.
Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu nền móng tái chế, [16]
Loại vật liệu
Bê tông nghiền (BTN)
Mảnh vỡ tường xây
(TXN)
Thạch cao, nhựa, cao
su
Bê tông asphalt
Vật liệu hữu cơ như gỗ,các thực
vật
BTN
≥90%(theo khối lượng)
≤ 1% (theo thể tích)
≤ 5%
(theo khối lượng)
≤ 0,1%
(theo khối lượng) Hỗn hợp
mảnh vỡ phá dỡ công trình
≥ 50%
(theo khối lượng)
≤ 50%
(theo khối lượng)
≤ 5% (theo khối lượng)
≤0,1%
(theokhối lượng)