Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và định mức cấp phối vật liệu cho bê tông và vữa sử dụng cát nghiền (03/04/2026)

Cát xây dựng là một trong những vật liệu không thể thiếu trong sản xuất bê tông, chiếm khoảng 30-35% khối lượng của một mét khối bê tông. Trong nhiều thập kỷ qua, cát tự nhiên khai thác từ lòng sông, suối đã là nguồn cốt liệu mịn chủ đạo trong ngành xây dựng Việt Nam. Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa và nhu cầu xây dựng tăng nhanh đã khiến nguồn cát tự nhiên ngày càng cạn kiệt, không còn đáp ứng đủ nhu cầu thực tế. Bên cạnh đó, hoạt động khai thác cát sỏi không kiểm soát đã gây ra những hệ lụy nghiêm trọng về môi trường sinh thái và sạt lở bờ sông, buộc Chính phủ phải có các biện pháp quản lý chặt chẽ hơn.

Trước tình hình đó, Chính phủ đã giao Bộ Xây dựng chủ trì, phối hợp với Bộ Khoa học và Công nghệ nghiên cứu, phát triển các loại vật liệu xây dựng thay thế cát tự nhiên. Cát nghiền – loại cát được nghiền từ đá gốc như đá vôi, đá granit, đá bazan hoặc cuội sỏi – nổi lên như một giải pháp khả thi và bền vững, đã và đang được nhiều địa phương, doanh nghiệp đầu tư sản xuất và đưa vào sử dụng thay thế cát tự nhiên.

Tuy nhiên, thực tiễn sử dụng cát nghiền trong sản xuất bê tông đang đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật chưa được giải quyết thỏa đáng. Cát nghiền có đặc tính bề mặt hạt xù xì, góc cạnh, hàm lượng hạt mịn cao hơn cát tự nhiên, khiến hỗn hợp bê tông cần nhiều nước nhào trộn hơn, dễ mất độ sụt, khó bơm và sau khi đóng rắn thường xuất hiện nứt chân chim trên bề mặt. Ngoài ra, tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 9205:2012 về cát nghiền cho bê tông và vữa được ban hành từ năm 2012 (kế thừa từ TCXDVN 349:2005) đã lỗi thời so với thực tế sản xuất và công nghệ hiện đại. Định mức cấp phối vật liệu dùng cho bê tông và vữa sử dụng cát nghiền còn thiếu đồng bộ, mỗi địa phương tự xây dựng theo cách riêng, gây khó khăn cho việc áp dụng thống nhất trên toàn quốc.

Xuất phát từ những bất cập đó, Bộ Xây dựng đã giao Viện Vật liệu xây dựng thực hiện đề tài "Nghiên cứu hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và định mức cấp phối vật liệu cho bê tông và vữa sử dụng cát nghiền", mã số RD 18-24. Đây là nhiệm vụ khoa học có tầm quan trọng chiến lược, nhằm tạo ra hành lang kỹ thuật đầy đủ, đồng bộ, thúc đẩy việc sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên một cách bài bản và hiệu quả trên phạm vi toàn quốc.

Thí nghiệm độ lưu đông của vữa tươi theo TCVN 3121-3:2022.

Đề tài đã hệ thống hóa đầy đủ bức tranh toàn cảnh về nghiên cứu, sản xuất và sử dụng cát nghiền trên thế giới và tại Việt Nam. Trên thế giới, nhiều quốc gia phát triển như Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ đã có lịch sử sử dụng cát nghiền từ hàng chục năm trước, với hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp thiết kế cấp phối được chuẩn hóa chặt chẽ. Công nghệ sản xuất cát nghiền cũng đã trải qua quá trình tiến hóa dài từ máy nghiền búa thô sơ sang các dây chuyền hiện đại sử dụng máy nghiền côn, máy nghiền ly tâm kết hợp với hệ thống rửa và phân loại hạt, cho ra sản phẩm có hình dạng hạt tương đối tròn nhẵn và thành phần cỡ hạt kiểm soát chặt chẽ.

Tại Việt Nam, từ năm 2000 đến nay, Viện Vật liệu xây dựng đã có nhiều nghiên cứu bước đầu về cát nghiền, nhưng do hạn chế về công nghệ sản xuất thời điểm đó nên sản phẩm cát nghiền dùng cho nghiên cứu được nghiền từ máy nghiền búa của dây chuyền sản xuất đá dăm, chất lượng chưa ổn định và khác xa so với sản phẩm hiện đại. Đến nay, nhiều doanh nghiệp đã đầu tư dây chuyền thiết bị đồng bộ, hiện đại, sản xuất được cát nghiền đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát toàn diện tại nhiều cơ sở sản xuất cát nghiền trên ba miền Bắc, Trung, Nam, lấy mẫu và thử nghiệm đánh giá chất lượng ba loại đá gốc điển hình là đá vôi, đá granit và đá bazan – những loại đá đang được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất cát nghiền tại Việt Nam. Kết quả cho thấy các loại đá gốc đều có cường độ nén cao, độ hút nước thấp, đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu sản xuất cát nghiền. Các cơ sở sản xuất lớn hiện đều đầu tư dây chuyền đồng bộ, hiện đại; chất lượng cát nghiền từ các cơ sở này đều đạt tiêu chuẩn quy định. Khảo sát cũng ghi nhận nhiều phản ánh, kiến nghị từ phía doanh nghiệp liên quan đến những vướng mắc trong sản xuất và tiêu thụ cát nghiền, làm cơ sở thực tiễn quan trọng cho các đề xuất chính sách.

Nghiên cứu tính chất bê tông và vữa sử dụng cát nghiền là nội dung thực nghiệm trọng tâm của đề tài, được thực hiện với hệ thống cấp phối thí nghiệm phong phú, sử dụng các loại cát nghiền từ ba loại đá điển hình kết hợp với các tỷ lệ thay thế khác nhau so với cát tự nhiên. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bê tông sử dụng cát nghiền cần lượng nước nhào trộn cao hơn từ 8-20% so với cát tự nhiên, trong đó cát đá vôi cần tăng khoảng 8%, cát đá granit khoảng 17% và cát đá bazan khoảng 20%. Khả năng duy trì độ sụt của bê tông cát nghiền kém hơn, thời gian đông kết bắt đầu và kết thúc sớm hơn so với cát tự nhiên. Tuy nhiên, về cường độ cơ học, bê tông sử dụng cát nghiền lại cho kết quả vượt trội: cường độ nén tăng khoảng 6% với cát đá bazan, 20% với cát đá vôi và tới 26% với cát đá granit so với bê tông cát tự nhiên cùng cấp phối. Cường độ chịu kéo uốn và kéo bửa cũng cao hơn đáng kể.

Nghiên cứu còn chỉ ra rằng khi phối hợp cát nghiền và cát tự nhiên ở tỷ lệ cát nghiền thay thế từ 40-60%, tính chất thi công của hỗn hợp bê tông được cải thiện rõ rệt so với dùng 100% cát nghiền, trong khi cường độ cơ học vẫn duy trì ở mức cao. Đây là thông số kỹ thuật quan trọng để hướng dẫn thiết kế cấp phối tối ưu trong thực tế. Đối với độ bền lâu, cả ba loại cát nghiền đều không gây ra phản ứng kiềm-silic có hại; độ thấm ion clo và khả năng chống carbonat hóa tương đương hoặc tốt hơn bê tông cát tự nhiên trong hầu hết các trường hợp. Đối với vữa, cát nghiền cũng mang lại cường độ nén và cường độ uốn cao hơn vữa cát tự nhiên, tuy cần lượng nước trộn nhiều hơn từ 6-14%.

Vượt ra ngoài khuôn khổ phòng thí nghiệm, đề tài đã tổ chức sản xuất thử nghiệm cấu kiện bê tông tại nhà máy và thi công thử nghiệm bê tông tại công trình thực tế với quy mô đủ để đánh giá công nghệ. Quá trình thử nghiệm xác nhận những nhược điểm đặc thù của bê tông cát nghiền trong thực tế thi công như suy giảm độ sụt nhanh, khó bơm và nguy cơ nứt chân chim bề mặt. Trên cơ sở đó, đề tài đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật toàn diện về thiết kế cấp phối, phương pháp trộn, vận chuyển, đổ, đầm và bảo dưỡng bê tông sử dụng cát nghiền, góp phần đảm bảo chất lượng thi công ổn định trong điều kiện thực tế.

Đề tài đã thiết kế và thử nghiệm thành phần cấp phối bê tông và vữa sử dụng cát nghiền theo nhiều mác, nhiều độ sụt và nhiều loại xi măng khác nhau, tạo ra cơ sở dữ liệu thực nghiệm đủ tin cậy để xây dựng định mức cấp phối áp dụng thống nhất toàn quốc. Hệ thống định mức này khắc phục tình trạng phân tán, thiếu nhất quán giữa các địa phương như đã tồn tại trước đây, tạo điều kiện để các đơn vị xây dựng trên cả nước có thể tra cứu và áp dụng thuận tiện.

Nghiên cứu cũng đã hoàn thiện bộ tài liệu kỹ thuật về sử dụng cát nghiền. Đây là nhóm sản phẩm mang giá trị ứng dụng dài hạn của đề tài. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tích lũy, đề tài đã soát xét và hoàn thiện tiêu chuẩn TCVN 9382 về chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông sử dụng cát nghiền và tiêu chuẩn TCVN 9205 về cát nghiền dùng cho bê tông và vữa, cập nhật các yêu cầu kỹ thuật theo thực tế sản xuất và xu hướng tiêu chuẩn quốc tế hiện đại. Đồng thời, đề tài xây dựng mới tài liệu "Chỉ dẫn kỹ thuật sử dụng cát nghiền dùng cho bê tông" – tài liệu hướng dẫn kỹ thuật toàn diện, bao gồm các quy định về lựa chọn vật liệu, thiết kế cấp phối, quy trình thi công, bảo dưỡng, kiểm tra và nghiệm thu bê tông sử dụng cát nghiền.

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã hoàn thành toàn bộ mục tiêu đề ra với hệ thống kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao. Về mặt khoa học, đề tài đã làm rõ một cách định lượng và toàn diện ảnh hưởng của ba loại cát nghiền từ đá vôi, đá granit và đá bazan đến các tính chất công nghệ, cơ lý và độ bền lâu của bê tông và vữa, bao gồm cả trường hợp sử dụng thuần túy 100% cát nghiền lẫn trường hợp phối trộn với cát tự nhiên theo các tỷ lệ khác nhau. Kết quả nghiên cứu khẳng định cát nghiền hoàn toàn có thể thay thế cát tự nhiên trong sản xuất bê tông và vữa chất lượng cao, thậm chí mang lại cường độ cơ học vượt trội, với điều kiện thiết kế cấp phối hợp lý và áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp. Về mặt ứng dụng, bộ tài liệu kỹ thuật được hoàn thiện gồm dự thảo định mức cấp phối vật liệu cho bê tông và vữa sử dụng cát nghiền, dự thảo soát xét hai tiêu chuẩn TCVN 9205 và TCVN 9382, cùng tài liệu chỉ dẫn kỹ thuật sử dụng cát nghiền cho bê tông sẽ là cơ sở pháp lý và kỹ thuật quan trọng để thúc đẩy việc sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên trên quy mô toàn quốc, góp phần giải quyết bài toán khan hiếm cát xây dựng, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường sinh thái. Đề tài kiến nghị Bộ Xây dựng sớm nghiệm thu và ban hành bộ tài liệu kỹ thuật này, đồng thời nghiên cứu xây dựng các quy định bắt buộc và cơ chế chính sách khuyến khích sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên trong công trình xây dựng.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ thông tin và truyền thông Hải Phòng./.