Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu sử dụng cát nghiền nhiễm mặn làm cốt liệu cho kết cấu bê tông cốt thép dùng trong công trình dân dụng (07/04/2025)

Ở Việt Nam, nguồn cát sử dụng trong xây dựng nói chung và cát phục vụ cho chế tạo bê tông và vữa xây dựng nói riêng rất lớn, khoảng 130 triệu m3/năm.Nguồn cát cho xây dựng chủ yếu là nguồn cát tự nhiên khai thác từ các con sông, suối trên cả nước. Do trữ lượng và bồi đắp có hạn và tốc độ khai thác gia tăng liên tục nên các nguồn cát sỏi tại các dòng sông bị thiếu hụt nghiêm trọng như đánh giá của Chính phủ trong thông báo số 161/TB-VPCP ngày 24/3/2017: “Cát sỏi là nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn, việc tái tạo phải trải qua rất nhiều năm, với đà khai thác như hiện nay ở nước ta thì nguồn tài nguyên này sẽ sớm cạn kiệt”.Chính vì vậy, vấn đề đặt ra là nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu khác thay thế cát vàng cho xây dựng. Nguồn vật liệu thay thế cát vàng khai thác hiện nay có thể kể đến nguồn cát mịn, nguồn cát nhiễm mặn và nguồn cát nhân tạo (cát nghiền, tro xỉ công nghiệp…).

Năm 2019, Viện Khoa học Công nghệ được giao thực hiện đề tài độc lập cấp quốc gia “Nghiên cứu sử dụng cát nghiền nhiễm mặn làm cốt liệu cho kết cấu bê tông cốt thép dùng trong công trình dân dụng”, doTS. Nguyễn Nam Thắng làm chủ nhiệm. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: Xác định thành phần hạt, tính chất cơ lý và tính chất hóa học (trong đó có hàm lượng ion Cl-) của cát nhiễm mặn làm cốt liệu cho bê tông; Xác định một số biện pháp cơ bản bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn (cường độ nén, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, độ chống thấm bê tông….); Xác định biện pháp bảo vệ thứ cấp cho cốt thép khỏi ăn mòn: Khi sử dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu cho bê tông; Xây dựng thí điểm 1 công trình khung bê tông cốt thép nhà dân dụng 2 tầng có diện tích 50m2 sử dụng cát nhiễm mặn và sử dụng biện pháp bảo vệ hỗ trợ chống ăn mòn cho cốt thép trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài.

Cốt thép trong bê tông được bảo vệ chống ăn mòn khi sơn phủ.

Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy, hiện nay nguồn cát sông đang ngày càng khan hiếm nên trong một số trường hợp cụ thể việc sử dụng cát nhiễm mặn thay thế là cần thiết nhất là ven biển và hải đảo. Tuy nhiên, đây là một vấn đề tương đối phức tạp nên đề tài đặt ra vấn đề là nghiên cứu một cách toàn diện về cát nhiễm mặn để có thể sử dụng được cho công trình xây dựng dân dụng trong những điều kiện cụ thể thay thế nguồn cát sông đang dần cạn kiệt.Với việc đưa ra các cơ sở khoa học hợp lý đã chứng minh các lập luận về nguyên nhân ăn mòn gây hư hỏng cốt thép khi sử dụng cát nhiễm mặn cho bê tông. Đề tài đã định hướng nghiên cứu trọng tâm là: Trên cơ sở thực hiện đúng biện pháp bảo vệ cơ bản như quy định trong tiêu chuẩn TCVN 9346 :2012, đồng thời phải nghiên cứu sử dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ như tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, nâng cao cường độ bê tông, sơn phủ cốt thép, sử dụng chất ức chế ăn mòn hoặc kết hợp các biện pháp này…v.v. Trong số các biện pháp bảo vệ hỗ trợ nêu trên, đề tài lựa chọn nghiên cứu sâu biện pháp sơn phủ cốt thép và sử dụng chất ức chế ăn mòn cốt thép kết hợp với các biện pháp bảo vệ cơ bản vì cơ sở lý thuyết của 2 biện pháp này được dự báo sẽ cho hiệu quả khi bê tông bị nhiễm mặn từ đầu.

Kết quả khảo sát, nghiên cứu đánh giá vùng biển Việt Nam cho thấy cát nhiễm mặn được phân bố từ Bắc vào Nam với trữ lượng phong phú, các tính chất cơ bản như cơ lý, hóa học và một số tính chất khác về cơ bản đáp ứng yêu cầu làm cốt liệu cho bê tông ngoại trừ hàm lượng ion clorua một số loại cát lớn hơn giới hạn cho phép trong TCVN 7570: 2006. Kết quả đã phân loại được hàm lượng clorua trong cát theo 4 mức và đề xuất sử dụng cát trong 02 tiểu vùng trong môi trường khí quyển biển.

Trên cơ sở hàng chục loại cát khảo sát, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn được 03 loại cát nhiễm mặn ở: Thuận An (Huế), Trà Khúc (Quảng Ngãi) và Bãi Dài - Vân Đồn (Quảng Ninh) để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến tính chất cơ lý của bê tông các cấp độ bền B20, B30 và B45. Kết quả cho thấy: Tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng cát nhiễm mặn lớn hơn so với hỗn hợp bê tông đối chứngcùng cấp bê tông sử dụng cát vàng, dao động trong khoảng từ 20 - 50mm; Thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông sử dụng cát nhiễm mặn của các mác bê tông đều ngắn hơn so với hỗn hợp bê tông đối chứngcùng cấp bê tông sử dụng cát vàng; Độ co ngót của bê tông sử dụng cát nhiễm mặn có xu hướng nở hơn (không nhiều) so với hỗn hợp bê tông đối chứng cùng cấp; Cường độ nén và uốn của bê tông sử dụng cát nhiễm mặn vẫn tuân theo quy luật phát triển cường độ theo hàm toán logarit và có cường độ thấp hơn (không nhiều) so với cường độ bê tông đối chứng cùng cấp; Môđun đàn hồi của bê tông sử dụng cát nhiễm mặn tương đương với bê tông đối chứng cùng cấp; Về tốc độ ăn mòn cốt thép của bê tông sử dụng cát nhiễm mặn nhanh hơn so với bê tông đối chứng cùng cấp. Khi sử dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu cho bê tông thì sử dụng sơn epoxy cốt thép đặc biệt hiệu quả, kết hợp chất ức chế cho bê tông, trên cơ sở bê tông đạt cấp độ bền, chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển.

Kết quả nghiên cứu các giải pháp chống ăn mòn đã đề xuất yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng cát nhiễm mặn cho kết cấu bê tông cốt thép cho các tiểu vùng trong môi trường khí quyển biển.Để chống ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt liệu cát nhiễm mặn, trong nghiên cứu đã sử dụng kết hợp các biện pháp như nâng cao độ đặc chắc của bê tông (tăng cấp bê tông) cùng với tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ đã giảm tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông sử dụng cốt liệu cát nhiễm mặn. Đồng thời khi kết hợp các biện pháp này với sơn phủ cốt thép bằng sơn epoxy hoặc polyurethane với chiều dày tối ưu làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn cốt thép

Kết quả thử nghiệm khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép cốt liệu cát nhiễm mặn, cốt thép được sơn epoxy chống ăn mòn (nhóm 2) so với dầm bê tông cốt thép đối chứng cốt liệu cát vàng (nhóm 1) cho thấy Dầm nhóm 1 và nhóm 2 có khả năng làm việc tương đương nhau trong giai đoạn đàn hồi, ảnh hưởng của sơn epoxy chống ăn mòn cốt thép có chiều dày 175±18 µm đến yếu tố liên kết giữa cốt thép và bê tông là không đáng kể. Dầm bê tông cốt thépcốt liệu cát nhiễm mặn, cốt thép được sơn epoxy chống ăn mòn có thể được tính toán khả năng chịu uốn như dầm bê tông cốt thép thông thường theo TCVN 5574: 2018.

Từ các kết quả nghiên cứu đã ứng dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu bê tông cho Công trình nhà thí nghiệm khung bê tông cốt thép02 tầng, diện tích xây dựng 50 m2, nhà khung bê tông cốt thép, bê tông cốt liệu cát nhiễm mặn có chất ức chế ăn mòn và cốt thép được sơn epoxy chống ăn mòn, tại xã Phong Bình, huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế, công trình cấp III. Vị trí xây dựng công trình cách biển khoảng 9km nên kết cấu bị ảnh hưởng của xâm thực môi trường khí quyển biển. Công trình đã hoàn thành đưa vào sử dụng và kết quả kiểm tra bước đầu cho thấy hoàn toàn đảm bảo các tiêu chí đề ra.

Tính toán hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho thấy: Khi sử dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu cho bê tông thì chi phí chống ăn mòn cho cốt thép trong 1m3 bê tông so với cát sạch cao hơn khoảng 2,75% - 3,88% tùy cấp bê tông. Tính toán giá thành trên 1m3 bê tông có cốt thép cho thấy bê tông cát nhiễm mặn và cát vàng có chi phí tương đương nhau do cát vàng phải mua và tốn chi phí vận chuyển, cát nhiễm mặn có thể sử dụng tại chỗ nhưng phải chi phí thêm về sơn epoxy và phụ gia ức chế chống ăn mòn cốt thép, như vậy sử dụng cốt liệu cát nhiễm mặn có hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Khi sử dụng cát nhiễm mặn cho kết cấubê tông cốt thép ngoài chi phí bảo vệ chống ăn mòn cho cốt thép có thể cao hơn nhưng ý nghĩa về xã hội, môi trường có phần rất quan trọng, chưa kể sử dụng ngay vật liệu ngay tại chỗ, rút ngắn thời gian thi công và công trình đưa vào sử dụng cũng sớm hơn.

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy có thể sử dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu cho bê tông trong một số trường hợp cụ thể tại những vùng đáy biển, ven biển, đảo khan hiếm cát sạch. Trong khuôn khổ kết quả nghiên cứu của đề tài, khuyến cáo cát nhiễm mặn trước khi sử dụng cho kết cấu bê tông cốt thépphải được kiểm tra đầy đủ các tính chất cơ lý, hóa, và khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho cốt thép theo các tiêu chuẩn hiện hành trước khi áp dụng cho công trình và nên sử dụng cho môi trường khí quyển biển (ưu tiên cho kết cấu làm việc trong môi trường khô ráo). Để đảm bảo tuổi thọ thiết kế của kết cấu bê tông cốt thép dùng cát nhiễm mặn, bê tông phải đảm bảo đồng thời độ đặc chắc và chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo quy định trong tiêu chuẩn TCVN 9346:2012 và phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật bảo vệ hỗ trợ là sơn epoxy chống ăn mòn cốt thép chiều dày trung bình 175 ± 18µm kết hợp sử dụng chất ức chế ăn mòn cho bê tông. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng hoặc Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.