Cát nhân tạo là gì?

? Cập nhật Bài Viết “Cát Nhân Tạo” lần cuối ngày 26 tháng 11 năm 2022 tại Địa Điểm công ty TKT Company

Cát nhân tạo, cát sản xuất, hay cát nghiền đổ bê tông là gì? Tại sao chúng ngày càng trở nên quan trọng đối với ngành xây dựng? Tại sao chúng đang thay thế cát sông tự nhiên? Các tiêu chuẩn quy định cho loại cát nhân tạo này ở Việt Nam và thế giới như thế nào? Ưu và nhược điểm của cát nhân tạo so với cát tự nhiên?

Cùng TKT Company tiếp tục chuỗi bài viết tìm hiểu về các loại cốt liệu, nguyên liệu sản xuất bê tông vô cùng đa dạng.

Trong các bài viết trước chúng ta đã tìm hiểu về đá tự nhiên, các tiêu chuẩn cát đổ bê tông, cốt liệu mịn đổ bê tông… bài này chúng ta tìm hiểu sâu về cát nhân tạo dùng cho xây dựng bao gồm: đổ bê tông, vữa xây trát…

Cùng TKT Company tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến cát nhân tạo trong bài viết sau đây.

1. Khái quát cát nghiền, cát nhân tạo là gì?

1.1. Định nghĩa cát nhân tạo, cát nghiền là gì

Các khái niệm về cát nhân tạo là gì? Có nhiều thuật ngữ có thể được sử dụng thay nhau để chỉ: cát nhân tạo, cát nghiền (manufactured sand – m sand hay artificial sand), cát nghiền (crushed sand), đá nghiền (crushed stone) còn có nhiều thuật ngữ khác thay thế như cát đá nghiền, đá nghiền, cát thay thế cát tự nhiên…

Bất cứ loại đá nào có cường độ tốt, ổn định, có thể dùng làm nguyên vật liệu xây dựng đều có thể làm nguyên vật liệu để sản xuất cát nhân tạo như: đá vôi, đá granite, cát kết hay sa thạch – sandstone, đá basalt, đá cuội, sỏi đồi, sỏi sông, mi sàng, mi bụi, Sa thạch – Sandstone, Đá phiến – Slate, đá vôi – Limestone, Đá Travertine, Mã não Onyx, Thạch Anh – Quartzite, đá vôi, đôlômit, đá bẫy (trap rock). Một lượng nhỏ đá cẩm thạch (marble), đá phiến (slate), thạch anh (quartzite) và than núi lửa (volcanic cinder).

Chúng thường từ các phụ phẩm của các quá trình chế biến đá nên có chi phí rẻ hơn cát tự nhiên, tận dụng tài nguyên, dễ dàng kiểm soát chất lượng… và là xu hướng tất yếu của phát triển hiện đại.

Đá nghiền ngoài được sử dụng làm cốt liệu trong sử dụng vật liệu xây dựng. Đây là loại sản phẩm được sản xuất nhằm thay thế cho cát tự nhiên trong tương lai.

Được sản xuất theo công nghệ va đập ở tốc độ cao làm cho đá bị vỡ ở mặt cắt yếu nhất. Đặc tính này giúp sản phẩm luôn có hình dạng tròn và có độ ma sát thấp, giúp tăng tính linh hoạt cho bê tông, chất lượng bê tông tốt ổn định.

1.2. Cát nhân tạo thay thế cát tự nhiên đã ứng dụng thực tế ở Việt Nam?

Tuy nhiên để đi vào thực tiễn, cát nhân tạo cần trải qua rất nhiều nghiên cứu, hoạt động lập pháp, pháp luật, thử nghiệm thực tế để đảm bảo:

• Ban hành các tiêu chuẩn chính thức về cát nhân tạo, cát nghiền để có thể áp dụng, đưa vào công trình.
• Thực hiện nhiều hoạt động nghiên cứu để đánh giá, so sánh chất lượng cát nhân tạo và cát tự nhiên trên tất cả các tiêu chí về: cường độ nén, uống, khả năng làm việc, khả năng chống phân tầng, độ nhớt, tính kháng ăn mòn, tính tạo bọt khí, độ bền vững…

2. Thực trạng sử dụng, khai thác, luật định về cát nhân tạo tại Việt Nam

2.1. Thực trạng khan hiếm cát tự nhiên

Theo báo cáo Bộ Tài Nguyên Môi Trường tại kỳ họp quốc hội 2022, chỉ một thời gian ngắn nữa, Việt Nam sẽ đối diện với vấn đề nguồn cung cát tự nhiên thiếu hụt trầm trọng. Do đó, việc đẩy mạnh ứng dụng cát nhân tạo (cát nghiền) là cách đi hợp lý. Vấn đề này đã được thể hiện trong Nghị quyết 46/NQ-CP.

2.2. Tiềm năng sử dụng, sản xuất cát nhân tạo

Ông Lương Văn Hùng, Vụ Vật liệu xây dựng (Bộ Xây dựng) cho hay, nước ta có nguồn tài nguyên đá xây dựng với trữ lượng lớn hàng vài chục tỷ m3 và nguồn sỏi sạn vùng biển Ðông hàng trăm tỷ m3 nên có thể thay nguồn cát tự nhiên dưới các lòng sông.

Hiện nay, một số địa phương đã đẩy mạnh sản xuất cát nghiền và nhiều công trình lớn đã dùng cát nhân tạo để thi công điển hình là Nhà máy thủy điện Đồng Nai 4, Nhà máy thủy điện Lai Châu. Đặc biệt, 95% bê tông của công trình thủy điện Sơn La sử dụng cát nhân tạo và được đánh giá cao về chất lượng.

Nhiều doanh nghiệp đã đầu tư dây chuyền sản xuất cát nhân tạo từ đá, sỏi… nhưng loại vật liệu này chưa được sử dụng nhiều trên thị trường

2.3. Rào cản phát triển cát nhân tạo, cát nghiền

1.3.1. Quy định pháp lý

Mặc dù với nhiều tính ưu việt nhưng thực tế cho thấy, cát nhân tạo đang chỉ chủ yếu dùng ở một số công trình xây dựng nhà nước, hoặc do nước ngoài đầu tư, còn đối với công trình dân dụng, dường như khái niệm cát nhân tạo vẫn còn khá mới mẻ. Nhiều công ty cung cấp cát nhân tạo cho hay, họ đã cố gắng tiếp thị nhưng cát nhân tạo thực sự chưa có chỗ đứng trên thị trường.

Do vậy công tác tuyên truyền, hướng dẫn người dân sử dụng cát nhân tạo thay thế cát tự nhiên bị hạn chế rất nhiều. Người dân giữ thói quen sử dụng cát tự nhiên trong các công trình xây dựng cho chắc ăn.

1.3.2. Sản lượng sản xuất

Bên cạnh đó, dù có chất lượng cao tuy vậy lượng cát nghiền vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu thị trường. Thống kê mới nhất cho thấy, Việt Nam có khoảng 50 công ty sản xuất cát nhân tạo, có thể cung cấp khoảng 15-20 triệu tấn/năm, chưa đạt 2/3 so với lượng cát tự nhiên được tiêu thụ. Con số này rất khiêm tốn so với khả năng sản xuất cát nhân tạo và nhu cầu thị trường.

Ngoài ra, có công ty dù đầu tư công nghệ, dây chuyền sản xuất cát nghiền nhân tạo nhưng vẫn chưa đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật hoặc chưa đưa ra đa dạng sản phẩm. Dẫn đến khó đáp ứng đủ tiêu chuẩn cho các công trình xây dựng khác nhau, mà chỉ trở thành nguyên liệu sản xuất bê tông, gạch không nung, cấp phối bê tông… đơn thuần.

1.3.2. Bài toán kép – con gà quả trứng

Pháp lý cho loại cát nhân tạo này vẫn còn vướng mắc nhiều vấn đề. Bộ Xây dựng vẫn chưa hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật cho công nghệ sản xuất ra cát nghiền, gây khó cho các doanh nghiệp.

Ông Nguyễn Trung Hiếu, Giám đốc Nhà máy Nghiền sàng đá và cát nhân tạo Việt Nam, cho biết hiện nay trong định mức cấp phối đã ban hành, mới có định mức cấp phối cho cát tự nhiên và cát vàng cho bê tông, chưa có định mức cấp phối bê tông sử dụng cát nhân tạo cụ thể.

Trong khi định mức cấp phối vật liệu sử dụng cát nghiền là căn cứ để xác định đơn giá xây dựng và dự toán xây dựng công trình. Nếu không có nội dung quy định định mức cấp phối thì cũng rất khó để ký kết và thanh quyết toán hợp đồng thi công xây dựng.

Các quy định cấp phối đối với sử dụng cát vàng đổ bê tông tự nhiên đã rất rõ ràng. Nhưng đối với cát nhân tạo thì vẫn còn xa vời.

Cấp phối quy định đối với đổ bê tông bằng cát vàng, đá, xi măng

STT	Loại vật liệu	ĐVT	Định mức (1784)
1	Xi măng PCB 40	kg	293
2	Cát vàng	m3	0,479
3	Đá 0,5×1	m3	0,846
4	Nước	lít	195

1	Xi măng PCB 40	kg	278
2	Cát vàng	m3	0,483
3	Đá 1×2	m3	0,857
4	Nước	lít	185

Cấp phối  quy định đối với mác bê tông sử dụng đá 1×2, 2×4 hoặc 4×6

Theo đại diện nhiều đơn vị sản xuất cát nhân tạo, nếu những khó khăn trong việc tiêu thụ và hành lang pháp lý không được tháo gỡ, doanh nghiệp khó có thể duy trì lâu dài hoạt động các nhà máy.

2.4. Thúc đẩy sử dụng cát nhân tạo, cát nghiền

Trên thế giới, cát nghiền đang được dùng phổ biến do có nhiều tính chất đặc biệt như hạt cát đồng đều, có thể điều chỉnh modun và tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho các loại bê tông khác nhau.

Ngoài ra, loại cát này cũng giúp tiết kiệm xi măng, nhựa đường, rút ngắn thời gian thi công và tăng tuổi thọ công trình.

Tại Ấn Độ và Trung Quốc, cát nhân tạo đã chiếm khoảng 70% lượng cát sử dụng trong xây dựng; tỷ lệ này tại Nhật Bản chiếm khoảng 90%.

Tại Việt Nam, nguồn cát tự nhiên khan hiếm gây ra khai thác cát lậu, đi cùng với đó là giá thành cát tự nhiên bị đẩy lên.

Ông Đinh Văn Nam, Giám đốc Công ty xây dựng Nam Long, chia sẻ rằng giá cát loại tốt trên thị trường có lúc lên tới 650.000-720.000 đồng/m3, nhưng nhiều khi cũng khó mua bởi nguồn cung khan hiếm.

Trong khi đó, theo các các cơ quan chức năng, do nguồn nguyên liệu dồi dào nên cát nhân tạo có giá rẻ hơn khoảng một nửa so với cát tự nhiên. Nếu đưa vào sử dụng rộng rãi sẽ giải quyết được bài toán thiếu cát xây dựng và hạn chế khai thác cát lậu, giảm chi phí xây dựng.

Tuy nhiên, để làm được, các ngành chức năng cần xây dựng hệ thống về tiêu chí, tiêu chuẩn chất lượng và quy định, hướng dẫn rõ ràng lộ trình sử dụng đối với vật liệu mới thay thế cát để người dân biết sử dụng. Tránh tâm lý lo ngại về chất lượng loại vật liệu mới có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng công trình xây dựng.

Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Địa chất và Khoáng sản (Bộ TN&MT) Lại Hồng Thanh cho hay, Nhà nước nên đưa ra định mức cũng như cách sử dụng cát nhân tạo trong các công trình xây dựng một cách cụ thể. Trong đó, đưa ra tỷ lệ phối trộn giữa cát nghiền và cát tự nhiên để giảm bớt chi phí xây dựng và giúp người dân, doanh nghiệp từng bước thấy được hiệu quả và yên tâm sử dụng.

Theo ông Lương Văn Hùng, bên cạnh những doanh nghiệp đầu tư dây chuyền sản xuất cát nghiền tiên tiến, quy mô công suất khoảng từ 100.000 – 500.000 m3/năm thì vẫn còn những doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất cát nghiền lạc hậu, nên tỷ trọng cốt liệu nghiền chưa đáp ứng được tiêu chuẩn. Do đó, ảnh hưởng đến quá trình xác định định mức cấp phối đối với cát nghiền nhân tạo để ban hành áp dụng chung.

Vì thế, bên cạnh sự vào cuộc của Nhà nước, các công ty cũng nghiêm túc đầu tư công nghệ phù hợp để bảo đảm quy trình và hiệu quả cấp phối cát nhân tạo. Tránh tình trạng lợi dụng sản xuất cát nghiền nhân tạo gây hại môi trường hoặc làm giảm tài nguyên đá, sỏi…

3. Điểm mạnh của cát nghiền, cát nhân tạo so với cát tự nhiên

3.1. So sánh theo tính lý thuyết

Bản chất của việc so sánh giữa Cát tự nhiên và Cát nhân tạo là quá trình phức tạp, phải tiến hành thực nghiệm, đối chiếu rất nhiều các thông số, đặc tính, đòi hỏi nhiều công sức và chi phí.

Sản xuất theo công nghệ va đập ở tốc độ cao làm cho đá bị vỡ ở mặt cắt yếu nhất. Đặc tính này giúp sản phẩm luôn có hình dạng tròn và có độ ma sát thấp, giúp tăng tính linh hoạt cho bê tông, chất lượng bê tông tốt ổn định.

Hạt cát đồng đều hơn, có thể điều chỉnh module và tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho các loại bê tông khác nhau (như bê tông asphalt, bê tông macrosell, bê tông xi măng, bê tông đầm lăn, bê tông mác cao đặc biệt …).

Cát nhân tạo cũng cho phép tiết kiệm xi măng, nhựa đường, rút ngắn thời gian thi công và tăng tuổi thọ công trình.

3.2. So sánh theo các thí nghiệm thực tế

Thí nghiệm cấp phối bê tông mác M55:

Thành phần	Cát sông	Cát nghiền
Xi măng	50 kg	50 kg
Cát:	75 kg	70 kg
Đá: 20 mm	75 kg	80 kg
Đá: 12 mm	37,5 kgc	35 kg
Nước	19 lít	19 lít
Cường độ đạt được sau 7 ngày	441 Kg/cm2	468,14 Kg/cm2

Từ kết quả trên có thể nhận thấy rằng cường độ bê tông tăng lên khi sử dụng cát nhân tạo.

Hàm lượng cốt liệu mịn trong cát nhân tạo tăng tính làm việc của bê tông cũng như làm bê tông đặc chắc hơn.

4. Một số tiêu chí kỹ thuật cơ bản của cát nhân tạo

4.1. Các tiêu chí kỹ thuật cần lưu ý của cát nghiền, cát nhân tạo

• Tuân thủ nghiêm ngặt các quy định tiêu chuẩn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tiêu chuẩn ASTM C-33 của Mỹ.
• Hạt cát đồng đều, có thể điều chỉnh module cũng như tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho từng loại bê tông khác nhau hoặc theo yêu cầu của khách hàng.
• Phải đạt modun theo tiêu chuẩn, có tính linh hoạt cao, công tác bảo đảm chất lượng bê tông sau khi hoàn thiện phải được thực hiện đúng quy trình..
• Thành phần các tạp chất hữu cơ, đất sét, gỗ mùn… phải được xử lý nhanh gọn và khẩn trương để quá trình đông kết của bê tông không bị ảnh hưởng.
• Phải yêu cầu về mặt chất lượng: hình dạng, độ tròn, độ mịn cần thiết phù hợp với thi công.

Cát nhân tạo có nhiều đặc điểm nổi trội hơn cát tự nhiên như: Có thể điều chỉnh mô đun độ lớn và tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho các loại bê tông khác nhau.

Cát nghiền nhân tạo có tỷ lệ thành phần hạt ổn định, độ góc cạnh lớn hơn cát tự nhiên, lượng hạt dẹt ít hơn đá mạt và có thể kiểm soát được lượng tạp chất gây hại đối với bê tông như: Bùn, sét…

Bên cạnh đó, sử dụng cát nhân tạo giúp tiết kiệm chi phí, giảm giá thành và thân thiện, bảo vệ môi trường.

4.2. Tham khảo tiêu chuẩn cát nghiền của Việt Nam TCVN 9205:2012

TCVN 9205:2012 quy định các định mức cơ bản về CÁT NGHIỀN CHO BÊ TÔNG VÀ VỮA (Crushed sand for concrete and mortar)

4.2.1. Theo giá trị mô đun độ lớn, cát nghiền được phân ra hai nhóm chính:

• Cát thô khi mô đun độ lớn trong khoảng từ lớn hơn 2,0 đến 3,3.
• Cát mịn khi mô đun độ lớn trong khoảng từ 0,7 đến 2,0.

4.2.2. Thành phần hạt của cát nghiền, biểu thị qua lượng sót tích lũy trên sàng, nằm trong phạm vi quy định trong Bảng 1.

Bảng 1 – Thành phần hạt của cát nghiền

Kích thước lỗ sàng	Lượng sót tích lũy trên sàng, % theo khối lượng	Lượng sót tích lũy trên sàng, % theo khối lượng
Từ lớn tới nhỏ	Cát thô	Cát mịn
2,5 mm	Từ 0 đến 25	0
1,25 mm	Từ 15 đến 50	Từ 0 đến 15
0,630 mm	Từ 35 đến 70	Từ 5 đến 35
0,315 mm	Từ 65 đến 90	Từ 10 đến 65
0,140 mm	Từ 80 đến 95	Từ 65 đến 85

CHÚ THÍCH:      

• Lượng sót riêng trên mỗi sàng không được lớn hơn 45 %.
• Đối với các kết cấu bê tông chịu mài mòn và chịu va đập như sàn bê tông hoặc sàn bê tông mài, hàm lượng hạt lọt qua sàng có kích thước lỗ sàng 0,140 mm không được lớn hơn 15 %.

4.2.3 Cát thô được sử dụng chế tạo bê tông và vữa. Cát mịn chỉ được sử dụng chế tạo vữa.

4.2.4. Hàm lượng hạt trên sàng có kích thước lỗ sàng 5 mm đối với cát nghiền dùng chế tạo vữa, phần trăm theo khối lượng, không lớn hơn 5 %.

4.2.5. Hàm lượng hạt lọt qua sàng có kích thước lỗ sàng 0,075 mm, phần trăm theo khối lượng, không lớn hơn:

• Đối với cát thô: 16 %
• Đối với cát mịn: 25 %

CHÚ THÍCH: Đối với các kết cấu bê tông chịu mài mòn và chịu va đập, hàm lượng hạt qua sàng có kích thước lỗ sàng 75 mm không được lớn hơn 9 %.

4.2.6. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, có thể sử dụng cát nghiền có hàm lượng hạt lọt qua sàng có kích thước lỗ sàng 0.140 mm và 0.75 mm khác với các quy định trên nếu kết quả thí nghiệm cho thấy không ảnh hưởng đến chất lượng bê tông và vữa.

4.2.7. Hàm lượng hạt sét không lớn hơn 2 %.

4.2.8. Hàm lượng clorua trong cát nghiền, tính theo ion Cl^– tan trong axit, quy định trong Bảng 2.

4.2.9. Cát nghiền được sử dụng khi khả năng phản ứng kiềm – silic của cát kiểm tra theo phương pháp hóa (TCVN 7572-14:2006) nằm trong vùng cốt liệu vô hại. Khi kết quả kiểm tra khả năng phản ứng kiềm – silic của cát nghiền nằm trong vùng có khả năng gây hại thì phải thí nghiệm kiểm tra bổ sung theo phương pháp thanh vữa (TCVN 7572-14:2006) để đảm bảo chắc chắn vô hại.

Cát nghiền được coi là không có khả năng xảy ra phản ứng kiềm – silic nếu biến dạng (e) ở tuổi 6 tháng xác định theo phương pháp thanh vữa nhỏ hơn 0,1 %.

Bảng 2 – Hàm lượng ion Cl^– trong cát nghiền

Loại bê tông và vữa	Hàm lượng ion Cl– tan trong axit, % theo khối lượng, không lớn hơn
Bê tông dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước	0,01
Bê tông dùng trong các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và vữa thông thường	0,05
CHÚ THÍCH: Cát nghiền có hàm lượng ion Cl– lớn hơn giá trị quy định ở Bảng 2 có thể được sử dụng nếu tổng hàm lượng ion Cl– trong 1 m3 bê tông từ tất cả các nguồn vật liệu chế tạo không vượt quá 0,6 kg.

5. Thị trường cát nhân tạo tại Việt Nam và giá cả

Ngày nay trên thị trường các cơ sở sản xuất với công nghệ sản xuất phải nói là thô sơ, không đáp ứng tiêu chuẩn thi công giá bán dòng sản phẩm cát nhân tạo hay cát nghiền ra thị trường với mức giá dao động thấp hơn 200.000đ/m3.

Mặc khác giá bán cát loại cát xây dựng nói chung dao động từ 100.000 đến 150.000đ/m3. Mức giá sàn của cát tự nhiên xây dựng ngày nay từ 190.000 đến 220.000đ/m3. Mức giá rẻ như trên lại được người tiêu dùng lựa chọn với mục đích duy nhất là tiết kiệm chi phí cho công trình. Điều này cho thấy cát nghiền là loại cát rất dễ bị làm giả, làm nhái, trộn lẫn với các sản phẩm khác.

Hiện nay, nhu cầu sử dụng cát trong xây dựng tăng cao, trong khi nguồn cung truyền thống (cát tự nhiên) đang ngày càng cạn kiệt. Vì vậy việc sản xuất cát nhân tạo là một “cứu cánh” cho ngành xây dựng.

Gần đây, Chính phủ và Bộ Xây dựng đã quan tâm chỉ đạo các ngành, các địa phương tăng cường quản lý, chống khai thác cát trái phép, đồng thời khuyến khích sản xuất cát nhân tạo thay thế cho cát tự nhiên.

6. Các công nghệ sản xuất cát nhân tạo phổ biến hiện nay

Hiện nay, ở Việt Nam cát nhân tạo được sản xuất và loại bỏ bụi từ 2 công nghệ phổ biến là:

6.1. Công nghệ nghiền khô

Sản phẩm cát nhân tạo được sản xuất theo công nghệ nghiền khô:

Với công nghệ sản xuất này sản phẩm nguyên vật liệu đầu vào bắt buộc phải sạch không được phép lẫn tạp chất, hệ thống phân ly sẽ tách ra thành phần cát và bột.

Giải pháp này chi phí đầu tư rất cao, quá trình vận hành nghiêm ngặt và thường kém hiệu quả như giải pháp ướt, nếu đầu tư chưa tới, hoặc nửa vời phi tiêu chuẩn công nghệ Trung Quốc.

Bên cạnh đó, khí hậu nước ta là nhiệt đới gió mùa ẩm, độ ẩm tương đối cao, việc ứng dụng công nghệ khô vào sản xuất cát là hoàn toàn không phù hợp. Một số địa phương có thử nghiệm công nghệ này như Hà Nam và Đồng Nai đều thất bại nặng nề.

6.2. Công nghệ nghiền ướt

Đặc điểm của công nghệ này không kén nguyên liệu đầu vào. Việc loại bỏ các tạp chất như đất sét, gỗ mùn, tạp chất hữu cơ khác qua quy trình rửa cát điển hình bằng thiết bị rửa trục vít xoắn sẽ tạo những sản phẩm có chất lượng cao, sạch và độ bền của bê tông được bảo đảm.

6.3. Quy trình sản xuất cát nhân tạo

Tuỳ theo ứng dụng của cát thành phẩm như cát xây dựng, cát cho bê tông, đường xá,… mỗi nhà máy sẽ có những quy trình sản xuất đặc biệt. Tuy nhiên về cơ bản, quy trình sản xuất cát nhân tạo thường trải qua các quá trình như: chọn lựa vật liệu, nghiền nhỏ qua các giai đoạn tuy thuộc vào vật liệu nghiền ban đầu, sàng lọc và rửa cát.

Theo quy trình đó mà có các thiết bị tham gia vào như: cấp liệu rụng, máy nghiền hàm, máy nghiền côn, máy nghiền cát, sàng rung phân loại, máy rửa cát,… nhằm đáp ứng các yêu cầu về module, hình dáng và không được lẫn tạp chất,…

Quy trình sản xuất cát nhân tạo

Sau khi trải qua các quá trình hoạt động của các loại máy nghiền, vật liệu ban đầu sẽ được nghiền nhỏ thành những hạt cát li ti với kích thước theo yêu cầu sau đó đi qua sàng rung phân loại.

Tại đây, những hạt cát đạt tiêu chuẩn về kích thước sẽ được băng tải chuyển đến máy rửa cát và được làm sạch.

Những hạt có kích thước lớn hơn, không đạt tiêu chuẩn sẽ được đưa trở lại máy nghiền bắt đầu quá trình nghiền cát như ban đầu.

Với quy trình sản xuất cát nhân tạo theo vòng tròn khép kín cùng dây chuyền công nghệ hiện đại, cát nhân tạo giúp khắc phục hoàn toàn các vấn đề về khan hiếm cát tự nhiên hiện nay.

7. Bài học sản xuất đá nghiền, cát nhân tạo tại Quảng Ninh

Với điều kiện tài nguyên cát tự nhiên hạn chế và ngày càng siết chặt thì việc tìm ra nguồn cung cát tại chỗ đáp ứng được nhu cầu xây dựng đang gia tăng có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của tỉnh Quảng Ninh.

Sản xuất thành công cát nghiền nhân tạo từ đá cát kết tại bãi thải mỏ đã mở ra hướng đi mới, bền vững cho ngành công nghiệp vật liệu xây dựng của tỉnh và phù hợp với nhu cầu phát triển hiện nay.

7.1. Từ những trăn trở

Đá cát kết lấy từ các bãi thải mỏ để đưa vào sản xuất cát nghiền nhân tạo

“Nhận thấy những bãi thải đất đá của ngành than có đến 42% tỷ lệ đá cát kết có thể thu hồi để tái chế thành vật liệu xây dựng, vật liệu san nền, từ năm 2015, tôi đã ấp ủ thực hiện làm cát nghiền nhân tạo. Thực tế trên thế giới, cát nhân tạo đã được sử dụng rộng rãi, mang lại hiệu quả cao. Do đó, tôi đã quyết định mang những ba lô đá sang nước ngoài để thử nghiệm, tham khảo, học tập.

Sau khi nghiên cứu ở nước ngoài về, được sự hỗ trợ và quan tâm của tỉnh, doanh nghiệp chúng tôi đã đầu tư nhập dây chuyền đưa về Quảng Ninh sản xuất cát”. Đó là câu chuyện về những trăn trở để tạo ra cát nghiền nhân tạo từ bãi thải mỏ của ông Vũ Đình Kiên – Giám đốc Công ty CP Thiên Nam, Cẩm Phả.

Với những ý nghĩa phù hợp định hướng Quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng tỉnh Quảng Ninh, từ năm 2016, Công ty CP Thiên Nam được UBND tỉnh đồng ý, cho phép đầu tư dự án thu hồi, chế biến đá cát kết tại các vị trí đầu tầng thải mỏ than khu vực bãi thải Đông Cao Sơn.

Lần đầu tiên một dây chuyền xử lý đá cát kết thành cát nhân tạo đã được đưa về Việt Nam và đặt tại bãi thải lớn của vùng than Cẩm Phả – nơi mà hàng năm lượng đất đá từ các mỏ thải ra khoảng 32-36 triệu tấn và phải tốn rất nhiều chi phí cho việc xử lý thải.

Ở giai đoạn 1, Công ty CP Thiên Nam đã đầu tư dây chuyền nghiền sàng, phân loại sản phẩm với tổng mức đầu tư hơn 280 tỷ đồng, công  suất  550 tấn/giờ/dây chuyền.  Những mẻ cát nghiền đầu tiên ra đời trong niềm vui và hy vọng mới. Giờ đây, ngay trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh, từ những bãi thải tưởng không còn tác dụng lại có thể sản xuất ra được vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, phục vụ nhu cầu xây dựng trên địa bàn tỉnh đang ngày càng gia tăng.

7.2. Quy trình sản xuất cát nghiền từ đá cát kết

Đất đá thải được đổ vào máy cấp liệu rung, sau đó được tách ra ngoài theo băng chuyền về khu vực máy đập thô và tiếp tục được đưa vào máy kẹp hàm và máy nghiền phản kích. Sau công đoạn nghiền, đá sẽ được sàng phân loại theo các kích cỡ khác nhau, rồi chuyển qua máy nghiền cát.

Quá trình này làm cho vật liệu va đập chuyển động tương hỗ với tốc độ cao, ma sát giữa các nguyên liệu tạo thành sản phẩm cát thô. Sản phẩm tạo ra là những hạt cát 0-4mm được cấp vào máy rửa cát để loại bỏ tạp chất.

7.3. Cát nhân tạo đạt chuẩn

Thế nhưng, “vạn sự khởi đầu nan”! Sản phẩm cát nghiền nhân tạo ban đầu của Công ty CP Thiên Nam chưa đảm bảo được tiêu chuẩn theo quy định, bởi dây chuyền nhập từ nước ngoài chỉ có thể xử lý đá cát kết, còn đất đá thải đầu vào tại bãi thải Đông Cao Sơn lại lẫn một lượng sét kết lớn.

Trăn trở về sản phẩm của mình, vị giám đốc của Công ty CP Thiên Nam đã tiến hành nhiều cải tiến trong quy trình sản xuất. Đáng lưu ý nhất, để làm sạch hạt cát, so với dây chuyền nhập từ nước ngoài, ông Vũ Đình Kiên đã tự sáng tạo và đặt hàng đơn vị tại Việt Nam chế tạo sàng quay đưa vào hoạt động trong dây chuyền.

Dưới áp lực nước và cơ chế hoạt động của sàng quay như một chiếc lồng giặt, bùn sét lẫn trong đá thải đã được rửa, hàm lượng chỉ còn 0,96%, thấp hơn rất nhiều so với quy định, đảm bảo độ sạch của cát thành phẩm.

Cho đến thời điểm hiện tại, tổng mức đầu tư và cải tiến kĩ thuật dây chuyền sản xuất cát nghiền nhân tạo  của công ty đã lên tới hơn 300 tỷ đồng, từ đó mới có thể cho ra những hạt cát sạch nhất.

Sau những nỗ lực để sản xuất ra sản phẩm, được sự hướng dẫn của các sở, ngành liên quan, Công ty CP Thiên Nam đã chủ động đưa cát nghiền đi giám định chất lượng.

Đến nay, sản phẩm cát nghiền cho bê tông và vữa của Thiên Nam đã được Viện Vật liệu (Bộ Xây dựng) giám định chất lượng đạt TCVN 9025-2012, được Tổ chức chứng nhận Vinacontrol cấp Giấy chứng nhận hợp quy sản phẩm QRCM0546 ngày 4/7/2017 và Giấy chứng nhận hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001:2015 QSV0722 ngày 4/7/2017.

Và gần đây nhất, ngày 7/6/2017, là chứng nhận đạt tiêu chuẩn TCVN 7570:2006.

Ông Nguyễn Mạnh Tuấn – Phó giám đốc Sở Xây dựng Quảng Ninh cho biết: Qua việc lấy mẫu thí nghiệm độc lập, các sản phẩm cát nghiền của Công ty CP Thiên Nam đã đáp ứng các yêu cầu cho xây dựng, bao gồm: cát cho bê tông, cát cho vữa xây và lớp bây nền đường.

Theo các chuyên gia xây dựng, cát nhân tạo có những tính chất đặc biệt như: Hạt cát đồng đều hơn, có thể điều chỉnh modun và tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho các loại bê tông khác nhau. Loại cát nhân tạo cũng cho phép tiết kiệm xi măng, nhựa đường, rút ngắn thời gian thi công và tăng tuổi thọ công trình. 

7.4. Lợi ích bền vững

Có thể thấy, việc cát nghiền nhân tạo từ đá cát kết tại các bãi thải mỏ ra đời đã mang lại lợi ích kép trên nhiều phương diện.

Ông Phạm Văn Cường – Phó Giám đốc Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh khẳng định: “Hằng năm, Quảng Ninh có trên 200 triệu m3 đất đá thải. Việc Công ty CP Thiên Nam đầu tư sản xuất cát nhân tạo từ đá cát kết do đó càng có ý nghĩa tích cực về mặt môi trường.

Trên cơ sở tận dụng đá từ bãi thải Đông Cao Sơn, đơn vị này đã góp phần giảm tải áp lực đất đá đổ thải, giảm nguy cơ trượt lở bãi thải trong điều kiện thời tiết bất thường hiện nay; đồng thời đáp ứng được nhu cầu cát xây dựng cũng là hạn chế dần việc khai thác nguồn tài nguyên cát tự nhiên từ các lòng sông, hạn chế sạt lở”.

Không chỉ vậy, việc tận dụng nguồn tài nguyên đáp ứng nhu cầu vật liệu trên địa bàn tỉnh phù hợp với tinh thần Nghị quyết số 128/NQ-HĐND ngày 14/3/2014 của HĐND tỉnh Quảng Ninh và Quy hoạch thăm dò, khai thác khai thác và sử dụng khoáng sản làm vật liệu xây dựng thông thường và khoáng sản phân tán nhỏ lẻ trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 tại Quyết định số 1160/QĐ-UBND ngày 06/6/2014.

Mới đây, ngày 14/7/2017, Bộ Xây dựng đã có văn bản số 1579/BXD-VLXD báo cáo Văn phòng Chính phủ về việc sản xuất và sử dụng cát nghiền cho bê tông và vữa của Công ty Thiên Nam. Bộ khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư phát triển sản xuất cát nghiền, trong đó có cát nghiền của Công ty CP Thiên Nam, thay thế cát tự nhiên đạt tiêu chuẩn cho bê tông và vữa là cần thiết và phù hợp với Nghị quyết số 46 ngày 9/6/2017 của Chính phủ.

“Đây là doanh nghiệp dũng cảm nắm bắt chủ trương, xu thế kịp thời, phù hợp với thời điểm này. Không chỉ tận dụng được nguồn thải lãng phí mà còn tạo công ăn việc làm, và hơn nữa là chủ động nguồn cát tại chỗ cho các công trình xây dựng.

Ngoài ra, Sở Xây dựng cũng vừa phối hợp với ngành tài chính công bố giá sản phẩm cát nghiền nhân tạo của Công ty CP Thiên Nam. Qua đó, giá cát của Thiên Nam thấp hơn so với các loại cát phổ biến trên thị trường từ 15 – 20%, đây là điều kiện tốt để giảm giá thành, chi phí đầu tư xây dựng các công trình trên địa bàn tỉnh. 

Chúng tôi hy vọng từ doanh nghiệp khởi đầu này sẽ mở ra hướng đi mới để nhiều đơn vị nghiên cứu và đầu tư thêm, góp phần mở ra bức tranh chung cho thị trường cát xây dựng tỉnh, có thể hướng tới cả xuất khẩu khi đạt tới yêu cầu, tạo sự phát triển cho ngành vật liệu xây dựng Quảng Ninh” – Phó Giám đốc Sở xây dựng Quảng Ninh Nguyễn Mạnh Tuấn nhấn mạnh.

Hiện nay, trên địa bàn tỉnh, cát nghiền nhân tạo của Công ty CP Thiên Nam đã được sử dụng cho một số công trình trọng điểm như: Dự án cao tốc Hạ Long – Vân Đồn, cao tốc Vân Đồn – Móng Cái…

Hiện Công ty CP Thiên Nam đang phối hợp với Công ty CP công nghiệp ô tô nghiên cứu dây chuyền nhà máy sản xuất cát nghiền từ đá cát kết với mục tiêu 90% do Việt Nam chế tạo, sản xuất. Thời gian tới, sau khi nghiên cứu thành công, công ty này sẽ đầu tư thêm một nhà máy mới, nâng công suất sản xuất cát nghiền lên 750 tấn/giờ, phục vụ tốt hơn nhu cầu về cát xây dựng.

8. Các nghiên cứu trên thế giới về cát nhân tạo so sánh với cát tự nhiên

8.1. Cát nhân tạo từ đá vôi Lime Stone nghiền thay thế cát tự nhiên trong bê tông

Keywords: Fine aggregates, Rounded siliceous sand, Mix design, Performance-based approach, Hardened properties, Compressive strength, Flexural strength.

Từ khóa: Cốt liệu mịn, Cát silic vo tròn, Thiết kế cấp phối bê tông, Phương pháp dựa trên hiệu suất, Đặc tính đông cứng, Cường độ nén, Cường độ uốn.

8.1.1. Tổng quan

Do sự khan hiếm của nó và tác động môi trường bất lợi của việc khai thác, dẫn đến các hạn chế của chính phủ, cát silic tròn tự nhiên chất lượng tốt đang trở nên ít có sẵn ở Lebanon. Vấn đề quốc gia và quốc tế này ảnh hưởng đến ngành xây dựng thông qua giá thành và chất lượng bê tông.

Hiện nay, loại cát quá mịn này chỉ được sử dụng làm cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông, luôn được trộn với tỷ lệ cát đá vôi nghiền thích hợp để đạt cấp phối tiêu chuẩn cát trộn bê tông.

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá tính khả thi của việc thay thế toàn bộ cát silic tròn tự nhiên bằng cát đá vôi nghiền để tránh sự phụ thuộc của lĩnh vực xây dựng vào chất lượng và sự sẵn có của vật liệu này trong bối cảnh Lebanon.

Chương trình nghiên cứu bao gồm việc đề xuất các hỗn hợp bê tông khác nhau không có cát tự nhiên và xác minh, theo cách tiếp cận dựa trên hiệu suất, rằng các hành vi của chúng có thể được duy trì, ở các độ tuổi khác nhau của trạng thái đông cứng, so với của bê tông tham chiếu kết hợp cát tự nhiên.

Kết quả so sánh cho phép xác định các ảnh hưởng đến cường độ nén và uốn của việc thay thế cát tự nhiên và các biến thể của phân bố kích thước hạt. Ở giai đoạn này của nghiên cứu, một số kết luận sơ bộ về khả năng ứng dụng của giải pháp thay thế tổng số cát tự nhiên đã được đề xuất.

8.1.2. Giới thiệu đề tài

Sự sẵn có của cát tròn tự nhiên chất lượng tốt làm vật liệu xây dựng đang giảm trên toàn thế giới ở mức báo động và tác động môi trường của việc khai thác nó ngày càng trở nên bất lợi hơn. Ở Lebanon, việc khai thác cát tròn tự nhiên hiện đang chịu các hạn chế của chính phủ, do đó ảnh hưởng đến giá thành bê tông.

Ở một số quốc gia, một giải pháp thay thế bao gồm thay thế một phần hoặc toàn bộ cát tròn tự nhiên bằng các loại cát nghiền khác nhau trong vữa và bê tông, theo cách này, hạn chế chi phí xây dựng phụ và các tác động tiêu cực đến môi trường.

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự thay thế này có thể cải thiện độ bền của bê tông thông thường, bê tông hiệu suất cao và vữa, do một mặt có độ liên kết cao hơn giữa các hạt cát nghiền có góc cạnh thô và mặt khác độ liên kết giữa cát nghiền có góc cạnh cao hơn với hồ xi măng (Donza et al. 2002, Stefanidou 2016, Yamei và Lihua 2017). Vacanas, Y., Danezis, C., Singh, A. và Yazdani, S. (eds.)

Hầu hết cát tự nhiên của Liban được sử dụng trong bê tông là kết quả của sự phân mảnh của đá sa thạch (sandstone) dễ vỡ. Hạt của chúng có dạng silic và được hình thành từ các hạt thạch anh dưới tròn, thường được phủ một lớp khoáng vật canxit, hematit hoặc đất sét (Hamad và cộng sự 1996).

Tuy nhiên, loại cát này quá mịn để đáp ứng các yêu cầu về phân bố cỡ hạt được quy định trong tiêu chuẩn ASTM C33 (2016). Do đó, nó luôn được kết hợp với một tỷ lệ cát đá vôi nghiền thích hợp như một nguồn tài nguyên tổng hợp mịn bổ sung.

Mục tiêu của bài báo này là xác minh rằng các đặc tính cơ học của hỗn hợp bê tông chỉ làm từ cát đá vôi nghiền được duy trì so với các đặc tính cơ học của hỗn hợp đối chứng có chứa cát tự nhiên. Hai loại bê tông khác nhau được nghiên cứu về cường độ nén và cường độ uốn.

8.1.3. Vật liệu nghiên cứu

Các tính chất hóa học và vật lý của cốt liệu mịn và thô được liệt kê trong Bảng 1 và Bảng 2. Cát tự nhiên được sử dụng trong nghiên cứu này là cát silic (sandstone siliceous sand) với các hạt hình cầu, trong khi cát nghiền là cát đá vôi có các hạt góc cạnh thu được từ các mỏ đá vôi Liban.

Ngoài sự khác biệt về thành phần hóa học của chúng, hai loại cát còn khác nhau bởi các tính chất vật lý của chúng bao gồm phần trăm mịn, độ hấp thụ và trọng lượng riêng (fines percentage, absorption, and specific gravity).

Hai cỡ cốt liệu thô được sử dụng, 10 mm và 20 mm, được cung cấp từ cùng một loại đá mẹ với cát nghiền (same parent rock as the crushed sand).

Xi măng poóc lăng thông thường, có cường độ nén 48,9 MPa trong 28 ngày, được sử dụng trong tất cả các hỗn hợp bê tông.

Bảng 1. Đặc tính hóa học của cốt liệu thu được bằng phép thử Plasma ghép cảm ứng.

Mass Percentage (%)	Natural Sand	Crushed Sand	Medium Aggregate (10 mm)	Coarse Aggregate (20 mm)
SiO2	87.25	1.22	0.90	0.57
CaO	4.95	54.03	53.18	55.22
Al2O3	0.63	0.33	0.26	0.16
Fe2O3	1.93	0.26	0.14	0.10
K2O	0.06	0.10	0.08	0.06
Na2O	0.11	0.04	0.03	0.04
MgO	0.18	0.64	0.64	0.60
Mn2O3	0.018	0.004	0.003	0.003
TiO2	0.15	0.03	0.02	0.01
SO3	0.03	0.14	0.12	0.08
P2O5	0.04	0.01	0.01	0.01
Cr2O3	0.005	0.001	0.001	0.001
Loss on ignition (%)	4.64	43.20	44.60	43.15

Bảng 2: Đặc tính vật lý của cốt liệu.

Properties	Natural Sand	Crushed Sand	Medium Aggregate (10 mm)	Coarse Aggregate (20 mm)
Fines < 75 µm (%)	2.3	7.2	0.8	0.3
Clay lumps & friable particles (%)	5.3	0.8	0.2	0.2
Soundness (%)	11	5	9	8
Methylene blue value (g)	1.8	0.9	–	–
Oven-Dry Specific gravity	2.62	2.55	2.66	2.67
Absorption (%)	1.10	2.60	0.60	0.50

Sự phân bố kích thước hạt của cát tự nhiên, cát nghiền và cốt liệu thô được cho trong Hình 1. Hai loại cát, cát tròn tự nhiên và cát nghiền thông thường có cấp độ khác nhau và cả hai đều không tuân theo cấp độ ASTM C33 (2016) Các giới hạn được thể hiện trong Hình 1. Do đó, thị trường xây dựng Lebanon kết hợp cát nghiền và cát tự nhiên để phù hợp với các giới hạn cấp phối tiêu chuẩn này.

Việc sử dụng ba loại cốt liệu mịn khác nhau trong hỗn hợp bê tông được đánh giá và sự phân bố kích thước hạt của chúng xuất hiện màu đỏ trong Hình 1.

Hỗn hợp cát tham chiếu được sử dụng trong ngành bê tông Lebanon, “Tổ hợp hỗn hợp kiểm soát – Control Mix Combination“, được đặc trưng bởi tỷ lệ khối lượng bằng nhau của hai loại cát, 50% cát tự nhiên và 50% cát nghiền, để phù hợp với phân cấp kích thước hạt được xác định bởi ASTM với một tỷ lệ hạt mịn 4,79%.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế toàn bộ cát tự nhiên bằng cát nghiền và để hạn chế ảnh hưởng của sự phân cấp, “Cát nghiền tương đương – Equivalent Crushed  Sand” được chế tạo trong phòng thí nghiệm, với sự phân bố cỡ hạt hoàn toàn tương tự như “Kết hợp hỗn hợp đối chứng” .

Cuối cùng, để nghiên cứu ảnh hưởng của cát nghiền cấp loại tốt, loại cát thứ ba, được gọi là “Cát nghiền điều chỉnh – Modified Crushed Sand“, được xây dựng từ cát nghiền ban đầu bằng cách giảm tỷ lệ mịn cao xuống 5,05% để phù hợp với cấp phối ASTM C33 (2016) thay vì 7.2% tỷ lệ mịn như ban đầu (trong khi tiêu chuẩn cát nghiền tại Việt Nam cho phép tỷ lệ mịn lọt qua sàng 75 micromet đối với cát mịn là 25% và cát thô là 16%). Cấp độ hạt cụ thể của cát nghiền ban đầu này đã được sản xuất bởi một mỏ đá, đặc biệt cho nghiên cứu này.

8.1.4. Cấp phối bê tông thí nghiệm

Để xác định ảnh hưởng của việc thay thế cát tự nhiên bằng cát nghiền đối với tính chất cơ học của bê tông, ba hỗn hợp bê tông đã được thiết kế, chủ yếu khác nhau về loại cốt liệu mịn và sự phân bố kích thước của nó:

• Bê tông “CM” của Hỗn hợp kiểm soát tương ứng với hỗn hợp thông thường được sử dụng ở Liban, được làm bằng “Tổ hợp hỗn hợp kiểm soát” với tỷ lệ khối lượng cát tự nhiên và cát nghiền bằng nhau.
• Bê tông Hỗn hợp tương đương “EM” chứa “Cát nghiền tương đương” là cốt liệu mịn duy nhất.
• Bê tông Modified Mix “MM” kết hợp với “Modified Crushed Sand” là cốt liệu mịn duy nhất.

Hai loại bê tông đã được nghiên cứu, với ba loại cốt liệu mịn cho mỗi loại, như trong Bảng 3:

• 30 MPa: mác bê tông thường được sử dụng ở Lebanon, được đặc trưng bởi tỷ lệ nước/xi măng là 0,5. Tỷ lệ cốt liệu trung bình và thô được cố định lần lượt là 427 kg/m3 và 566 kg/m3 đối với ba loại bê tông. Sự kết hợp cốt liệu mịn của Hỗn hợp Kiểm soát “CM” đã được thay thế bằng một khối lượng cát nghiền xây dựng tương đương cho hai loại hỗn hợp còn lại.
• 40 MPa: vì mục đích môi trường và để nhấn mạnh tác động của cốt liệu, lượng xi măng và nước đã giảm so với mác C30. Nguyên tắc tương tự về tỷ lệ cốt liệu cũng được áp dụng tương tự cho Mác C30 nhưng với giá trị cao hơn và tỷ lệ nước/xi măng được giảm xuống 0,4 để đạt được cấp độ bền nén như vậy.

Để có một loại bê tông công nghiệp tiêu biểu, giá trị độ sụt được cố định ở mức 20 cm. Vì vậy, đối với mỗi hỗn hợp, liều lượng của phụ gia giảm nước ở mức độ cao đã được điều chỉnh để đạt được giá trị độ sụt này.

Bảng 3. Tỷ lệ trộn thiết kế (kg/m3) cho sáu hỗn hợp bê tông.

Mix Type	Cement (C)	Effective Water (W)	W/C	Admixture	Natural Sand	Crushed Sand	Equivalent Crushed Sand	Modified Crushed Sand	Medium Aggregate (10 mm)	Coarse Aggregate (20 mm)
CM-30	350	175	0.5	2.47	406	406	0	0	427	566
EM-30	350	175	0.5	1.01	0	0	802	0	427	566
MM-30	350	175	0.5	0	0	0	0	802	427	566
CM-40	300	120	0.4	10.38	448	448	0	0	471	624
EM-40	300	120	0.4	6.90	0	0	884	0	471	624
MM-40	300	120	0.4	5.99	0	0	0	884	471	624

8.1.5. Kết quả

Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của cường độ nén ở mỗi tuổi và cường độ uốn ở 28 ngày, được tính toán từ các thí nghiệm tiến hành trên ba mẫu thử cho từng hỗn hợp bê tông và cho cả hai loại bê tông. Các giá trị này được lập bảng trong Bảng 4.

Bảng 4. Giá trị cường độ chịu nén và uốn đối với ba loại hỗn hợp của từng loại ở các tuổi khác nhau.

		Compressive Strength (MPa)	Compressive Strength (MPa)	Compressive Strength (MPa)	Compressive Strength (MPa)	Compressive Strength (MPa)	Compressive Strength (MPa)	Flexural Strength (MPa)	Flexural Strength (MPa)
		3 Days	3 Days	7 Days	7 Days	28 Days	28 Days	28 Days	28 Days
Grade	Mix	Average Value	Standard Deviation	Average Value	Standard Deviation	Average Value	Standard Deviation	Average Value	Standard Deviation
C30 (30 MPa)	CM-30	17.8	0.52	24.7	1.11	35.1	0.34	5.05	0.17
EM-30	17.5	0.30	24.6	0.39	35.8	1.05	5.44	0.68
MM-30	17.5	0.87	24.2	1.74	33.5	0.86	5.59	0.88
C40 (40 MPa)	CM-40	27.4	0.02	39.1	1.41	47.8	0.22	5.96	0.39
EM-40	28.4	1.29	39.2	2.04	49.5	1.07	5.71	0.41
MM-40	26.7	0.22	39.0	1.73	46.1	0.10	6.35	0.17

Hình 2 trình bày diễn biến cường độ chịu nén của ba loại hỗn hợp bê tông cho mỗi mác bê tông. Đối với Mác C30, cường độ chịu nén của ba hỗn hợp bê tông là tương tự nhau ở ba ngày và bảy ngày, có xét đến độ lệch chuẩn. Sau 28 ngày, các giá trị cũng tương đối gần nhau.

Tuy nhiên, MM thể hiện các giá trị thấp hơn một chút (thấp hơn < 7%) so với hai hỗn hợp còn lại, mặc dù sự phân bố kích thước của cát nghiền biến tính là loại phù hợp hơn với các giới hạn của ASTM. Nhìn chung, đối với loại bê tông này, các giá trị cường độ nén và động học cường độ dường như không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thay thế cát tự nhiên.

Đối với mác C40, cường độ chịu nén cũng tương đương với tuổi bê tông. Do đó, động học hydrat hóa của chúng không bị ảnh hưởng bởi loại cốt liệu mịn. Một chút khác biệt (3% – 7%) được quan sát thấy ở ba ngày và 28 ngày, với các giá trị cao nhất đối với EM. Đối với hạng C30, giá trị thấp nhất thu được đối với MM là 3 và 28 ngày. Cát nghiền cấp phối tốt không cải thiện cường độ nén.

Hình 2. Kết quả cường độ chịu nén của bê tông CM, EM và MM đối với mác C30 và mác C40.

Các giá trị cường độ uốn của ba hỗn hợp cho cả hai loại, được trình bày trong Bảng 4, là khá giống nhau. Tuy nhiên, đối với hai loại, giá trị hỗn hợp MM cao hơn một chút so với giá trị của hai hỗn hợp còn lại (giá trị cao hơn 10% so với CM). So sánh này cho thấy rằng độ bền uốn có thể được duy trì bằng cách thay thế hoàn toàn cát tự nhiên bằng cát nghiền trong bê tông và thậm chí có thể được cải thiện với cát nghiền cấp phối tốt.

Đối với cùng một độ sụt và tỷ lệ nước với xi măng, cường độ nén và uốn không bị ảnh hưởng đáng kể bởi loại cốt liệu mịn, khác nhau bởi hình dạng hạt, tính chất vật lý, khoáng vật học và phân bố kích thước hạt. So sánh này khẳng định rằng tổng thay thế cát tự nhiên bằng cát nghiền, tuân thủ các yêu cầu phân loại của ASTM C33 (2016), là một giải pháp phù hợp

8.1.6. Kết luận

Để tránh sự phụ thuộc của lĩnh vực xây dựng vào chất lượng và tính sẵn có của cát tự nhiên trên thị trường Li-băng và để giảm các tác động tiêu cực đến môi trường của việc khai thác cát, nghiên cứu này đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế hoàn toàn cát silic tự nhiên bằng cát đá vôi nghiền nhỏ trong quá trình nén và độ bền uốn.

Hai loại bê tông đã được nghiên cứu và đối với mỗi loại, ba hỗn hợp đã được thiết kế có cùng độ sụt và tỷ lệ nước với xi măng và chủ yếu khác nhau bởi loại cốt liệu mịn và lượng phụ gia siêu dẻo. Hỗn hợp đối chứng được làm từ cát tự nhiên và cát nghiền với tỷ lệ khối lượng bằng nhau.

Hỗn hợp tương đương chỉ chứa cát nghiền có cùng phân bố kích thước hạt như sự kết hợp của các cốt liệu mịn trong hỗn hợp đối chứng. Modified Mix được làm bằng cát nghiền với phân bố kích thước được phân loại tốt.

Mặc dù cát tự nhiên và cát nghiền được phân biệt bởi thành phần khoáng vật học, hình dạng hạt, tính chất vật lý và phân bố kích thước hạt, cường độ nén và uốn của bê tông mác C30 và C40 không bị ảnh hưởng bởi sự thay thế hoàn toàn cát tự nhiên bằng cát nghiền đá vôi. Do đó, loại cát nghiền này, đáp ứng các yêu cầu về cấp phối của ASTM C33 (2016), có thể được coi là một giải pháp thay thế hiệu quả cho cát tròn tự nhiên trong bê tông.

Tuy nhiên, để có một kết luận tổng thể về tính năng của bê tông ở các độ tuổi khác nhau, nghiên cứu này sẽ được mở rộng để đánh giá các đặc tính trạng thái tươi, các đặc tính cơ học bổ sung và đặc tính độ bền của bê tông.

8.2. Nghiên cứu thay thế M-sand bằng Dolomite Silica Sand

8.2.1. Tóm tắt

Một trong những vấn đề quan trọng trong ngành xây dựng là chi phí cát tự nhiên đang tăng nhanh và hơn nữa việc cạn kiệt tài sản chung diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi yêu cầu một vật liệu khả thi như cát tự nhiên.

Mặc dù thực tế là cát M được sử dụng để thay thế cho cát sông, nó có quá nhiều góc cạnh và không thể lấp đầy các khoảng trống. Cát Dolomite-Silica là vật liệu có chứa hàm lượng silica và có thể lấp đầy các lỗ rỗng trong vữa một cách hiệu quả.

Động lực chính của nghiên cứu này là thay thế một phần M-Sand bằng Dolomite-Silica Sand để nâng cao các đặc tính xây dựng. Cát Dolomite-Silica được pha trộn với M-Sand trong các mức dao động 30%, 50% và 70%. Các thử nghiệm vữa ở trạng thái dẻo và đông cứng đã được hoàn thành. Tương tự như vậy, các thử nghiệm về khối xây gạch-liên kết chịu nén và uốn cũng đã được thực hiện. Kết quả chứng minh rằng Cát Dolomite-Silica có thể được sử dụng để thay thế một phần cho cát M lên đến 50%.

8.2.2. Giới thiệu

Các vật liệu mịn (Fine materials) can thiệp vào sự phát triển và đi vào các tinh thể lớn ở bề mặt vữa – cốt liệu và nhiều biện pháp phần tử nhỏ có thể điều chỉnh tính lưu biến. Trong những năm qua, giá cát sông đang tăng theo cấp số nhân. Do nhiều nguyên nhân, nó không có dấu hiệu giảm trong thời gian sớm, do đó người ta tìm ra khái niệm cát M, rẻ hơn nhiều so với cát sông.

Cát M được hình thành do sự nghiền nát của các cốt liệu làm mất đi tính góc cạnh của nó. Một trong hai loại cốt liệu mịn khác nhau này là thành phần chính quyết định cường độ của vữa.

Các cốt liệu có ảnh hưởng đến các tính chất cơ học và lưu biến của vữa xi măng. Ở trạng thái mới, các tính chất vật lý, hình dạng, sự phân bố kích thước hạt và bề mặt tác động đáng kể đến các tính chất khác nhau của vữa. Ở trạng thái đóng rắn, Mô đun đàn hồi, Cấu trúc khoáng chất, độ bền và mức độ điều chỉnh của Cốt liệu được tìm thấy có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính của chúng. Sử dụng cốt liệu mịn đa dạng để sản xuất Bê tông cường độ cao (HSC).

Theo những triển vọng này, yêu cầu về một loại vật liệu hợp lý và bền vững đối với cát tự nhiên thông thường mà không cần mặc cả về chất lượng và độ bền của vữa cuối cùng bắt buộc phải giúp phát triển cơ sở hạ tầng và giải phóng thiên nhiên.

Các cuộc nghiên cứu khẳng định rằng đá vôi dolomit nghiền mịn, trên thực tế, có thể được sử dụng làm vật liệu kết dính để cung cấp xi măng với đá vôi dolomit, thay thế phân đoạn cát bằng cát M và cát sinh thái và thay thế xi măng bằng tro bay trong bê tông, các đặc tính này được nhận thấy là đáng chú ý.

Sự cần thiết đối với xi măng Pooclăng ngày càng tăng do việc phát thải CO2 vào khí quyển tăng lên gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu. Mỗi tấn xi măng được sản xuất ra sẽ thải ra một tấn khí cacbonic. Ngày nay xi măng được ưa chuộng nhất là PPC. Các nghiên cứu về khả năng tương thích của PPC với các chất siêu dẻo khác nhau đã được nhiều nhà nghiên cứu. trong đó tăng cường cơ bản bột nhão bằng tro bay và OPC.

8.2.3. Vật liệu nghiên cứu

Cốt liệu mịn được sử dụng đã được thử nghiệm theo Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của Ấn Độ. Các cốt liệu mịn khác nhau được sử dụng được đưa ra dưới đây (IS-383(1970)).

Cát sông

Cát thô tự nhiên, có kích thước danh nghĩa tối đa 2,36 mm đã được sử dụng. Chúng đã được thử nghiệm theo Tiêu chuẩn Ấn Độ.

M-cát (cát nghiền, cát nhân tạo)

Cát sản xuất hoặc cát nghiền phù hợp với Vùng II của IS-383 (1970), có kích thước danh nghĩa tối đa 2,36 mm đã được sử dụng. Họ đã được thử nghiệm theo tiêu chuẩn Ấn Độ. M-sand chứa các nguyên tố như Silica, Nhôm, Canxi, Magiê, Natri, Kali, Sắt, v.v.

Cát dolomite-silica

Cát dolomite-silica hoặc cát sinh thái được lấy từ ACC Xi măng, Coimbatore và nó phù hợp với Vùng IV của IS-383 (1970) Cát sinh thái chứa các nguyên tố như Silica, Nhôm, Magiê và Canxi.

Gạch

Gạch tro bay được đưa về từ nhà máy xi măng ACC, Coimbatore

Thành phần gạch tro bay (Fly ash brick (FAB) ) Tro bay60%;  Cát/bụi đá 30%; Xi măng Portland thông thường /(vôi + thạch cao) 10%.

Có thể bạn chưa biết

Fly ash brick (FAB)  Gạch tro bay (FAB) là vật liệu xây dựng, cụ thể là các khối xây, có chứa tro bay loại C hoặc loại F và nước. Được nén ở 28 MPa (272 atm) và được xử lý trong 24 giờ trong bể hơi nước 66 °C, sau đó được làm cứng bằng chất cuốn không khí, gạch có thể tồn tại hơn 100 chu kỳ đóng băng-tan băng.

Do nồng độ canxi oxit cao trong tro bay loại C, gạch được mô tả là “tự kết dính”. Phương pháp sản xuất tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm thủy ngân trong môi trường và thường có chi phí thấp hơn 20% so với sản xuất gạch đất sét nung truyền thống.

8.2.4. Phương pháp nghiên cứu

Kiểm tra bảng lưu lượng (IS 1155-1959)

Kỹ thuật thử bao gồm đặt vữa vào bàn chảy có chiều cao 60 mm, đường kính trong 100 mm ở đáy và 70 mm ở trên cùng, đổ thành 2 lớp và mỗi lớp nhồi 25 lần nhiệt độ. Vữa thừa được đẩy ra khỏi điểm cao nhất của hình dạng. Bảng lưu lượng được chia nhỏ trong 25 lần và đường kính trải rộng được ước tính theo tỷ lệ.

Cường độ chịu nén của viên vữa (ASTM C-109)

Các khối vữa được đúc với hỗn hợp tỷ lệ 1:3 và 1:5 đối với cát sông, cát M và các tỷ lệ khác nhau của cát Dolomite-silica. Hàm lượng nước được xác định bằng thử nghiệm bảng dòng chảy (flow table test) và các khối có kích thước 50 ?? ∗ 50 ?? ∗ 50 ?? được đúc. Các khối đúc sau đó được xác định cường độ nén của nó trong 7 ngày và 28 ngày bảo dưỡng.

Cường độ liên kết nén (Compressive bond strength of masonry prisms) của lăng trụ khối xây (ASTMC1072)

Cường độ liên kết nén của lăng trụ khối xây được xác định bằng năm lăng trụ liên kết xếp chồng lên nhau sau khi làm ướt trước gạch trong 10 phút. Các lăng trụ sau đó được sấy khô trong 24 giờ và sau đó được bảo dưỡng bằng hoiw ẩm và cường độ được đo.

Độ bền liên kết uốn (Flexural bond strength) của lăng trụ khối xây

Cường độ liên kết uốn của lăng trụ khối xây được xác định bởi hai lăng trụ liên kết chồng với 4 khóa. Các lăng trụ khối xây sau đó được sấy khô trong 24 giờ và sau đó các lăng trụ được xử lý bằng cách xử lý dòng chảy và cường độ được tính toán.

Độ co ngót khô của vữa – Drying shrinkage of mortar (ASTM C-01)

Các lăng trụ vữa kích thước 20 ?? ∗ 5 ?? ∗ 5?? được đúc bằng cát sông, cát M và các tỷ lệ cát M khác nhau, cát Dolomite-Silica và để khô trong 24 giờ. Sau 24 giờ, mẫu được lấy ra khỏi khuôn và để khô trong không khí. Sự thay đổi về chiều dài của từng mẫu được xác định với sự trợ giúp của bộ so sánh chiều dài và biến dạng được tính toán cho từng mẫu. Các giá trị của biến dạng vào ngày thứ 3, 7 và 28 đã được ghi lại

8.2.4. Kết quả thí nghiệm

Phân tích rây

Nghiên cứu so sánh giữa tỷ lệ phần trăm lọt qua sàng tương ứng của cát sông, cát m và cát đôlômit được thể hiện trong bảng 3 cho chúng ta thấy rõ rằng cát silic dolomit mịn hơn nhiều so với cả cát sông và cát m.

Bảng 4 cho thấy kết quả phân tích sàng của cả m-cát và cát silic dolomit được trộn theo ba tỷ lệ khác nhau 30:70, 50:50, 70:30 (m-cát : cát silic dolomit). Hệ số đồng nhất cao hơn nhiều ở 30: 70 và hệ số cong cao hơn ở tỷ lệ 70:30.

Hệ số đồng nhất là một tham số được sử dụng để quyết định phân cấp (hạng) của cốt liệu. Nếu hệ số đồng nhất nằm trong khoảng từ 4 đến 6, thì tại thời điểm đó, chúng được gọi là cấp kém, tức là chúng có kích thước hạt không thể phân biệt được và được gọi là cấp kém khi hệ số đồng nhất nhỏ hơn 4.

Đối với trường hợp này, River cát và cát Dolomite-silica cấp phối kém hiệu quả mặc dù cát M và tỷ lệ 70:30 được cấp phối tốt. Các mức 50:50 và 30:70 có hệ số đồng nhất quán cao, nghĩa là chúng bao gồm một loạt kích thước hạt thay thế.

Có thể bạn chưa biết

uniformity coefficient – hệ số đồng nhất (u-ni-form’-i-ty). Một biểu thức bằng số của sự đa dạng về kích thước hạt trong đất tự nhiên hỗn hợp, được định nghĩa là tỷ lệ giữa kích thước sàng mà 60% (tính theo trọng lượng) của vật liệu lọt qua với kích thước sàng cho phép 10% vật liệu lọt qua.

Nó là sự thống nhất cho một vật liệu mà các hạt của nó đều có cùng kích thước và nó tăng lên cùng với sự đa dạng về kích thước (cao tới 30 đối với cát không đồng nhất).

s

Bảng 6 trình bày hàm lượng nước đối với 100% vữa chảy. Hàm lượng nước đối với tỷ lệ hỗn hợp vữa xi măng 1:3 nhỏ hơn tỷ lệ hỗn hợp vữa xi măng 1:5 vì lượng cốt liệu mịn và xi măng thay đổi theo tỷ lệ trộn, đây là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định hàm lượng nước.

Cường độ chịu nén của khối vữa

Bộ phận vữa khi tăng cường trong toàn bộ kết cấu là để trao đổi ứng suất kéo, nén và cắt giữa các đơn vị và nó phải đủ độ bền để giữ ứng suất của kết cấu hoàn thiện. Cường độ nén của tỷ lệ 70:30 cao hơn vữa thông thường 0,5%, trong trường hợp hỗn hợp vữa xi măng 1:3 và cao hơn thông thường 9,63%, trong trường hợp tỷ lệ hỗn hợp vữa xi măng 1:5.

Cường độ liên kết nén của lăng trụ khối xây

Cường độ nén hiện diện cụ thể vì nó đơn giản để tính toán. Đủ cường độ vữa là điều cơ bản tuy nhiên cường độ cuối cùng của vữa sẽ không nhiều hơn cường độ của các khối hoặc gạch được sử dụng. Việc sử dụng nhiều xi măng sẽ làm tăng độ dẻo của vữa, điều này có thể dẫn đến hiện tượng tách dọc giữa các cấu kiện và mối nối vữa khi có ứng suất. Việc sử dụng loại vữa thích hợp sẽ không gây ra hiện tượng nứt, nhưng bất kỳ điều gì xảy ra sẽ có xu hướng ảnh hưởng đến các mối nối, việc sửa chữa sẽ ít khẩn cấp hơn đáng kể.

Cường độ kết dính của Gạch xây ở tỷ lệ 70:30 cao hơn cát thông thường và cát M lần lượt là 5,65% và 27,87% và được phát hiện mịn khi trát giữa các ứng dụng trong khối

Cường độ liên kết uốn của lăng trụ khối xây:

Công trình xây dựng bằng gạch đã được thiết lập có xu hướng to lớn hơn so với công trình xây dựng hiện đại, có nghĩa là khối lượng hoặc khối thường chịu được nhiều tải trọng tác dụng lên nó. Liên kết của vữa và khối xây là một yếu tố chính trong cường độ uốn. Cường độ liên kết uốn của lăng trụ khối xây theo tỷ lệ hỗn hợp 70:30 cao hơn thông thường 18% và M-cát là 6,06%.

Độ co ngót của vữa khô

Co ngót khô được đặc trưng bởi sự xì hơi của vữa đã đóng rắn do mất nước mao dẫn. Sự co ngót gây ra sự giãn nở trong ứng suất kéo có thể dẫn đến đứt gãy, chuyển hướng bên ngoài và xuyên tạc bên trong. Vì vậy, điều cần thiết là định lượng độ co rút khô. Đối với tình huống này, ứng suất là trực tiếp và ít trong mọi trường hợp

Việc thay thế một phần cát M bằng cát Dolomite-silica được cho là giúp tăng cường độ và độ đặc của vữa theo quan điểm điều tra các kết quả thu được. Tỷ lệ trộn 50:50 và 70:30 có cường độ chịu nén tương tự vữa thông thường. Các giá trị co rút khô là thẳng và có ít giá trị biến dạng hơn trong phạm vi pha trộn 50:50 và 70:30. Điều này đáp ứng các điều kiện bền vững và tiết kiệm tài sản chung.

Cường độ liên kết ở mức độ 70:30 cũng thể hiện độ bền cao hơn so với mức độ thông thường và tất cả các mức độ pha trộn. Như vậy được hiểu là sử dụng 70% cát M và 30% cát Dolomite-silica hơn là vữa thông thường hoặc vữa M-cát.

Nó cũng chứng minh rằng việc sử dụng 50% cát M và cát Dolomite-silica cũng cho thấy điều kiện cường độ cao hơn so với thông thường tuy nhiên nó không đạt được độ bền và việc tăng thêm hàm lượng cát Dolomite-silica sẽ làm giảm cường độ. Ngoài ra, cần phải xác định tỷ lệ trộn chính xác của cát M và cát Dolomite-silica để đáp ứng các điều kiện tiên quyết thông thường.

8.3. Cát đá dolomit thay thế cốt liệu mịn trong hoạt động xây dựng

Bài báo này cố gắng nghiên cứu việc sử dụng cát đá dolomit (DRS – dolomite rock sand) làm cốt liệu mịn thay thế cho cát nghiền (crushed sand) do nhu cầu ngày càng tăng từ ngành xây dựng và sự cạn kiệt nguồn cung cấp cát nghiền, về vấn đề này, DRS thay thế cốt liệu mịn (FA – fine aggregate) có thể là một lựa chọn bền vững.

Hơn nữa DRS đã được chọn cho nghiên cứu này, xem xét sự sẵn có dồi dào tại địa phương ở vùng Coimbatore và việc vận chuyển nó trong khu vực chứng tỏ là có hiệu quả về chi phí so với cát nghiền.

Hỗn hợp thiết kế bê tông được chuẩn bị để đạt được các mác bê tông M20, M25 và M30 để thay thế FA bằng 0, 10, 20 và 30% cho mỗi mác bê tông.

Các thử nghiệm trên bê tông tươi và đông cứng đã được tiến hành. Phạm vi nghiên cứu cũng tập trung vào khía cạnh độ bền của bê tông.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, đối với tất cả các loại bê tông, 20–30% FA thay thế bằng DRS được cho là tối ưu, phân tích so sánh sâu hơn đã được thực hiện giữa mẫu đối chứng với cát nghiền dưới dạng cốt liệu mịn và cát nghiền thay thế bằng DRS trong thay thế% khác nhau.

DRS cho thấy hiệu suất tốt hơn trong bê tông và được coi là một sự thay thế tốt cho cát nghiền. Ngoài ra, phân tích Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Phân tích tia X tán sắc năng lượng (EDX) đã được thực hiện để phân tích sự đóng gói và thành phần hóa học của cốt liệu trong bê tông và đưa ra kết luận phù hợp.

Do đó, nghiên cứu này trong việc sử dụng DRS với sự kết hợp của cát nghiền theo tỷ lệ cụ thể đã được chứng minh là một lựa chọn bền vững.

---

Trên đây các bạn đã cùng TKT Company được tìm hiểu về cát nhân tạo, cát nghiền, khó khăn, tương lai và sự phát triển của cát nhân tạo ở Việt Nam và thế giới. Bên cạnh đó bạn cũng được tìm hiểu các nghiên cứu để tăng cường sử dụng cát nhân tạo, khắc phục các điểm yếu và thúc đẩy các điểm mạnh của loại cát này.

Ở bài viết tiếp theo TKT Company sẽ tổng quan về cốt liệu bê tông và các tiêu chuẩn cho cốt liệu bê tông. Mới các bạn đón đọc nhé.

---

9. Kiến thức có thể bạn quan tâm

• Tiêu chuẩn cát trộn bê tông
• Cốt liệu mịn đổ bê tông
• 6 Lỗi cần tránh đổ bê tông xi măng
• Thiết kế cấp phối bê tông tự lèn
• Điều chỉnh tính chất lưu biến vữa xi măng bê tông
• Bê tông cường độ cao
• Thí nghiệm độ co ngót bê tông
• 11 Mẹo giúp giảm Bê tông bị tách lớp phân tầng
• Phụ gia điều chỉnh độ nhớt bê tông
• Phụ gia giảm nước bê tông
• Phụ gia phá bọt bê tông là gì? Vai trò

Nguồn: công ty TKT Company