Nghiên cứu sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
-----------o0o---------

Tống Tôn Kiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG
TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
-----------o0o---------

Tống Tôn Kiên

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG
TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 62.52.03.09
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS. TSKH. Phùng Văn Lự
2. TS. Lê Trung Thành

Hà Nội - Năm 2016

LỜI NÓI ĐẦU
Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê
tông” được thực hiện tại trường Đại học Xây dựng, dưới sự hướng dẫn khoa học
của GS. TSKH Phùng Văn Lự và TS. Lê Trung Thành.
Trước hết, Tôi xin nói lời cảm ơn sâu sắc tới GS. TSKH Phùng Văn Lự và TS. Lê
Trung Thành đã bỏ nhiều công sức hướng dẫn và định hướng khoa học trong suốt
quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH MTV Cơ điện Xây dựng công trình và
Công ty CP Hóa Chất Đức Minh đã hỗ trợ gia công cốt liệu và cung cấp hóa chất
cho đề tài. Tôi xin cảm ơn Phòng Thí nghiệm và Nghiên cứu VLXD, Phòng TN và
Kiểm định công trình- Trường Đại học Xây dựng, Viện VLXD- Bộ Xây dựng, Viện
Hóa công nghiệp Việt Nam, Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, Viện Khoa học và
Công nghệ tiên tiến- Trường ĐHBK Hà Nội đã hợp tác và tạo điều kiện về trang
thiết bị thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn
Trường Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo sau đại học và Bộ môn VLXD đã tạo điều
kiện giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian thực hiện công tác nghiên cứu của luận án.
Trong quá trình thực hiện, luận án đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của
các nhà khoa học trong và ngoài trường ĐHXD; của các thầy cô giáo trong Bộ môn
Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công nghệ VLXD, Phòng TN và Nghiên cứu VLXD,
Phòng TN và Kiểm định công trình, Khoa Vật liệu xây dựng.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn, TS. Hoàng Vĩnh Long và
các Anh Chị Em trong Nhóm tải tài liệu khoa học đã chia sẻ nhiều tài liệu khoa học
quý giá giúp tôi tham khảo trong khi thực hiện luận án.
Xin nói lời biết ơn đến những người thân trong gia đình bởi sự động viên và chia sẻ
khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Hà Nội, tháng 9 năm 2016
Tác giả luận án

Tống Tôn Kiên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung và kết quả của luận án.

Tác giả luận án

Tống Tôn Kiên


MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời nói đầu
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
PHẦN MỞ ĐẦU
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

1

2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

2

3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2

4.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3

5.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3

6.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

3

7.

GIÁ TRỊ KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

4

8.

KẾT CẤU LUẬN ÁN

5

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ
PHẾ THẢI XÂY DỰNG
1.1.

PHẾ THẢI XÂY DỰNG VÀ TÁI CHẾ PHẾ THẢI XÂY DỰNG

7

1.1.1. Phế thải xây dựng

7

1.1.2. Tái chế phế thải xây dựng làm cốt liệu cho bê tông

9

1.1.3. Hiệu quả của việc tái sử dụng phế thải xây dựng

12

1.2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ PHẾ
THẢI XÂY DỰNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG TRÊN THẾ GIỚI
13

1.2.1. Tổng quan nghiên cứu về cốt liệu bê tông tái chế

13

1.2.2. Tổng quan nghiên cứu về bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

23

1.3.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TÁI SỬ DỤNG PHẾ THẢI XÂY DỰNG Ở
VIỆT NAM
39

1.3.1. Thực trạng phế thải xây dựng tại các thành phố lớn ở Việt nam

39

1.3.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng cốt liệu tái chế trong chế tạo bê tông ở Việt
Nam
41

1.4.

ĐỊNH HƯỚNG NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

43

Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG
TÁI CHẾ THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN TRONG CHẾ TẠO BÊ
TÔNG
2.1.

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ
ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHỊU LỰC
44

2.1.1. Đặc tính của hạt cốt liệu bê tông tái chế

44

2.1.2. Cơ sở khoa học của việc xử lý và cải thiện chất lượng hạt cốt liệu bê tông tái
chế bằng phương pháp hấp phụ phụ gia khoáng puzơlan
44
2.2.

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG
BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ
47

2.2.1. Cơ sở khoa học của việc cải tiến quy trình trộn hỗn hợp bê tông

47

2.2.2. Cơ sở khoa học việc sử dụng phụ gia khoáng xỉ lò cao nghiền mịn trong bê
tông cốt liệu tái chế
48
2.2.3. Cơ sở khoa học việc sử dụng chất kết dính xỉ kiềm thay thế xi măng trong chế
tạo bê tông cốt liệu tái chế
52
Chương 3. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1.

VẬT LIỆU SỬ DỤNG

58

3.1.1. Xi măng

58

3.1.2. Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn

59

3.1.3. Nước, dung dịch kiềm hoạt hóa và phụ gia siêu dẻo

62

3.1.4. Cốt thép

63

3.1.5. Cốt liệu

63

3.2.

66

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.2.1. Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn

66

3.2.2. Phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn

69

3.3.

73

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG

3.3.1. Thiết kế sơ bộ thành phần bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên

74

3.3.2. Thiết kế thành phần bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

74

3.3.3. Thiết kế thành phần bê tông sử dụng xỉ lò cao nghiền mịn

75

3.3.4. Thiết kế thành phần bê tông sử dụng chất kết dính xỉ kiềm

75

3.4.

78

QUY TRÌNH CHẾ TẠO HỖN HỢP BÊ TÔNG


Chương 4. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐỂ
CHẾ TẠO BÊ TÔNG
4.1.

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ

82

4.1.1. Thành phần vật liệu của cốt liệu bê tông tái chế

82

4.1.2. Cấu tạo và cấu trúc rỗng của cốt liệu bê tông tái chế

87

4.1.3. Tính hút và nhả nước của cốt liệu bê tông tái chế

88

4.1.4. Tính chất cơ học của cốt liệu bê tông tái chế

89

4.1.5. Khả năng hoạt tính của cốt liệu bê tông tái chế

91

4.2.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐẾN
TÍNH CHẤT HỖN HỢP BÊ TÔNG
92

4.2.1. Lượng nước trộn và khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông

93

4.2.2. Độ sụt và sự tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông

95

4.3.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐẾN
TÍNH CHẤT BÊ TÔNG
97

4.3.1. Cường độ nén của bê tông

97

4.3.2. Cường độ uốn của bê tông

102

4.3.3. Hệ số hút nước mao quản của bê tông

103

4.3.4. Độ co khô của bê tông

107

4.3.5. Độ thấm iôn clo

108

Chương 5. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ THỰC NGHIỆM
ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU BÊ TÔNG
TÁI CHẾ

5.1.

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG 100%
CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ
110

5.1.1. Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến các tính chất
của hỗn hợp bê tông
111
5.1.2. Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến các tính chất
của bê tông
113
5.1.3. Ảnh hưởng của xỉ lò cao nghiền mịn và chất kết dính xỉ kiềm đến cấu tạo và vi
cấu trúc của bê tông
123
5.2.

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG
100% CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ
128

5.2.1. Nghiên cứu đặc trưng cơ học của các loại bê tông dùng cho dầm

129


5.2.2. Nghiên cứu phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt liệu
bê tông tái chế
131
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1.

KẾT LUẬN

141

2.

KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

142

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

143

TÀI LIỆU THAM KHẢO

145

CÁC PHỤ LỤC

156


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AASHTO:

Tiêu chuẩn của Hiệp hội Cầu đường Mỹ

ASTM:

Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu xây dựng

BTCLTC:

Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế

BTCT:

Bê tông cốt thép

BTCLTC:

Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và bê
tông cốt thép

BTCLTC-a25XLCNM: Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và
25% phụ gia khoáng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn
BTCLTC-CKDXK7%: Bê tông sử dụng 100% cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông và
chất kết dính xỉ kiềm với hàm lượng kiềm 7% theo khối lượng.
BRE:

Tổ chức nghiên cứu công trình xây dựng

BS EN:

Hệ thống tiêu chuẩn châu âu

CKDXK:

Chất kết dính xỉ kiềm

CLBTTC:

Cốt liệu tái chế từ phế thải bê tông

CLLBTTC:

Cốt liệu lớn tái chế từ phế thải bê tông

CLNBTTC:

Cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải bê tông

CLLTC:

Cốt liệu lớn tái chế từ phế thải xây dựng

CLNTC:

Cốt liệu nhỏ tái chế từ phế thải xây dựng

CV:

Cát vàng

ĐC:

Bê tông sử dụng các loại cốt liệu tự nhiên

ĐD:

Đá dăm

EDX:

Phổ tán sắc năng lượng tia X

ITZ:

Vùng giao diện chuyển tiếp

JIS:

Hệ thống tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản

N:

Nước

PTXD:

Phế thải xây dựng

PGSD:

Phụ gia siêu dẻo

RILEM:

Hiệp hội quốc tế của các phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu

SEM:

Kính hiển vi điện tử quét

SN:

Độ sụt của hỗn hợp bê tông


TCVN:

Tiêu chuẩn Việt Nam

VLXD:

Vật liệu xây dựng

XLCNM:

Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn

XLCL:

Phương pháp trộn có xử lý bề mặt hạt cốt liệu

XLV:

Phương pháp trộn có xử lý bề mặt hạt cốt liệu nhỏ

XMBS:

Xi măng PC40 Bút Sơn

1/2BH:

Cốt liệu ở trạng thái bán bão hòa khô bề mặt

A:

Là hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông

A/C:

Tỷ lệ mol Al2O3/CaO

A/S:

Tỷ lệ mol Al2O3/SiO2

BH:

Cốt liệu ở trạng thái bão hòa khô bề mặt

CH:

Khoáng portlandit (Ca(OH)2)

C-S-H:

Khoáng hyđrô canxi silicat

C/S:

Tỷ lệ mol CaO/SiO2

C/CKD:

Tỷ lệ khối lượng cát/ chất kết dính

dd Na-Si:

Dung dịch thủy tinh lỏng natri

E:

Mô đun đàn hồi của bê tông



Biến dạng của bê tông 

F:

Diện tích bề mặt mẫu bê tông

f:

Độ võng của dầm bê tông cốt thép

HLK:

Hàm lượng kiềm, biểu thị bằng HLK 

Hw :

Hệ số hút nước mao quản của bê tông

it:

Độ hút nước mao quản ở thời điểm t (phút)

Kh:

Cốt liệu ở trạng thái khô hoàn toàn

Ms:

Mô đun silic của dung dịch kiềm, biểu thị bằng Ms 

NaOH.32%:

Dung dịch xút có 32% NaOH rắn

N/X:

Tỷ lệ khối lượng Nước trên Xi măng

Na2O
.100%
XLCNM

SiO2
Na2O


N/CKD:

Tỷ lệ khối lượng Nước trên Chất kết dính

P:

Tải trọng uốn của dầm

PCLLBTTC:

Hàm lượng CLLBTTC

PCLNBTTC:

Hàm lượng CLNBTTC

X, N, , CV, ĐD:

Là khối lượng riêng của xi măng, nước, cát vàng và đá dăm

R2:

Sai số bình phương nhỏ nhất

Ru7, Ru28, Ru91:

Cường uốn của bê tông ở tuổi 7, 28 và 91 ngày bảo dưỡng

S/C:

Tỷ lệ mol SiO2/CaO

X, N, CV, ĐD:

Là khối lượng dùng của xi măng, nước, cát vàng và đá dăm cho
1m3 bê tông


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Sự ảnh hưởng của hệ thống lỗ rỗng đến tính chất của bê tông

16

Bảng 1. 2 Một số quy định kỹ thuật đối với CLTC theo các tiêu chuẩn nước ngoài 21
Bảng 1. 3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của loại và hàm lượng CLTC đến cường
độ nén của bê tông

25

Bảng 1. 4 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X đến cường độ nén của BTCLTC có hàm
lượng CLTC khác nhau

26

Bảng 1. 5 Ảnh hưởng của CLTC đến cường độ kéo trực tiếp và cường độ kéo khi
uốn của bê tông
Bảng 1. 6 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến mô đun đàn hồi của bê tông

27
27

Bảng 1. 7 Các khoảng hàm lượng Na2O và Môđun silic thường sử dụng trong
CKDXK

38

Bảng 1. 8 Khối lượng PTXD của một số địa phương năm 2009

39

Bảng 3. 1 Các tính chất cơ bản của xi măng PC40 Bút Sơn

58

Bảng 3. 2 Các tính chất cơ bản của xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn

60

Bảng 3. 3 Thành phần hóa của xi măng và XLCNM

60

Bảng 3. 4 Tính chất cơ bản của dung dịch kiềm hoạt hóa

63

Bảng 3. 5 Các tính chất khác của CLTN và CLBTTC

65

Bảng 3. 6 Bảng thành phần các cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu

77

Bảng 4. 1 Thành phần hóa của CLBTTC 0,14-5mm

85

Bảng 4. 2 Cường độ nén của mẫu phế thải bê tông gốc

90

Bảng 4. 3 Thành phần vật liệu cho 1m3 hỗn hợp bê tông sử dụng hàm lượng
CLBTTC thay thế CLTN khác nhau

93

Bảng 4. 4 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 7 ngày

104

Bảng 4. 5 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 28 ngày

105

Bảng 4. 6 Hệ số hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 91 ngày

105

Bảng 5. 1 Cấp phối vật liệu thí nghiệm cho 1m3 hỗn hợp bê tông

111


Bảng 5. 2 Khối lượng thể tích và độ sụt của các loại hỗn hợp bê tông

111

Bảng 5. 3 Thành phần nguyên tố chính trong cấu trúc bê tông sử dụng CLBTTC
phân tích bằng SEM/EDX
Bảng 5. 4 Đặc trưng cơ học của bê tông sau 28 ngày bảo dưỡng

128
130

Bảng 5. 5 Kết quả thực nghiệm của các tải trọng giới hạn, độ võng lớn nhất và
dạng phá hủy của dầm BTCT
Bảng 5. 6 Đặc điểm của vết nứt trên dầm BTCT

134
138

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Tỷ lệ PTXD và mức độ tái sử dụng PTXD ở các nước trên thế giới

8

Hình 1. 2 Sơ đồ các hình thức tái sử dụng PTXD trong xây dựng

9

Hình 1. 3 Sơ đồ công nghệ tái chế PTXD ở mức độ thứ nhất

10

Hình 1. 4 Sơ đồ các công đoạn tái chế phế thải xây dựng ở mức độ thứ 2

11

Hình 1. 5 Sơ đồ trạm rửa tái chế phế thải xây dựng hoàn chỉnh

12

Hình 1. 6 Hình dạng hạt và thành phần của CLLBTTC

14

Hình 1. 7 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của hạt CLBTTC từ bê tông thường,
bê tông chất lượng cao so với CLTN

16

Hình 1. 8 Quan hệ giữa độ hút nước với hàm lượng vữa (bên trái), với khối lượng
thể tích (bên phải) của CLBTTC

17

Hình 1. 9 Sơ đồ hệ thống sản xuất CLBTTC có sử dụng phương pháp xử lý bề
mặt bằng phương pháp hóa-lý

19

Hình 1. 10 Sơ đồ quá trình tái chế cốt liệu chất lượng cao bằng phương pháp
xử lý nhiệt kết hợp máy nghiền ma sát

20

Hình 1. 11 Sơ đồ quá trình cải thiện bề mặt CLBTTC bằng dầu khoáng

22

Hình 1. 12 Sơ đồ quá trình cải thiện bề mặt CLBTTC bằng dung dịch silane

22

Hình 1. 13 Ảnh hưởng của hàm lượng CLBTTC và CLTXTC đến cường độ nén
của bê tông

26

Hình 1. 14 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến cường độ kéo của bê tông

27

Hình 1. 15 Ảnh hưởng của hàm lượng CLTC đến mô đun đàn hồi của bê tông

27

Hình 1. 16 Quan hệ ứng suất- biến dạng (a) và giá trị biến dạng tới hạn (b) của
bê tông sử dụng CLLBTTC

28

Hình 1. 17 Quan hệ ứng suất- biến dạng của bê tông sử dụng CLNBTTC

28

Hình 1. 18 Độ hút nước của bê tông sử dụng CLLTC

30


Hình 1. 19 Độ hút nước của bê tông sử dụng các loại CLBTTC khác nhau

30

Hình 1. 20 Độ co khô của bê tông sử dụng CLLBTTC theo thời gian

30

Hình 1. 21 Tốc độ thấm iôn clo của bê tông sử dụng CLLBTTC

31

Hình 1. 22 So sánh thành phần bê tông sử dụng CLTN và CLBTTC

32

Hình 1. 23 Sự phát triển cường độ nén (trái) và cấu trúc lỗ rỗng (phải) của
BTCLTC có và không có sử dụng tro bay và silicafume

34

Hình 1. 24 So sánh ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến tốc độ truyền sóng
siêu âm trong bê tông

35

Hình 1. 25 Ảnh hưởng Ms của dung dịch thủy tinh lỏng đến cường độ nén 28 ngày
của vữa sử dụng CKDXK với các loại xỉ khác nhau

38

Hình 1. 26 Tình trạng đổ trộm phế thải xây dựng ở các đô thị ở Việt Nam

39

Hình 1. 27 Tỷ lệ các loại rác thải rắn ở thành phố Hà Nội năm 2009

40

Hình 1. 28 Khối lượng PTXD của thành phố Hồ Chí Minh từ năm 1997 đến 2013 40
Hình 1. 29 Sơ đồ quy trình công nghệ tái chế PTXD thành CLTC

42

Hình 2. 1 Các phương pháp ngâm tẩm dung dịch 50% silica phân tán khác nhau

46

Hình 2. 2 Sơ đồ quy trình trộn hỗn hợp bê tông sử dụng CLTC

48

Hình 2. 3 Mức độ thủy hóa của xỉ trong hỗn hợp xi măng- XLCNM với
tỷ lệ N/CKD=0,5, nhiệt độ 200C

51

Hình 2. 4 Sự phân bố sản phẩm thủy hóa trong chất kết dính hỗn hợp xi
măng- XLCNM
Hình 2. 5 Các cơ chế phản ứng thủy hóa của CKDXK

51
53

Hình 2. 6 Ảnh chụp vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và bề mặt
(BSE) của đá CKDXK sau 1 ngày, tỷ lệ N/CKD=0,25 và nhiệt độ 200C

Hình 3. 1 Kết quả phân tích rơn ghen của xi măng

54

59


Hình 3. 2 Thành phần hạt của xi măng

59

Hình 3. 3 Thành phần hạt của XLCNM

61

Hình 3. 4 Thành phần khoáng vật của XLCNM

62

Hình 3. 5 Hỗn hợp phế thải bê tông (bên trái) và trạm nghiền tái chế PTXD
công suất 40 tấn/ giờ (bên phải)

64

Hình 3. 6 Biểu đồ thành phần hạt của các loại CLNBTTC và cát tự nhiên

66

Hình 3. 7 Sơ đồ thí nghiệm xác định độ hút nước mao quản của mẫu bê tông

68

Hình 3. 8 Biểu đồ loại 1 khi nước không xuất hiện (a) và có xuất hiện (b) trên
bề mặt mẫu

69

Hình 3. 9 Biểu đồ loại 2

69

Hình 3. 10 Sơ đồ thí nghiệm độ hút nước của cốt liệu theo thời gian

70

Hình 3. 11 Hình ảnh máy phân tích nhiễu xạ rơngen (XRD/ XRF)

71

Hình 3. 12 Máy hiển vi điện tử quét (SEM/EDX)

72

Hình 3. 13 Sơ đồ thí nghiệm và gia tải uốn dầm BTCT

73

Hình 3. 14 Kích thước và cấu tạo dầm BTCT thí nghiệm

73

Hình 3. 15 Ảnh hưởng của độ ẩm CLBTTC khi trộn đến cường độ nén BTCLTC 79

Hình 3. 16 Ảnh hưởng của quy trình trộn đến cường độ nén của BTCLTC

79

Hình 3. 17 Sơ đồ quy trình trộn hỗn hợp bê tông sử dụng trong nghiên cứu

80

Hình 4. 1 Các cấp hạt CLLBTTC và đá dăm

82

Hình 4. 2 Hỗn hợp CLBTTC 0,145mm (a) và Cát vàng (b)

83

Hình 4. 3 Thành phần vật liệu của hỗn hợp CLBTTC

83

Hình 4. 4 Biểu đồ phân tích XRD của CLBTTC

84

Hình 4. 5 Biểu đồ phân tích nhiệt của mẫu CLBTTC

86

Hình 4. 6 Hàm lượng iôn Ca2+ hòa tan của mẫu CLBTTC

86

Hình 4. 7 Hàm lượng iôn Na+ hòa tan của mẫu CLBTTC

86


Hình 4. 8 Hàm lượng iôn K+ hòa tan của mẫu CLBTTC

86

Hình 4. 9 Ảnh chụp vi cấu trúc hạt CLBTTC

87

Hình 4. 10 Độ hút nước của các loại CLTN và CLBTTC

88

Hình 4. 11 Quá trình nhả nước của cốt liệu trong không khí và khi sấy khô

89

Hình 4. 12 Độ nở thanh vữa theo thời gian bảo dưỡng

92

Hình 4. 13 Hoạt tính cường độ của vữa sử dụng CLNBTTC

92

Hình 4. 14 Tổng lượng nước trộn của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông
sử dụng CLBTTC

94

Hình 4. 15 Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông sử dụng
CLBTTC

94

Hình 4. 16 Sự thay đổi độ sụt của hỗn hợp bê tông ĐC và bê tông sử dụng
CLBTTC theo thời gian

95

Hình 4. 17 Tốc độ tổn thất độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng CLBTTC

97

Hình 4. 18 Ảnh hưởng của hàm lượng CLLBTTC đến cường độ nén của bê tông

99

Hình 4. 19 Ảnh hưởng của hàm lượng CLNBTTC đến cường độ nén của bê tông

99

Hình 4. 20 Tỷ lệ phát triển cường độ nén của bê tông trong các khoảng thời gian
bảo dưỡng khác nhau

100

Hình 4. 21 Sự phát triển cường độ nén của bê tông sử dụng CLBTTC so với
của bê tông ĐC

101

Hình 4. 22 Ảnh hưởng của hàm lượng CLBTTC đến cường độ nén ở 28 ngày

102

Hình 4. 23 Ảnh hưởng của loại cốt liệu đến cường độ uốn của bê tông

103

Hình 4. 24 Quan hệ giữa độ hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 7 ngày với
thời gian

103

Hình 4. 25 Quan hệ giữa độ hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 28 ngày với
thời gian
Hình 4. 26 Quan hệ giữa độ hút nước mao quản của bê tông ở tuổi 91 ngày với

103


thời gian

104

Hình 4. 27 Ảnh hưởng của loại CLBTTC đến hệ số độ hút nước mao quản của
bê tông sau 24 giờ ngâm mẫu

106

Hình 4. 28 Ảnh hưởng của loại CLBTTC đến hệ số hút nước mao quản của bê tông
106
Hình 4. 29 Ảnh hưởng của loại cốt liệu đến độ co khô của bê tông

107

Hình 4. 30 Tổng điện lượng thấm iôn clo của các loại bê tông

108

Hình 5. 1 Ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến sự thay đổi độ sụt của hỗn hợp
bê tông sử dụng 100% CLBTTC

113

Hình 5. 2 Ảnh hưởng của phụ gia khoáng XLCNM đến cường độ nén của bê tông 114
Hình 5. 3 Ảnh hưởng của CKDXK đến cường độ nén của bê tông

115

Hình 5. 4 Ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến cường độ uốn của bê tông

117

Hình 5. 5 Ảnh hưởng của XLCNM đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 7 ngày

117

Hình 5. 6 Ảnh hưởng của XLCNM đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 28 ngày

118

Hình 5. 7 Ảnh hưởng của XLCNM đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 91 ngày

118

Hình 5. 8 Ảnh hưởng của CKDXK đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 7 ngày

119

Hình 5. 9 Ảnh hưởng của CKDXK đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 28 ngày

119

Hình 5.10 Ảnh hưởng của CKDXK đến độ hút nước mao quản của bê tông ở
tuổi 91 ngày
Hình 5. 11 Độ hút nước mao quản của bê tông sau khi ngâm 24 giờ

120
120


Hình 5. 12 Hệ số hút nước mao quản của bê tông

121

Hình 5. 13 Ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến độ co của bê tông

122

Hình 5. 14 Khả năng thấm iôn clo của các mẫu bê tông

123

Hình 5. 15 Mặt cắt mẫu bê tông ĐC

124

Hình 5. 16 Mặt cắt mẫu bê tông BTCLTC

124

Hình 5. 17 Mặt cắt mẫu bê tông BTCLTC-a25XLCNM

124

Hình 5. 18 Mặt cắt mẫu bê tông BTCLTC-CKDXK7%

124

Hình 5. 19 Mô phỏng các vùng giao diện chuyển tiếp ITZ trong BTCLTC

125

Hình 5. 20 Cấu trúc ITZ cũ gần bề mặt hạt CLTN gốc

125

Hình 5. 21 Ảnh chụp EDX trong vùng đá xi măng cũ

126

Hình 5. 22 Ảnh chụp SEM của mẫu BTCLTC-a25XLCNM

126

Hình 5. 23 Ảnh chụp EDX vùng đá xi măng gần bề mặt hạt CLTN của mẫu
BTCLTC-XLCNM
Hình 5. 24 Vi cấu trúc của BTCLTC-CKDXK7%

126
127

Hình 5. 25 Ảnh chụp EDX vùng đá xi măng gần bề mặt hạt CLTN của mẫu
BTCLTC-CKDXK7%

127

Hình 5. 26 Quan hệ tải trọng – độ võng của dầm BTCT

129

Hình 5. 27 So sánh cường độ nén tiêu chuẩn tuổi 28 ngày của các loại bê tông

130

Hình 5. 28 So sánh mô đun đàn hồi của các loại bê tông ở tuổi 28 ngày

131

Hình 5. 29 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm ĐCI

132

Hình 5. 30 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm ĐCII

132

Hình 5. 31 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm BTCLTC

132

Hình 5. 32 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm
BTCLTC-a25XLCNM

132

Hình 5. 33 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P-f) của dầm

BTCLTC-CKDXK7%

132


Hình 5. 34. So sánh tải trọng nứt của các dầm BTCT sử dụng loại bê tông
khác nhau

133

Hình 5. 35. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông ĐCI

135

Hình 5. 36. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông ĐCII

135

Hình 5. 37. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông BTCLTC

136

Hình 5. 38. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng(P-) của bê tông
BTCLTC-a25XLCNM

136

Hình 5. 39. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng (P-) của bê tông
BTCLTC-CKDXK7%

137

Hình 5. 40. Quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt trên dầm

138

Hình 5. 41 Sơ đồ phân bố vết nứt của các dầm ở trạng thái phá hủy

139


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình xây dựng, chúng ta đang sử dụng một lượng lớn các nguồn tài
nguyên thiên nhiên. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này có hạn và việc khai thác cốt
liệu tự nhiên (CLTN) sẽ tác động lớn đến môi trường sinh thái. Trong khi đó, việc
xây dựng, cải tạo nâng cấp và phá dỡ các công trình, sẽ thải ra lượng lớn phế thải
xây dựng (PTXD). Nhưng lượng phế thải này lại chưa được tận dụng, gây ô nhiễm
môi trường. Vì thế, nhiều nước trên thế giới đã và đang nỗ lực tìm kiếm mọi cách
để có thể sử dụng lại và tái chế các loại PTXD nhằm giải quyết đồng thời các vấn
đề trên.
Trong những năm gần đây, PTXD ở nước ta phát sinh ngày càng nhiều và chưa
được tái sử dụng. Theo báo cáo môi trường quốc gia của Bộ Tài nguyên và Môi
trường [17], năm 2009 ngành xây dựng thải ra môi trường xấp xỉ 1,8 triệu tấn
PTXD, chiếm khoảng 10-15% tổng lượng phế thải rắn. Theo Nghị quyết số
34/2007/NQ-CP của Chính phủ [16], đến năm 2015 sẽ cơ bản hoàn thành việc phá
dỡ, cải tạo các khu chung cư cũ ở các đô thị lớn, vì thế lượng PTXD sẽ tiếp tục tăng
mạnh trong những năm tới. Dự kiến đến năm 2016, lượng PTXD sẽ tăng lên khoảng

3,3 triệu tấn và 4,3 triệu tấn vào năm 2020. Trong khi đó, ở một số khu vực lại thiếu
trầm trọng cốt liệu cho bê tông vì lý do bảo môi trường ngày càng khắt khe, khả
năng cung cấp các loại cốt liệu tự nhiên chất lượng cao ngày càng hạn chế. Do đó
việc tái chế PTXD cũng như tăng cường sử dụng các loại cốt liệu tái chế (CLTC) từ
PTXD được cho là biện pháp hiệu quả. Theo chiến lược quốc gia về quản lý chất
thải rắn đến năm 2025 [4], tỷ lệ thu gom trên tổng PTXD tái chế của Việt Nam
trong các năm 2015 là 50/30 và phấn đấu các năm 2020, 2025 tương ứng sẽ là
80/50, 90/60. Vì vậy việc nghiên cứu tái sử dụng PTXD có tính cấp thiết.
Ở Việt Nam và trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái
chế từ phế thải bê tông (CLBTTC) nói riêng cũng như CLTC từ hỗn hợp PTXD nói
chung để làm vật liệu móng đường giao thông, vật liệu gia cố đất, cốt liệu cho chế
tạo vữa và bê tông.v.v… Tuy nhiên, do hạt CLTC có độ rỗng lớn, độ hút nước lớn,
cường độ cơ học thấp, có nhiều tạp chất bám trên bề mặt hạt cốt liệu nên làm giảm
mối liên kết giữa đá xi măng và cốt liệu,v.v... dẫn đến chất lượng bê tông sử dụng
CLTC thấp, đặc biệt là độ bền lâu của các loại bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế


2

từ phế thải bê tông (CLNBTTC) hoặc cốt liệu tái chế từ phế thải tường xây gạch
(CLTXTC). Cho nên, các nghiên cứu trên thế giới chỉ tập trung sử dụng cốt liệu lớn
tái chế từ phế thải bê tông và hạn chế sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế với hàm lượng
lớn trong bê tông. Các loại kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) chịu lực sử
dụng CLBTTC cũng còn ít được quan tâm nghiên cứu. Vì vậy việc nghiên cứu tận
dụng 100% CLBTTC trong chế tạo các loại bê tông chịu lực là hướng nghiên cứu
khoa học mới cần đi sâu làm rõ và rất cần thiết ở Việt Nam.
Luận án: “Nghiên cứu sử dụng phế thải xây dựng trong chế tạo bê tông” chỉ tập
trung nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm bê tông sử dụng CLTC từ phế thải bê
tông thay thế CLTN. Đây là loại PTXD điển hình của các công trình xây dựng bị phá
dỡ ở Việt Nam. Luận án sẽ nghiên cứu làm rõ các quy luật, mối liên hệ giữa loại và

hàm lượng CLBTTC với các tính chất của bê tông và thử nghiệm các giải pháp nâng
cao chất lượng của loại bê tông sử dụng 100% CLBTTC. Đồng thời, luận án cũng
nghiên cứu về ứng xử cơ học của các kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng CLBTTC
nhằm khẳng định khả năng ứng dụng loại bê tông này trong kết cấu chịu lực thường
gặp trong công trình xây dựng ở Việt Nam.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu của luận án là: Nghiên cứu chế tạo bê tông thường (mác tới M30) sử
dụng CLBTTC đạt tính năng tương đương bê tông sử dụng cốt liệu đá tự nhiên
(CLTN), trên cơ sở sử dụng hai hệ chất kết dính là hỗn hợp xi măng- xỉ lò cao hạt
hóa nghiền mịn (XLCNM) và chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK).
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu bao gồm:
- Các quy luật ảnh hưởng của loại và hàm lượng cốt liệu lớn tái chế, cốt liệu nhỏ tái chế
từ phế thải bê tông đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
- Sự ảnh hưởng của các biện pháp nâng cao chất lượng bê tông sử dụng 100% cốt
liệu bê tông tái chế.
- Ứng xử cơ học của bê tông sử dụng 100% CLBTTC kết hợp với chất kết dính xi
măng, chất kết dính hỗn hợp xi măng poóc lăng- XLCNM hoặc CKDXK.


3

Phạm vi nghiên cứu bao gồm:
- PTXD có nhiều loại với chất lượng khác nhau, nhưng trong luận án chỉ nghiên cứu
CLTC từ phế thải bê tông xi măng có chất lượng tương đối ổn định, được phá dỡ từ
các kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng nhà dân dụng và công nghiệp.
- Hỗn hợp bê tông thường sử dụng CLBTTC thay thế CLTN từ 0-100%, có độ sụt là
10±2cm.
- Chất kết dính sử dụng gồm: xi măng poóc lăng, chất kết dính hỗn hợp xi măng
poóc lăng với XLCNM; chất kết dính xỉ kiềm

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Với mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu như trên, luận án đã thực hiện
các nội dung nghiên cứu sau:
-

Tổng quan tình hình nghiên cứu, sử dụng CLTC thay thế cốt liệu tự nhiên trong
sản xuất bê tông trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đề xuất các vấn đề khoa học
cần giải quyết.

-

Phân tích các đặc tính của hạt CLBTTC và lựa chọn các vật liệu sẵn có ở Việt
Nam để chế tạo hỗn hợp bê tông.

-

Nghiên cứu ảnh hưởng của loại và hàm lượng CLBTTC thay thế CLTN đến các
tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông xi măng chịu lực.

-

Nghiên cứu ảnh hưởng của XLCNM và CKDXK đến chất lượng của bê tông sử
dụng 100% CLBTTC.

-

Nghiên cứu phân tích ứng xử chịu uốn của dầm BTCT có 100% CLBTTC.

5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (tài liệu) kết hợp với

phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử
dụng các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn và một số phương pháp phân tích
hóa lý hiện đại, phương pháp chưa đưa vào tiêu chuẩn.
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Qua các kết quả nghiên cứu, luận án có một số đóng góp mới như sau:


4

 Đã chứng minh được khả năng chế tạo bê tông thường chịu lực sử dụng
CLBTTC. Bằng kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án
cũng khẳng định khi sử dụng hỗn hợp chất kết dính xi măng- xỉ lò cao nghiền
mịn hoặc chất kết dính xỉ kiềm, kết hợp với xử lý trộn ẩm cốt liệu thì có thể chế
tạo được bê tông sử dụng 100% CLBTTC đạt mác M30, đồng thời cải thiện các
tính chất khác của bê tông lên mức tương đương bê tông sử dụng cốt liệu tự
nhiên. Đây là cơ sở cho việc sử dụng CLBTTC trong sản xuất bê tông ở nước ta
sau này.
 Đã nghiên cứu phân tích làm rõ đặc điểm cấu tạo, tính chất của hạt CLBTTC và
của bê tông sử dụng CLTC so với CLTN và bê tông thường.
 Đã phân tích được ứng xử uốn của các dầm BTCT, từ đó chứng minh được có
thể sử dụng 100% CLBTTC thay thế CLTN kết hợp với chất CKDXK để chế
tạo dầm BTCT có khả năng chịu lực tương đương dầm bê tông có CLTN.
Những kết quả này là cơ sở tính toán thiết kế và xem xét ứng dụng loại bê tông
này để chế tạo kết cấu dầm BTCT chịu uốn trong công trình xây dựng ở Việt
Nam.
7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Luận án vừa có ý nghĩa khoa học giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn liên
quan đến việc tái sử dụng CLBTTC trong chế tạo bê tông, vừa là tài liệu tham khảo
cho các nhà nghiên cứu, học viên và sinh viên chuyên ngành ở Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra và làm rõ các quy luật ảnh hưởng của CLBTTC đến
tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông như sau:
+ Giá trị tổn thất độ sụt và tốc độ giảm độ sụt tăng khi tăng hàm lượng sử dụng
CLBTTC.
+ Cường độ của bê tông sử dụng CLBTTC giảm, nhất là khi sử dụng cả CLNBTTC.
+ Độ co khô của bê tông sử dụng CLBTTC lớn hơn của bê tông sử dụng CLTN,
nhưng quy luật phát triển độ co của các loại bê tông này tương tự như nhau.
+ Độ thấm ion clo của BTCLTC lớn hơn của BTCLTN. Tuy nhiên, ở tuổi dài ngày
độ thấm ion clo của BTCLTC giảm mạnh.


5

- Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: có thể sử dụng chất kết dính hỗn hợp xi
măng poóc lăng và XLCNM hoặc thay thế xi măng poóc lăng bằng CKDXK kết
hợp với việc trộn ẩm cốt liệu để cải tiện tính chất của bê tông sử dụng CLBTTC. Đề
tài đã xác định được một số luận điểm khoa học mới khi sử dụng các chất kết dính
này đó là:
+ Xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn cải thiện được khả năng tổn thất độ sụt của hỗn hợp
bê tông còn CKDXK làm tăng khả năng mất độ sụt của hỗn hợp bê tông.
+ Với hàm lượng XCLNM sử dụng thích hợp (25% so với khối lượng xi măng) và
CKDXK với hàm lượng kiềm hợp lý (7% Na2O so với khối lượng XLCNM), có khả
năng làm tăng cường độ bê tông sử dụng CLBTTC lên đạt và vượt cường độ của
BTCLTN.
- Luận án cũng chỉ ra rằng khi sử dụng BTCLTC để chế tạo dầm BTCT thì sự làm
việc của dầm tương tự như dầm BTCT sử dụng CLTN. Tuy nhiên khả năng chịu tải
trong uốn của dầm nhỏ hơn, vết nứt xuất hiện sớm hơn và số lượng vết nứt nhiều
hơn.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Việc nghiên cứu sử dụng CLBTTC thay thế 100% CLTN trong chế tạo kết cấu bê

tông không những góp phần giải quyết sự thiếu hụt CLTN, tránh lãng phí nguồn tài
nguyên thiên nhiên mà còn làm giảm tồn chứa PTXD, góp phần bảo vệ môi trường.
Việc nghiên cứu sử dụng phế thải công nghiệp luyện kim XLCNM kết hợp với xi
măng poóc lăng hoặc làm CKDXK thay thế hoàn toàn xi măng để chế tạo bê tông
vừa góp phần giải quyết tồn chứa phế thải, giảm ô nhiễm môi trường; vừa nâng cao
chất lượng của kết cấu bê tông sử dụng CLBTTC, thúc đẩy phát triển vật liệu xây
dựng bền vững; từ đó mở rộng khả năng ứng dụng loại bê tông này trong công trình
xây dựng ở Việt Nam.
8. KẾT CẤU LUẬN ÁN
Luận án được trình bày trong 5 chương, các kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn
có các bảng biểu, hình vẽ và các phụ lục về kết quả nghiên cứu:
Chương 1. Tổng quan về bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng,