Luận án bê tông tái chế từ cốt liệu lớn - Tính chất cơ lý và ứng dụng

Lý do chọn đề tài Nền kinh tế Việt Nam phát triển mạnh mẽ trong những năm qua và kéo theo là tốc độ tăng trưởng mạnh về lĩnh vực xây dựng. Tốc độ này luôn ổn định trong khoảng 6 – 10% một năm trong giai đoạn 2015 – 2020. Sự phát triển mạnh mẽ của hoạt động xây dựng này làm phát sinh một lượng lớn chất thải rắn xây dựng (CTRXD). Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê năm 2009 thì lượng CTRXD phát sinh tại các thành phố lớn là khoảng 1,46 - 1,92 triệu tấn/năm, tuy nhiên tỷ lệ tái chế rất thấp chỉ khoảng 1 - 2% [2].

Hiện nay, CTRXD phát sinh khoảng 3000 tấn/ngày, năm 2020 tổng lượng CTRXD ước tính là 6,3 triệu tấn và dự kiến đến năm 2025 là 11 triệu tấn [99]. Trong khi đó, ở nhiều quốc gia khác, CTRXD đã được nghiên cứu và được sử dụng thay thế hiệu quả cho các nguyên vật liệu tự nhiên. Ví dụ, ở Nhật Bản, 95% bê tông được nghiền và tái sử dụng làm vật liệu đắp nền đường vào năm 2000 [135], không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn giảm áp lực lên môi trường đô thị. Ở Việt Nam, chưa triển khai tốt công tác quản lý CTRXD, dẫn đến hiện tượng đổ trộm loại phế thải này trở nên phổ biến, gây ra nhiều vấn đề ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Các bãi chứa CTRXD theo quy hoạch tại các thành phố lớn đã đầy và chưa có công nghệ xử lý, cũng như công cụ giám sát hiệu quả cho hoạt động này tại các địa phương. Ngoài ra, tăng trưởng nhanh trong lĩnh vực xây dựng trong khi hệ thống quản lý kém hiệu quả dẫn đến hệ lụy khai thác tài nguyên thiên nhiên vô cùng lớn và các vấn nạn xã hội trong khai thác cát, đá, sỏi gây ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường, kinh tế và xã hội. Việt Nam tiêu thụ từ 170-190 triệu m3 đá và 130-150 triệu m3 cát cho xây dựng trong năm 2020 [6]. Đây là lượng vật liệu khổng lồ mà nếu tiếp tục khai thác tự nhiên sẽ không đủ để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội.

Nhằm thay đổi hiện trạng này, Quyết định số 1266/QĐ-TTg ngày 18/08/2020 của Thủ tướng Chính phủ đã quy định rõ việc hạn chế tối đa sử dụng tài nguyên thiên nhiên, yêu cầu 2 tái chế cho đá xây dựng và sử dụng cát tái chế từ 60% trở lên [5]. Để đáp ứng mục tiêu này, việc thiết lập được hệ thống quản lý thông minh, đồng bộ ứng dụng công nghệ cao, nhằm quản lý và tái chế CTRXD hiệu quả là rất cần thiết. CTRXD có thể được coi là một nguồn tài nguyên quý giá, từ đó hoạt động quản lý tái chế hiệu quả sẽ đem lại hiệu quả kinh tế xã hội cao. Chỉ thị số 41/CT-TTg ngày 1/12/2020 của Thủ tướng Chính phủ cũng quy định các thành phố trực thuộc trung ương: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ, Hải Phòng đầu tư vận hành hệ thống hiện đại nhằm xử lý chất thải rắn (CTR) và giảm chôn lấp xuống dưới 20%, trong khi các tỉnh còn lại giảm xuống dưới 25% tính đến năm 2025 [3].

CTR được yêu cầu phải ứng dụng công nghệ hiện đại nhằm tái sử dụng (Reuse) và tái chế (Recycle). Theo Quyết định số 491/QĐ-TTg ngày 16/4/2009, Thủ tướng Chính phủ đã quy định tổng hợp quản lý CTR là trách nhiệm chung của toàn xã hội và nhà nước đóng vai trò chủ đạo, công nghệ thu gom đồng bộ được đặt vào ưu tiên đầu tư phát triển [7]. Tuy nhiên, việc ứng dụng hiệu quả CTRXD với số lượng lớn vào các công trình xây dựng đang gặp nhiều khó khăn đặc biệt trong việc đánh giá chất lượng, tính chất cơ lý của vật liệu tái chế và khả năng ứng dụng trong các kết cấu công trình như cột dầm sàn, nền móng và các lớp lót cho công trình hạ tầng. Các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật, chỉ dẫn kỹ thuật có liên quan đến hoạt động quản lý CTRXD (công tác phân loại, xử lý, tái chế.

Việc nghiên cứu, sử dụng các sản phẩm tái chế CTRXD chưa phổ biến rộng rãi trên quy mô công nghiệp. Trong khi đó, một số quốc gia phát triển trên thế giới đã có các chính sách, quy định cụ thể đối với công tác quản lý CTRXD. Nhật Bản đã có luật Tái chế Vật liệu Xây dựng (ban hành năm 2000) và các tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật về phân loại, tái chế CTRXD; Hàn Quốc có luật Kiểm soát Chất thải (ban hành năm 1986), luật khuyến khích tái chế CTRXD (ban hành năm 2003). Hiện về vật liệu bê tông tái chế ở Việt Nam mới có thể dùng TCVN 11969:2018 Cốt liệu lớn tái chế cho bê tông; Năm 2019, Bộ Xây dựng đã giao Viện Vật liệu xây dựng thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật phế thải phá dỡ công trình và phế thải xây dựng (PTPDCT&XD) làm vật 3 liệu san lấp”, mã số RD 13-19.

Trường đại học Xây dựng thực hiện nhiệm vụ Xây dựng tiêu chuẩn TCVN “Yêu cầu kỹ thuật – Phương pháp thử cho vật liệu tái chế từ phế thải xây dựng làm lớp móng đường giao thông đô thị”. Tuy nhiên cho tới nay cả hai tiêu chuẩn vẫn chưa được ban hành. Các nội dung trên cho thấy việc nghiên cứu đánh giá tính chất cơ lý của bê tông tái chế và khả năng ứng dụng làm việc trong cấu kiện công trình của loại vật liệu này còn chưa được nghiên cứu đầy đủ dẫn đến việc ứng dụng loại tài nguyên này còn nhiều hạn chế. Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế (BTCLTC) từ CTRXD, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng bê tông tái chế (BTTC) trong kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng.

Việc tái sử dụng làm giảm áp lực của lượng lớn CTRXD phát thải ra môi trường, giảm nguyên nhân gây ô nhiễm và các tác động ảnh hưởng xấu đến cuộc sống con người đồng thời cung cấp ra thị trường xây dựng lượng lớn vật liệu tái chế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhằm giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và tạo ra giá trị gia tăng cho sản phẩm vật liệu có hàm lượng khoa học giá trị cao. Cơ sở khoa học Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác định các tính chất cơ lý của vật liệu bê tông chế tạo bằng cốt liệu tái chế từ CTRXD. Nghiên cứu của Tam và cộng sự (2015) [137] đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu thu được từ hơn 26 nghiên cứu được thực hiện trước đó, chỉ ra rằng cốt liệu lớn tự nhiên (CLLTN) có thể được thay thế bằng cốt liệu lớn tái chế (CLLTC), với các tỷ lệ thay thế thường dùng là 30%, 50%, 70% và đến 100%. Nghiên cứu của Silva và cộng sự (2014) [132][133] cũng chỉ ra rằng cường độ cơ học của bê tông tái chế phụ thuộc vào chất lượng của cốt liệu tái chế (cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ) và hàm lượng sử dụng.

Ở Việt Nam, những mục tiêu cụ thể về quản lý, thu gom và tái chế CTRXD đã được cụ thể trong Chiến lược quốc gia [8]. Hiện nay, mới chỉ có tiêu chuẩn TCVN 11969:2018 [8] về CLLTC cho bê tông. Tuy nhiên, sự không đầy đủ của hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu tái chế, cũng như tư duy BTCLTC có chất 4 lượng thấp đã ăn sâu vào suy nghĩ của người dân, dẫn đến việc ứng dụng các loại cốt liệu tái chế, trong đó có CLLBTTC vào công trình thực tế là rất hạn chế. Trong thời gian vừa qua, một số các nghiên cứu về hiện trạng quản lý và thành phần của CTRXD đã được thực hiện [75][113][114][19][17], tuy nhiên các nghiên cứu khoa học về vật liệu tái chế và đặc biệt ứng xử của kết cấu BTTC chưa thực sự được quan tâm thực hiện.

Do đó, nghiên cứu này tập trung nghiên cứu phương pháp nghiền CTRXD thành cốt liệu bê tông tái chế, từ đó nghiên cứu tính chất cơ lý, sự làm việc theo thời gian của vật liệu này và khả năng làm việc của kết cấu cột BTCT chịu lực điển hình. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu sự phát triển một số tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế với các hàm lượng thay thế khác nhau. - Nghiên cứu ứng xử nén của cột bê tông cốt thép chế tạo bằng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế. So sánh ứng xử cơ học của cột bê tông cốt liệu tái chế với cột bê tông cốt thép thông thường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Bê tông từ quá trình phá dỡ các công trình xây dựng được nghiền theo quy trình thiết kế cho máy nghiền được lắp ráp tại Việt Nam. Các hạt cốt liệu tái chế trong nghiên cứu này có đường kính từ 5 đến 20 mm, đường kính cốt liệu lớn nhất là 20 mm. Bê tông tái chế được thiết kế có cấp độ bền nén B30 và thí nghiệm lần lượt ở 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180 và 360 ngày tuổi, với các tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tự nhiên theo khối lượng lần lượt là r = 0%; 50%; 100%. Cốt liệu tái chế được dùng cho thí nghiệm cột với kích thước 200 x 200 x 880 mm và hạm lượng cốt liệu tái chế thay thế của cột là r = 0%; 50%; 100%.

Cột được thí nghiệm chịu nén đúng tâm nhằm nghiên cứu ứng xử và khả năng chịu lực của cấu kiện cột bê tông cốt liệu tái chế so với cột bê tông cốt liệu tự nhiên (BTCLTN). Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên các tài liệu nghiên cứu để thực hiện nghiên cứu tổng quan về đề tài luận án. - Nghiên cứu thực nghiệm: Luận án được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm. Các kết quả chính thu được từ các thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu thử bê tông và các cấu kiện cột bê tông cốt thép.