NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT BIỂN QUẢNG NINH CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ PGS. TS. TRẦN TUẤN HIỆP TS. TÔ NAM TOÀN Bộ môn Công trình GTCC Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu sử dụng cát biển Quảng Ninh để chế tạo bê tông xi măng phục vụ xây dựng đường ô tô. Summary: This presents the results of a research into using seasand in Quang Ninh province to produce cement concrete for road construction. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Để sản xuất bê tông xi măng, theo quy trình hiện hành và theo thói quen truyền thống người ta dùng cát vàng thoả mãn các tiêu chuẩn quy định. Tuy nhiên, do nhu cầu xây dựng ngày càng phát triển, nguồn cát vàng ngày càng khan hiếm và không phải nơi nào cũng có nguồn cát vàng. Đây là một vấn đề đặt ra với Tỉnh Quảng Ninh. Tại Quảng Ninh, chỉ có ở vùng cửa sông ở Hoành Bồ là có nguồn cát vàng thoả mãn tiêu chuẩn xây dựng nhưng trữ lượng không lớn, trong mấy năm gần đây qua tình hình khai thác cho thấy trữ lượng đã gần cạn kiệt. Vì vậy, hiện nay tại Quảng Ninh, để phục vụ cho công tác xây dựng, cát vàng thường phải được vận chuyển từ Sông Lô về với cự ly vận chuyển rất lớn làm cho giá thành cát vàng đến chân công trình là rất cao. TCT2 Hơn nữa, Quảng Ninh còn là một tỉnh có nhiều đảo nhất ở nước ta, với nhu cầu phát triển kinh tế và phát triển du lịch, việc xây dựng tại các đảo ngày càng phát triển. Để phục vụ cho công tác xây dựng tại các đảo, hiện nay, cát vàng phải được vận chuyển từ đất liền ra bằng đường biển với chi phí rất lớn làm cho giá thành đầu tư xây dựng công trình lên cao. Trong khi đó, Quảng Ninh với 250 km đường bờ biển và với hơn 700 hòn đảo có sẵn hàng chục triệu mét khối cát biển mà cho đến nay người ta chưa dám và chưa thể dùng để chế tạo bê tông xi măng. Vấn đề đặt ra là liệu có thể dùng loại cát biển này như là một loại vật liệu tại chỗ dồi dào để chế tạo bê tông xi măng nhằm hạ giá thành xây dựng? Nếu dùng cát biển để chế tạo bê tông xi măng thì sự ảnh hưởng thể hiện qua một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông xi măng như thế nào? Và có thể sử dụng hạn chế như thế nào? Các công trình nghiên cứu trên thế giói và trong nước đều đã cho thấy khả năng sử dụng cát biển để chế tạo bê tông xi măng, tuy nhiên số lượng không nhiều và thiếu hệ thống do vậy các kết quả nghiên cứu vẫn chưa được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia. Trên thế giới đã có một số nước như Anh, Hà Lan, Bỉ, Đan Mạch cho phép khai thác cát sỏi biển để chế tạo bê tông xi măng. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc sử dụng cát biển sản xuất bê tông xi măng là chưa được phép và trên thực tế chưa có trường hợp nào được chính thức sử dụng cát biển để trộn bê tông xi măng. Từ những phân tích trên, chúng tôi đã tiến hành "Nghiên cứu sử dụng cát biển chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng đường ôtô". Nhiều địa phương dọc bờ biển (Nam, Bắc, Trung bộ, Việt nam) đã được chọn nghiên cứu và Quảng Ninh là một tỉnh trong số đó. Tại Quảng Ninh chúng tôi đã nghiên cứu thí nghiệm với cát biển Vân Đồn, nơi có trữ lượng cát biển lớn và nhiều tiềm năng phát triển kinh tế duyên hải, hải đảo. Nghiên cứu được tiến hành dưới sự chỉ đạo trực tiếp của PGS. TS. Trần Tuấn Hiệp; trực tiếp phụ trách thí nghiệm: KS. Tô Nam Toàn. II. NGHIÊN CỨU VỀ CÁT BIỂN 2.1. Sự phân bố cát biển ở Quảng Ninh Như đã nêu ở trên, cát biển Quảng Ninh phân bố ở Hoành Bồ, Yên Hưng, Hạ Long, Cẩm Phả, Vân Đồn, Tiên Yên, Đầm Hà, Hải Hà, Móng Cái. Cát biển ở Hoành Bồ chủ yếu là cát ở cửa sông (cát nước lợ), trữ lượng cát ở đây không lớn lắm. Cát biển ở Yên Hưng có ở bờ biển các xã Liên Vị, Tiên Phong. Trữ lượng cát biển có khoảng 50 triệu tấn. Cát biển ở Hạ Long nằm ở bờ biển của các xã Đại Yên, Việt Hưng và đảo Tuần Châu. Trữ lượng ở đây khoảng 100 triệu tấn. Cát biển ở Cẩm Phả nằm dọc bờ biển của huyện, trữ lượng không lớn lắm. Cát biển ở Vân Đồn nằm dọc bở biển của đảo Cái Bầu, đảo Chàng Ngọc, đảo Ngọc Vừng, đảo Trà Bản, đảo Cảnh Cước, cảo Cao Lô, trong đó tập trung khối lượng lớn ở đảo Cái Bầu, Vụng Quan Lạn, đảo Chàng Ngọc. Trữ lượng ở đây lên đến hàng chục tỷ tấn. Cát biển ở Tiên Yên, Đầm Hà, Hải Hà nằm dọc bờ biển của các huyện này. Cát biển ở Móng Cái có ở hầu hết vùng biển của Móng Cái với trữ lượng rất lớn. Cát ở đây tương đối trắng nhưng có môđun độ lớn nhỏ. CT 2 Hình 2. Cát biển ở huyện đảo Vân Đồn 2.2. Tình hình khai thác sử dụng cát biển ở Quảng Ninh Cát biển ở Quảng Ninh bắt đầu được nghiên cứu sử dụng từ năm 1968 - 1969 do Viện nghiên cứu khoa học thuỷ lợi và trường Đại học Thuỷ lợi kết hợp với Cục Hải quân để làm bê tông và vữa ximăng. Tuy nhiên do kết quả nghiên cứu chưa hoàn chỉnh nên đến nay cát biển ở đây vẫn chưa được phép sử dụng để chế tạo bê tông và vữa xi măng. Trong thời gian gần đây, do nhu cầu xây dựng ở các huyện ven biển và các đảo lên cao, cát biển ở Quảng Ninh đã được Nhà nước cho phép khai thác để san lấp mặt bằng với thuế tài nguyên là 5.000 đồng/m 3 , tổng chí phí để hút cát lên đến bờ vào khoảng 15.000 - 25.000 đồng/m 3 . Tuy nhiên do thiết bị hút cát còn đơn giản nên hiện nay mới chỉ khai thác được cát ở độ sâu nhỏ hơn 12 m. Ngoài ra, ở một số vùng như Vân Đồn, Móng Cái, và ở các đảo như Quan Lạn, Ngọc Vừng, Cô Tô, do thiếu cát vàng để xây dựng hoặc giá cát vàng quá cao nên người dân ở đây đã khai thác cát biển tại chỗ để chế tạo vữa xi măng dùng cho xây dựng nhà ở cá nhân. 2.3. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát biển Cát biển được lấy tại mỏ Cái Rồng, Vân Đồn, Quảng Ninh để xác định: - Hàm lượng muối trong cát, - Các chỉ tiêu vật lý của cát. Các thí nghiệm được tiến hành ở Phòng thí nghiệm trọng điểm I, Viện Khoa học công nghệ Bộ GTVT (Ks. Lê Thị Phòng và Đoàn Hồng Thắm); Phòng thí nghiệm Bộ môn GTCC (Ks. Tô Nam Toàn và Hồ Anh Cương), Trường Đại học GTVT và Trung tâm triển khai công nghệ khoáng chất, Trường đại học Mỏ-Địa chất (Ks. Nguyễn Thị Trang). Kết quả thí nghiệm được giới thiệu ở bảng 01 và bảng 02. + Hàm lượng muối trong cát biển: từ 1,30% đến 1,64% + Thành phần hạt của cát biển tại mỏ Cái Rồng TCT2 Bảng 1. Thành phần hạt Cỡ sàng, mm Lượng trên sàng, % Lượng lọt sàng, % Ghi chú 10 0.0 100.0 5 0.0 100.0 2.5 0.0 100.0 1.25 4.5 95.5 0.63 21.8 73.8 0.315 44.4 29.4 0.14 23.9 5.5 Bảng 2. Các chỉ tiêu vật lý của các mẫu TN 06 và 07 TT Chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Mẫu 06 Mẫu 07 01 Khối lượng riêng g/cm 3 TCVN 339-86 2.68 2.69 02 Mô đun độ lớn 342-86 1.79 1.96 03 Khối lượng thể tích g/cm 3 340-86 1.42 1.44 04 Hàm lượng hữu cơ 345-86 Sáng hơn màu chuẩn Sáng hơn màu chuẩn 05 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 343-86 1.56 0.01 06 Độ ăn mòn sun phát % ASTM 088-99a 15.02 9.01 III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU VỀ CƯỜNG ĐỘ CỦA BTXM SỬ DỤNG CÁT BIỂN VÂN ĐỒN 3.1. Chuẩn bị vật liệu và tiến trình thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm - Cát biển Vân Đồn - Ký hiệu CB - Cát vàng Sông Lô - Ký hiệu CV - Đá dăm: Lấy tại mỏ đá thôn 1 xã Hạ Long, Vân Đồn, Quảng Ninh - Xi măng Hoàng Thạch - Ký hiệu HT - Xi măng Lam Thạch - Ký hiệu LT - Phụ gia hoá dẻo Sikament - R4 - Phụ gia muội Silíc Sikacrete - PPI Chế bị mẫu Mẫu TN dùng cát biển: - Thành phần ximăng thay đổi 340 kg, 360 kg, 380 kg, 400 kg, 420 kg cho 1 m 3 bê tông. - Thành phần cát, đá không đổi: 0.45 m 3 cát và 0.80 đá cho 1 m 3 bê tông - Tỷ lệ pha trộn phụ gia dẻo Sikament - R4: Thay đổi từ 0.0 l/100 kg, 0.5 l/100 kg, 0.8 l/100 kg, 1.0 l/100 kg xi măng. - Tỷ lệ pha trộn phụ gia muội Silíc Sikacrete - PPI: Thay đổi từ 0%, 3%, 5% hàm lượng xi măng trong 1 m 3 bê tông. CT 2 - Tỷ lệ nước trong 1 m 3 bê tông thay đổi tuỳ theo tỷ lệ pha trộn phụ gia dẻo. Mẫu TN dùng cát vàng: - Thành phần ximăng thay đổi 340 kg, 360 kg, 380 kg, 400 kg, 420 kg cho 1 m 3 bê tông. - Thành phần cát, đá không đổi: 0.45 m 3 cát và 0.80 đá cho 1 m 3 bê tông - Không sử dụng phụ gia siêu dẻo R4 và phụ gia muội Silíc PPI Tuổi mẫu Mẫu được nén để xác định cường độ ứng với 4 loại ngày tuổi: 7, 14, 28, 60 ngày. Kích thước mẫu Bảng 3. Tổng hợp cường độ kháng nén của mẫu TN với loại và lượng XM thay đổi Mẫu hàm lượng xi măng tương ứng 380 kg/m 3 , 400 kg/m 3 và 420 kg/m 3 được đúc bằng khuôn đúc mẫu có kích thước 10x10x10 cm. Hàm lượng xi măng (kg/1 m 3 ) Loại xi măng Cường độ kháng nén (daN/cm 2 ) Lam Thạch 19 – 27 340 Hoàng Thạch 23 – 35 Lam Thạch 25 – 31 360 Hoàng Thạch 30 – 35 Lam Thạch 26 – 33 380 Hoàng Thạch 32 – 47 Lam Thạch 31 – 45 400 Hoàng Thạch 35 – 54 Lam Thạch 32 – 48 420 Hoàng Thạch 46 – 54 3.2. Kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm với 1500 mẫu được giới thiệu tóm tắt ở bảng 3 và hình 1. Bảng 3 cho thấy cường độ kháng nén của mẫu BTXM cát biển ứng với loại và hàm lượng xi măng khác nhau. Hình 1 là biểu đồ tổng hợp Rn của mẫu thí nghiệm với các ngày tuổi (7; 14; 28 và 60 ngày). SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ THEO THỜI GIAN Đối chứng mẫu đúc bằng cát biển và cát vàng 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 Ngày tuổi (ngày) Cường độ nén (MPa) CB -LT -34-0.0-0 CB -LT -36-0.0-0 CB -LT -38-0.0-0 CB -LT -40-0.0-0 CB -LT -42-0.0-0 CV-LT-34-0.0-0 CV-LT-36-0.0-0 CV-LT-38-0.0-0 CV-LT-40-0.0-0 CV-LT-42-0.0-0 Hình 1. Biểu đồ tổng hợp Rn của mẫu thí nghiệm với các ngày tuổi (7; 14; 28 và 60 ngày) IV. KẾT LUẬN Trữ lượng cát biển ở Quảng Ninh rất lớn, nếu lượng cát này có thể sử dụng để chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng đường ôtô nói riêng và trong cơ sở hạ tầng nói chung thì sẽ tạo điều kiện rất tốt cho Quảng Ninh nhanh chóng phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng nông thôn vùng ven biển và hải đảo; đây thực sự là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc. TCT2 Qua các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát biển cho thấy cát biển Quảng Ninh có chất lượng khá tốt: môđun độ lớn gần bằng cát vàng tiêu chuẩn (xấp xỉ bằng 2); khối lượng riêng khá lớn (~ 2.7 g/cm 3 ); hàm lượng bụi bùn sét khá nhỏ (~0.1%); độ ăn mòn sunphat đạt yêu cầu (9~15%); lượng muối NaCl trong cát biển dao động trong khoảng 1.3 ~ 1.6%. Các mẫu BTXM dùng xi măng Hoàng Thạch đạt cường độ cao hơn các mẫu đúc bằng xi măng Lam Thạch (xi măng địa phương) khoảng 10 - 20%. Các mẫu đúc bằng cát biển có Rn thua kém mẫu dùng cát vàng từ 5% - 10%. Các phụ gia có tác dụng gia tăng cường độ của BTXM, cần thí nghiệm tiếp tục để xác định loại phụ gia và hàm lượng hợp lý. Mẫu BTXM cát biển sau 28 ngày vẫn tăng trưởng cường độ đáng kể. Kết quả nén cho thấy với phần lớn mẫu thí nghiệm cường độ R60 ngày lớn cường độ R28 khoảng 5 - 10%. Tài liệu tham khảo [1]. PGS. TS Trần Tuấn Hiệp - Báo cáo kết quả đề tài NCKH cấp Bộ: "Nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương vùng đồng bằng Sông Cửu Long làm bê tông xi măng trong xây dựng đường ôtô" - Trường Đại Học GTVT , 2000. [2]. KS. Nguyễn Văn Bách - Sử dụng cát biển Vũng Tàu làm móng mặt đường ôtô; Luận án thạc sỹ kỹ thuật - Trường Đại học GTVT, 2001. [3]. KS. Tô Nam Toàn - Nghiên cứu sử dụng cát biển Quảng Ninh làm BTXM trong xây dựng đường ô tô - Luận án Thạc sĩ kỹ thuật - Trường Đại học GTVT, 2004♦ CT 2 . NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT BIỂN QUẢNG NINH CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ PGS. TS. TRẦN TUẤN HIỆP TS. TÔ NAM TOÀN Bộ môn Công trình GTCC Khoa Công trình Trường. tạo bê tông xi măng nhằm hạ giá thành xây dựng? Nếu dùng cát biển để chế tạo bê tông xi măng thì sự ảnh hưởng thể hiện qua một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông xi măng như thế nào? Và có thể sử. LUẬN Trữ lượng cát biển ở Quảng Ninh rất lớn, nếu lượng cát này có thể sử dụng để chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng đường ôtô nói riêng và trong cơ sở hạ tầng nói chung thì sẽ tạo điều kiện