Cát nghiền, hay còn gọi là cát nhân tạo, được đề cập trong các tiêu chuẩn như ASTM C33 và TCVN 9205:2012, đây là loại cốt liệu nhỏ được sản xuất bằng cách nghiền đá để đạt kích thước hạt phù hợp, và được chấp nhận làm giải pháp thay thế cho cát tự nhiên trong sản xuất bê tông khi tuân thủ các yêu cầu của các tiêu chuẩn này.
Theo các tiêu chuẩn trên, cốt liệu nhỏ cho bê tông có thể bao gồm cát tự nhiên, cát nhân tạo hoặc hỗn hợp của cả hai. Các tiêu chuẩn này cũng nhấn mạnh rằng cát nhân tạo phải đảm bảo sạch, cứng và không chứa tạp chất có hại. Việc chuyển sang sử dụng cát nghiền được thúc đẩy bởi:
- Khó khăn về nguồn cát tự nhiên: Nguồn cát sông ngày càng cạn kiệt và bị hạn chế khai thác do yêu cầu bảo vệ môi trường.
- Yêu cầu về tính bền vững: Cát nhân tạo giúp bảo tồn tài nguyên và giảm tác động sinh thái.
Ưu điểm
- Kiểm soát tốt hơn phân bố kích thước hạt, tối ưu hóa thiết kế cấp phối bê tông.
- Cải thiện sự chèn khít giữa các hạt, giảm lỗ rỗng và tăng cường độ.
- Chất lượng ổn định hơn so với cát tự nhiên vốn biến động theo nguồn khai thác.
Các tiêu chuẩn như ASTM C33 và TCVN 9205:2012 cung cấp cơ sở kỹ thuật để đảm bảo cát nghiền đạt hiệu quả tương đương hoặc vượt trội so với cát tự nhiên về độ công tác, phát triển cường độ và độ bền lâu dài.
Các yếu tố môi trường và kinh tế thúc đẩy việc sử dụng cát nghiền
Các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước, điển hình là ASTM C33 và TCVN 9205:2012, đều công nhận cát tự nhiên là loại cốt liệu truyền thống cho bê tông và vữa, đồng thời cho phép sử dụng cát nghiền (cát nhân tạo) như một giải pháp thay thế hợp lý. Xu hướng này xuất phát từ việc khai thác cát sông ngày càng bị hạn chế do yêu cầu bảo vệ môi trường và sự suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Cát nghiền không chỉ góp phần bảo tồn tài nguyên mà còn tận dụng nguồn đá tự nhiên hoặc phế thải từ khai thác mỏ, giúp giảm chi phí vận chuyển và đảm bảo nguồn cung ổn định. Khi đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về mô đun độ lớn, thành phần hạt, độ sạch và các chỉ tiêu hóa lý theo TCVN 9205:2012, cát nhân tạo mang lại khả năng kiểm soát chất lượng tốt hơn, tối ưu hóa thiết kế cấp phối và cải thiện tính đồng nhất của bê tông.
Quy định và thực tiễn ngành
- Việt Nam: Tiêu chuẩn TCVN 9205:2012 quy định rõ phạm vi áp dụng, yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử đối với cát nghiền từ đá tự nhiên để sử dụng trong bê tông và vữa. Tiêu chuẩn này đặt ra các chỉ tiêu về mô đun độ lớn, thành phần hạt, hàm lượng hạt mịn, hàm lượng sét, ion clorua và khả năng phản ứng kiềm–silic nhằm đảm bảo độ bền và chất lượng của bê tông. Việc tuân thủ các yêu cầu này giúp cát nghiền trở thành một lựa chọn thay thế hợp lý cho cát tự nhiên, đáp ứng xu hướng bảo vệ môi trường và ổn định nguồn cung vật liệu xây dựng.
- Quốc tế: ASTM C33 thiết lập các nguyên tắc chung cho việc sử dụng cốt liệu mịn nhân tạo, nhấn mạnh kiểm soát tạp chất và độ bền lâu dài.
Cả hai tiêu chuẩn đều hướng tới mục tiêu đảm bảo cát nghiền đạt hiệu quả tương đương hoặc vượt trội so với cát tự nhiên về độ công tác, phát triển cường độ và độ bền.
Mục tiêu và lợi ích khi sử dụng cát nghiền
- Thay thế cát tự nhiên: Giúp giải quyết tình trạng suy giảm nguồn cát sông và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường do khai thác quá mức.
- Tính bền vững và hiệu quả kinh tế: Tận dụng nguồn đá tự nhiên hoặc phế thải từ khai thác mỏ để sản xuất cát nghiền, giảm chi phí vận chuyển và hỗ trợ thực hành xây dựng bền vững.
- Cải thiện hiệu suất: Khi đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về mô đun độ lớn, thành phần hạt và độ sạch, cát nghiền giúp tăng độ chèn khít, giảm lỗ rỗng, nâng cao cường độ và cải thiện độ công tác của bê tông, đồng thời đảm bảo tính đồng nhất trong cấp phối.
Vai trò trong cải thiện tính chất bê tông
Độ công tác: Cát nghiền khi được kiểm soát thành phần hạt theo quy định về mô đun độ lớn và giới hạn lượng hạt mịn (nhỏ hơn 75 µm và 140 µm) sẽ giúp duy trì tính đồng nhất của cấp phối, hạn chế hiện tượng tách nước và đảm bảo khả năng thi công, kể cả trong bê tông bơm.
Khả năng chịu lực: Nhờ yêu cầu về thành phần hạt và độ sạch (hàm lượng sét ≤ 2%, kiểm soát phản ứng kiềm–silic), cát nghiền tạo sự khóa hạt tốt hơn và mật độ chèn khít cao, từ đó nâng cao cường độ nén và độ bền lâu dài của bê tông và vữa.
Tiêu chuẩn và quy định liên quan
- TCVN 9205:2012 – Cát nghiền cho bê tông và vữa : Quy định phạm vi áp dụng, yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử đối với cát nghiền từ đá tự nhiên.
- ASTM C33-08 & ASTM C33-18 – Tiêu chuẩn về cốt liệu cho bê tông : Đưa ra yêu cầu về thành phần hạt và chất lượng cho cốt liệu nhỏ và lớn, bao gồm cát nhân tạo, với các quy định về tạp chất có hại, độ bền (soundness) và phản ứng kiềm–cốt liệu.
Các yêu cầu kỹ thuật chính
Thành phần hạt (Grading)
ASTM C33:
- Cốt liệu nhỏ phải đáp ứng giới hạn phân tích sàng (ví dụ: 95–100% lọt sàng No.4; 0–3% lọt sàng No.200 đối với cát tự nhiên; tối đa 5–7% đối với cát nhân tạo nếu bụi nghiền sạch, không chứa đất sét/đá phiến).
Mô đun độ mịn: 2,3–3,1.
TCVN 9205:2012:
- Cát thô: Mô đun độ lớn từ lớn hơn 2,0 đến 3,3.
- Cát mịn: Mô đun độ lớn từ 0,7 đến 2,0.
- Thành phần hạt phải nằm trong giới hạn quy định tại Bảng 1:
– Đối với cát thô, lượng sót tích lũy trên sàng 315 µm nằm trong khoảng 65–90%.
– Đối với cát mịn, lượng sót tích lũy trên sàng 315 µm nằm trong khoảng 10–65%.
Ghi chú: Lượng sót riêng trên mỗi sàng không được lớn hơn 45%, và đối với bê tông chịu mài mòn hoặc va đập, hàm lượng hạt lọt qua sàng 140 µm không được lớn hơn 15%.
Độ sạch (Cleanliness)
Cốt liệu dùng cho bê tông và vữa phải đảm bảo không chứa tạp chất hữu cơ, đất sét dạng cục và các chất gây hại cho chất lượng bê tông.
Theo ASTM C33:
- Kiểm tra tạp chất hữu cơ bằng phương pháp thử C40.
- Hàm lượng cục đất sét và hạt dễ vỡ không vượt quá 3% khối lượng mẫu.
- Hàm lượng than và lignite không vượt quá 1% (giảm xuống 0,5% nếu yêu cầu bề mặt bê tông có tính thẩm mỹ cao).
Theo TCVN 9205:2012:
- Hàm lượng hạt sét không lớn hơn 2%.
- Hàm lượng ion Cl⁻ tan trong axít không vượt quá 0,05% đối với bê tông cốt thép thông thường và 0,01% đối với bê tông cốt thép ứng lực trước (theo Bảng 2).
- Cát nghiền phải được kiểm tra khả năng phản ứng kiềm–silic để đảm bảo thuộc vùng cốt liệu vô hại.
Hình dạng hạt (Particle Shape)
Cả hai tiêu chuẩn đều yêu cầu cốt liệu phải có độ cứng và độ bền cao, không chứa các hạt dẹt hoặc thon dài gây ảnh hưởng đến tính đồng nhất và khả năng chịu lực của bê tông.
- ASTM C33: Quy định rằng cốt liệu phải là các hạt có hình dạng ổn định, không có tỷ lệ lớn các hạt dạng phiến hoặc thon dài, nhằm đảm bảo khả năng đầm chặt và giảm nguy cơ phân tầng trong hỗn hợp bê tông.
- TCVN 9205:2012: Đối với cát nghiền, yêu cầu kiểm soát thành phần hạt theo mô đun độ lớn và giới hạn lượng hạt mịn, đảm bảo sự chèn khít tốt. Đối với cốt liệu lớn (tham chiếu TCVN 7570:2006), quy định giới hạn chỉ số dẹt và thon dài để duy trì tính ổn định hình dạng và độ bền cơ học của bê tông.
Hàm lượng hạt mịn (Fines Content)
Kiểm soát lượng hạt mịn là yêu cầu quan trọng để đảm bảo tính công tác và độ bền của bê tông.
Theo ASTM C33:
- Vật liệu lọt qua sàng 75 µm (No.200) không vượt quá 3% đối với cát tự nhiên.
- Đối với cát nghiền (manufactured sand), nếu phần hạt mịn chủ yếu là bụi đá sạch, không chứa sét hoặc tạp chất có hại, giới hạn này có thể tăng lên 5% cho bê tông chịu mài mòn và 7% cho bê tông thông thường.
Theo TCVN 9205:2012:
- Hàm lượng hạt lọt qua sàng 75 µm không lớn hơn 16% đối với cát thô và 25% đối với cát mịn.
- Đối với các kết cấu bê tông chịu mài mòn và va đập, hàm lượng này không được vượt quá 9%.
- Ngoài ra, lượng hạt lọt qua sàng 140 µm cũng được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo độ sạch và tính ổn định của cấp phối.
Lợi ích kỹ thuật
Các tiêu chuẩn như ASTM C33 và TCVN 9205:2012 cho phép sử dụng cát nghiền (cát nhân tạo) khi đáp ứng yêu cầu về thành phần hạt, mô đun độ lớn và độ sạch. Điều này mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho chất lượng và hiệu suất của bê tông:
Tối ưu hóa sự gắn kết hạt và độ đặc của cấu trúc bê tông
Cát nghiền có dạng hạt góc cạnh, giúp các hạt liên kết chặt chẽ hơn trong hỗn hợp bê tông. Sự chèn khít tốt làm giảm lỗ rỗng, tăng khả năng truyền tải trọng và nâng cao cường độ nén, đặc biệt phù hợp cho bê tông kết cấu yêu cầu độ bền cao.
Kiểm soát thành phần hạt và cấp phối
Quá trình sản xuất cát nghiền cho phép điều chỉnh phân bố kích thước hạt theo quy định của tiêu chuẩn, đảm bảo tính ổn định và giảm biến động so với cát tự nhiên. Điều này hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế cấp phối, cải thiện độ công tác và hạn chế hiện tượng tách nước. Đồng thời, việc kiểm soát hàm lượng hạt mịn theo giới hạn quy định giúp giảm nguy cơ co ngót dẻo và tăng độ ổn định của hỗn hợp.
Hiệu quả kinh tế và tính bền vững
Cát nghiền có thể được sản xuất từ nguồn đá tự nhiên hoặc phế thải mỏ đá tại địa phương, giảm chi phí vận chuyển và phụ thuộc vào nguồn cát sông ngày càng khan hiếm. Việc sử dụng cát nghiền góp phần bảo tồn tài nguyên, hạn chế khai thác lòng sông, giảm tác động sinh thái và hỗ trợ thực hành xây dựng bền vững.
Các trường hợp sử dụng điển hình
Bê tông kết cấu (Structural Concrete)
Các tiêu chuẩn kỹ thuật như ASTM C33 và TCVN 9205:2012 cho phép sử dụng cát nghiền làm cốt liệu nhỏ cho bê tông, bao gồm bê tông kết cấu, với điều kiện đáp ứng các yêu cầu về thành phần hạt, mô đun độ lớn và độ sạch. Điều này tạo cơ sở để thay thế cát tự nhiên trong các ứng dụng chịu lực cao, nơi yêu cầu về độ bền và độ ổn định lâu dài là rất quan trọng.
Đối với bê tông cốt thép, việc kiểm soát tạp chất có hại là bắt buộc nhằm ngăn ngừa ăn mòn cốt thép và đảm bảo tuổi thọ công trình. Theo quy định:
- TCVN 9205:2012: Hàm lượng ion Cl⁻ tan trong axít không vượt quá 0,05% đối với bê tông cốt thép thông thường và 0,01% đối với bê tông cốt thép ứng lực trước (Bảng 2). Hàm lượng hạt sét không lớn hơn 2%, đồng thời phải kiểm tra khả năng phản ứng kiềm–silic để đảm bảo cốt liệu vô hại.
- ASTM C33: Giới hạn tạp chất hữu cơ và các hạt có hại như đất sét, than và lignite, đồng thời yêu cầu thử nghiệm để chứng minh tính ổn định và độ bền của bê tông.
Những yêu cầu này giúp duy trì tính toàn vẹn kết cấu và đảm bảo độ bền lâu dài của bê tông trong thực tế thi công.
Bê tông hiệu suất cao (High-Performance Concrete – HPC)
Trong sản xuất bê tông hiệu suất cao, yêu cầu về cường độ, độ bền và khả năng chống xâm thực được đặt ở mức rất nghiêm ngặt. TCVN 9205:2012 cho phép sử dụng cát nghiền khi đáp ứng các chỉ tiêu về mô đun độ lớn, thành phần hạt, độ sạch và giới hạn tạp chất. Đặc tính hạt góc cạnh của cát nghiền giúp tăng sự liên kết giữa các hạt và độ đặc chắc của hỗn hợp, giảm lỗ rỗng và cải thiện khả năng truyền tải trọng, từ đó nâng cao cường độ nén và độ bền lâu dài.
Để đảm bảo tính ổn định trong môi trường xâm thực, tiêu chuẩn yêu cầu:
- Kiểm soát hàm lượng hạt mịn (lọt sàng 75 µm) theo giới hạn quy định: ≤16% đối với cát thô, ≤25% đối với cát mịn, và ≤9% cho bê tông chịu mài mòn.
- Hàm lượng ion Cl⁻ không vượt quá 0,05% đối với bê tông cốt thép thông thường và 0,01% đối với bê tông ứng lực trước.
- Kiểm tra khả năng phản ứng kiềm–silic để đảm bảo cốt liệu vô hại.
Hình 2 – Hàm lượng ion Cl⁻ trong cát nghiền , trích từ TCVN 9205:2012, bảng 2
Tiêu chuẩn ASTM C33 cũng nhấn mạnh việc thực hiện các thử nghiệm về độ bền (soundness) và phản ứng kiềm–cốt liệu, đồng thời quy định giới hạn vật liệu lọt sàng 75 µm (≤3% cho cát tự nhiên, ≤5–7% cho cát nghiền nếu bụi đá sạch).
Khi tuân thủ các yêu cầu này và kết hợp với phụ gia siêu dẻo cùng thiết kế cấp phối hợp lý, cát nghiền trở thành lựa chọn tối ưu cho bê tông hiệu suất cao, đáp ứng đồng thời yêu cầu kỹ thuật và tính bền vững.
Cấu kiện bê tông đúc sẵn (Precast Concrete Elements)
Trong sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn, yêu cầu về độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt rất cao, đòi hỏi cốt liệu mịn có phân bố kích thước hạt ổn định và mô đun độ lớn phù hợp.
ASTM C33 quy định mô đun độ mịn của cốt liệu mịn trong khoảng 2,3–3,1, đồng thời yêu cầu kiểm soát thành phần hạt theo giới hạn của bảng phân tích sàng.
TCVN 9205:2012 phân loại cát nghiền thành:
- Cát thô: mô đun độ lớn từ >2,0 đến 3,3
- Cát mịn: mô đun độ lớn từ 0,7 đến 2,0
Thành phần hạt phải nằm trong phạm vi quy định tại Bảng 1, đảm bảo sự chèn khít và độ đồng nhất của hỗn hợp. Cát nghiền, khi được sản xuất với cấp phối kiểm soát chặt chẽ, có thể đáp ứng các giới hạn này một cách ổn định, giảm biến động so với cát tự nhiên. Điều này giúp tối ưu hóa độ công tác, đảm bảo độ đặc chắc và tạo bề mặt nhẵn cho sản phẩm đúc sẵn, đồng thời nâng cao tính đồng nhất và chất lượng thẩm mỹ của cấu kiện.
Các loại công trình và môi trường phù hợp sử dụng
Cát nghiền được quy định trong TCVN 9205:2012 để sử dụng cho bê tông và vữa khi đáp ứng yêu cầu về thành phần hạt, mô đun độ lớn và độ sạch. Với khả năng kiểm soát cấp phối và đảm bảo độ chèn khít, cát nghiền phù hợp cho nhiều loại công trình, đặc biệt là các kết cấu chịu lực cao như cầu, mặt đường và nhà cao tầng, giúp tăng độ bền và giảm lỗ rỗng trong bê tông.
Đối với môi trường xâm thực mạnh hoặc khu vực ven biển, tiêu chuẩn yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các chỉ tiêu hóa lý nhằm đảm bảo độ bền lâu dài:
- Hàm lượng ion Cl⁻ tan trong axít không vượt quá 0,05% đối với bê tông cốt thép thông thường và 0,01% đối với bê tông ứng lực trước (Bảng 2).
- Kiểm tra khả năng phản ứng kiềm–silic để đảm bảo cốt liệu vô hại, tránh nguy cơ nứt và suy giảm độ bền.
- Hàm lượng hạt sét không lớn hơn 2%, đồng thời kiểm soát hạt mịn theo giới hạn quy định để duy trì tính ổn định của hỗn hợp.
- Những yêu cầu này giúp cát nghiền trở thành giải pháp bền vững, đặc biệt tại khu vực khan hiếm cát tự nhiên, góp phần giảm khai thác lòng sông và bảo vệ môi trường.
Hình 2 – Hàm lượng ion Cl⁻ trong cát nghiền , trích từ TCVN 9205:2012, bảng 2
Thách thức và giải pháp
Việc sử dụng cát nghiền trong bê tông mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng đặt ra một số yêu cầu kỹ thuật cần kiểm soát chặt chẽ:
Độ công tác
Do đặc tính hạt góc cạnh và hàm lượng hạt mịn cao, cát nghiền thường làm tăng nhu cầu nước, giảm độ sụt và gây khó khăn trong quá trình bơm nếu cấp phối không hợp lý. ASTM C33 lưu ý rằng cấp phối gần giới hạn thấp của sàng 300 µm và 150 µm có thể dẫn đến hiện tượng tách nước và giảm tính ổn định của hỗn hợp.
Nhu cầu nước và cấp phối
Hàm lượng hạt mịn vượt quá giới hạn cho phép làm tăng tỷ lệ nước–xi măng, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền lâu dài. TCVN 9205:2012 quy định hàm lượng hạt nhỏ hơn 75 µm không vượt quá 16% đối với cát thô và 25% đối với cát mịn, đồng thời yêu cầu kiểm soát hạt sét ≤2%.
Giải pháp khuyến nghị:
- Sử dụng phụ gia siêu dẻo để giảm nước mà vẫn duy trì độ công tác, kết hợp phụ gia khoáng hoặc khí cuốn nhằm cải thiện khả năng bơm.
- Tối ưu hóa cấp phối bằng cách điều chỉnh mô đun độ lớn, phối trộn cát nghiền với cát tự nhiên hoặc cốt liệu khác để đạt phân bố hạt phù hợp.
- Kiểm soát chất lượng hạt mịn, đảm bảo bụi nghiền sạch, không chứa khoáng sét, đồng thời thử nghiệm tạp chất hữu cơ và phản ứng kiềm–silic để ngăn ngừa sự cố về độ bền.
Những giải pháp này giúp đảm bảo cát nghiền đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, duy trì hiệu suất và độ bền của bê tông trong thực tế thi công.
Triển vọng tương lai của cát nghiền trong xây dựng bền vững
Sự suy giảm nguồn cát tự nhiên cùng với các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt đang thúc đẩy xu hướng sử dụng cát nghiền trong ngành xây dựng. Các tiêu chuẩn kỹ thuật như ASTM C33 và TCVN 9205:2012 đã thiết lập cơ sở pháp lý và kỹ thuật rõ ràng, đảm bảo việc ứng dụng cát nghiền trong bê tông kết cấu, bê tông hiệu suất cao và các sản phẩm đúc sẵn được thực hiện an toàn và đáng tin cậy.
Khi kết hợp với thiết kế cấp phối tối ưu và công nghệ phụ gia tiên tiến, cát nghiền không chỉ cải thiện độ công tác mà còn nâng cao độ bền lâu dài của bê tông. Với những lợi ích này, cát nghiền được dự báo sẽ trở thành vật liệu chủ chốt trong thực hành xây dựng xanh, góp phần bảo tồn tài nguyên và giảm tác động môi trường.
Bài liên quan:
- Tác động của mưa đến bê tông và đảm bảo chất lượng trong mùa mưa
- Sự khác biệt giữa hàm lượng bọt khí (Air content) và lỗ khí bề mặt (Bugholes)
- Bê tông tự lèn: Định nghĩa, yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng – Diễn dẫn từ TCVN 12209:2018
Từ khóa:
- tcvn 9205 2012
- cát nghiền là gì
- các chú ý khi sử dụng cát nghiền
- cấp phối bê tông cát nghiền\
- tcvn cát nghiền
- tiêu chuẩn cát bê tông
- tcvn 9205 2012 pdf
Tài liệu tham khảo:
