Cốt liệu là gì? Các nghiên cứu khoa học về Cốt liệu

Cốt liệu là gì?

Cốt liệu là vật liệu hạt rời, chiếm thành phần chính trong các sản phẩm xây dựng như bê tông, vữa, bê tông nhựa, với vai trò làm khung xương chịu lực và giảm thiểu biến dạng cho vật liệu kết dính như xi măng, nhựa đường hoặc vôi. Trong hỗn hợp bê tông, cốt liệu không tham gia vào phản ứng hóa học đóng rắn nhưng lại quyết định đến độ bền cơ học, khả năng thi công, tính ổn định thể tích và tuổi thọ của kết cấu. Tùy vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật, cốt liệu có thể là tự nhiên (sỏi, cát, đá nghiền) hoặc nhân tạo (tro bay, xỉ lò cao, đất sét nung...).

Cốt liệu thường chiếm khoảng 60–80% thể tích hỗn hợp bê tông, vì vậy việc lựa chọn loại cốt liệu phù hợp là yếu tố then chốt trong thiết kế cấp phối và đảm bảo chất lượng công trình. Ngoài ra, cốt liệu còn ảnh hưởng đến chi phí vật liệu, khả năng tái chế và tính bền vững của xây dựng. Do đó, các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và trong nước đều có những quy định chặt chẽ về kiểm tra, phân loại và đánh giá chất lượng cốt liệu. Bạn có thể tìm hiểu chi tiết vai trò của cốt liệu trong sản xuất bê tông tại Portland Cement Association.

Phân loại cốt liệu trong xây dựng

1. Theo kích thước hạt

• Cốt liệu nhỏ: Là loại có kích thước hạt chủ yếu từ 0.075 mm đến 4.75 mm, bao gồm cát tự nhiên, cát nghiền hoặc hỗn hợp. Cốt liệu nhỏ đóng vai trò lấp đầy khoảng trống giữa các hạt lớn, tăng độ đặc chắc của hỗn hợp.
• Cốt liệu lớn: Có kích thước từ 4.75 mm đến 40 mm (thậm chí lên đến 75 mm trong một số loại bê tông khối lớn). Gồm sỏi tự nhiên, đá dăm nghiền từ đá tự nhiên, thường dùng trong bê tông kết cấu như móng, sàn, dầm, cột.

2. Theo nguồn gốc hình thành

• Cốt liệu tự nhiên: Lấy từ sông, suối, mỏ đá, mỏ cát, thường ít cần xử lý. Ưu điểm là ổn định, dễ sử dụng, tuy nhiên ngày càng cạn kiệt và chịu sự kiểm soát khai thác nghiêm ngặt.
• Cốt liệu nhân tạo: Sản xuất từ các quá trình công nghiệp như nung đất sét, nghiền bê tông phế thải, hoặc sử dụng phụ phẩm công nghiệp như xỉ luyện kim, tro bay – tham khảo thêm tại ScienceDirect.

3. Theo khối lượng riêng

• Cốt liệu nặng: Dùng cho bê tông bức xạ hoặc bê tông chắn phóng xạ, khối lượng riêng thường trên 3000 kg/m³. Ví dụ: barit, magnetit, hematit.
• Cốt liệu thông thường: Có khối lượng riêng từ 2400–2800 kg/m³, phổ biến nhất trong các công trình dân dụng và công nghiệp.
• Cốt liệu nhẹ: Có khối lượng dưới 2000 kg/m³, thường dùng cho bê tông cách nhiệt, cách âm hoặc giảm tải trọng tĩnh – ví dụ: đá bọt, đất sét nung, vermiculite.

Tiêu chuẩn và chỉ tiêu kỹ thuật của cốt liệu

Chất lượng cốt liệu được kiểm soát bằng các tiêu chí kỹ thuật cụ thể, được quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế:

• Độ sạch: Cốt liệu không được lẫn tạp chất hữu cơ, đất sét, bùn, chất hữu cơ hoặc muối clorua. Các tạp chất này có thể gây cản trở sự kết dính giữa cốt liệu và xi măng, làm giảm cường độ và tuổi thọ bê tông.
• Độ bền cơ học: Được đánh giá qua thí nghiệm mài mòn Los Angeles (LA abrasion test), giúp xác định khả năng chịu mài mòn và va đập của cốt liệu lớn.
• Độ hút nước và độ rỗng: Phản ánh khả năng giữ nước trong hạt cốt liệu, ảnh hưởng đến tỷ lệ nước/xi măng và tính công tác của bê tông.
• Phân bố kích thước hạt: Thông qua thí nghiệm sàng, đảm bảo cấp phối hợp lý, tránh phân tầng, tăng độ đặc chắc.
• Hàm lượng hạt yếu, dẹt, dài: Các hạt có hình dạng không chuẩn sẽ làm giảm liên kết cơ học trong bê tông.

Ảnh hưởng của cốt liệu đến chất lượng bê tông

Cốt liệu không chỉ là vật liệu độn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của bê tông ở cả trạng thái tươi và sau khi đóng rắn:

• Ảnh hưởng đến cường độ: Cốt liệu có cường độ cao và liên kết tốt với hồ xi măng sẽ tạo ra bê tông có khả năng chịu lực tốt hơn.
• Ảnh hưởng đến độ sụt: Hình dạng và độ nhẵn của hạt ảnh hưởng đến khả năng chảy và thi công của bê tông tươi.
• Khả năng chống nứt: Cốt liệu lớn giúp giảm lượng hồ xi măng, từ đó giảm co ngót và nguy cơ nứt sớm.
• Độ bền lâu: Cốt liệu đặc chắc, ít hút nước giúp cải thiện khả năng chống thấm, chống xâm thực, tăng tuổi thọ kết cấu trong môi trường khắc nghiệt.

Tính toán cấp phối cốt liệu trong bê tông

Thiết kế cấp phối bê tông yêu cầu tính toán chính xác tỷ lệ giữa xi măng, nước, cốt liệu nhỏ và lớn để đạt được cường độ, độ sụt và độ bền yêu cầu. Một công thức cơ bản để tính thể tích hỗn hợp bê tông như sau:

$V_{total} = V_{cement} + V_{water} + V_{fine\ aggregate} + V_{coarse\ aggregate} + V_{admixtures}$

Trong đó:

• $V_{total}$: Tổng thể tích hỗn hợp (thường là 1 m³)
• $V_{cement}, V_{water}, ...$: Thể tích từng thành phần trong hỗn hợp

Phân tích tỉ lệ cốt liệu phù hợp là yếu tố quyết định tính chất cơ lý của bê tông sau khi đóng rắn.

Tiêu chuẩn áp dụng

• TCVN 7570:2006 – Việt Nam: Cốt liệu cho bê tông và vữa – yêu cầu kỹ thuật. Xem tiêu chuẩn.
• ASTM C33: Tiêu chuẩn Mỹ cho cốt liệu dùng trong bê tông. Xem chi tiết.
• EN 12620: Tiêu chuẩn châu Âu về cốt liệu cho bê tông. Xem tài liệu.

Ứng dụng thực tế của cốt liệu

Cốt liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại kết cấu và sản phẩm xây dựng:

• Bê tông kết cấu: Dùng trong móng, dầm, cột, sàn của nhà cao tầng, cầu đường, nhà xưởng.
• Bê tông nhẹ: Dùng trong xây dựng nhà tiền chế, cách nhiệt mái nhà, sàn chống nóng.
• Vữa xây và trát: Cốt liệu mịn như cát đóng vai trò quan trọng trong tính kết dính và độ dẻo.
• Đường giao thông: Cốt liệu kết hợp với nhựa đường để tạo ra bê tông nhựa asphalt.

Xu hướng sử dụng cốt liệu xanh và tái chế

Trong bối cảnh khan hiếm tài nguyên và yêu cầu về phát triển bền vững, ngành xây dựng đang dần chuyển sang các loại cốt liệu thân thiện môi trường:

• Cốt liệu tái chế từ bê tông phá dỡ: Giúp giảm khai thác cát, đá tự nhiên, giảm chi phí và khí thải carbon.
• Cốt liệu từ chất thải rắn công nghiệp: Như tro bay, xỉ lò cao, bã xỉ nhiệt điện – sau xử lý có thể thay thế một phần cốt liệu truyền thống.
• Cốt liệu nhẹ cách nhiệt: Như perlite, vermiculite, được dùng nhiều trong nhà dân dụng và công trình xanh.

Xem thêm nghiên cứu tại Journal of Cleaner Production.

Kết luận

Cốt liệu là thành phần không thể thiếu trong sản xuất bê tông và vữa, ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ ổn định và hiệu quả thi công công trình xây dựng. Việc lựa chọn cốt liệu phù hợp, tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật và ứng dụng đúng cấp phối giúp đảm bảo chất lượng công trình, tiết kiệm chi phí và hướng tới phát triển xây dựng bền vững. Với xu hướng phát triển công trình xanh, việc nghiên cứu và ứng dụng cốt liệu tái chế, thân thiện với môi trường sẽ ngày càng trở thành ưu tiên trong ngành xây dựng hiện đại.