Vật liệu bê tông xi măng cho xây dựng hạ tầng giao thông

Khởi nguyên ban đầu về vật liệu xi măng và bê tông ở Việt Nam

Cùng với lịch sử ra đời vật liệu xi măng và bê tông ở châu Âu vào đầu thế kỷ thứ 19 để phục vụ cuộc cách mạng công nghiệp hóa trên toàn cầu, vật liệu xi măng và bê tông khởi nguyên ở Việt Nam bắt đầu từ cuối thế kỷ 19, khi người Pháp mang công nghệ sản xuất xi măng đến Việt Nam và là nhà máy duy nhất Đông Dương lúc bấy giờ.

Năm 1899, người Pháp đã xây dựng nhà máy xi măng Hải Phòng, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong việc sản xuất xi măng tại Việt Nam. Đây là nhà máy xi măng đầu tiên, sử dụng công nghệ lò đứng với công suất ban đầu chỉ khoảng 20.000 tấn/năm, chủ yếu sản xuất theo phương pháp thủ công.

Xi măng sản xuất tại đây được sử dụng để xây dựng các công trình hạ tầng do người Pháp thiết kế, bao gồm cầu và đường ô tô tại các đô thị lớn như Hà Nội, Hải Phòng và Sài Gòn.

Trong giai đoạn này, bê tông xi măng chủ yếu được ứng dụng trong các công trình cầu và đường bộ quan trọng, chẳng hạn như cầu Long Biên (Hà Nội, năm 1902), vật liệu bê tông xi măng được sử dụng để làm móng, trụ cầu và một số cấu kiện khác, kết hợp với thép nhập khẩu từ Pháp.

Tuyến đường QL1 cũng bắt đầu sử dụng bê tông xi măng để làm mặt đường ở một số đoạn trọng điểm. Tuy nhiên, phần lớn các con đường vẫn được làm từ đất nện hoặc đá dăm do hạn chế về nguồn lực và công nghệ. Bê tông xi măng trong giai đoạn này chủ yếu phục vụ các công trình quân sự và hành chính của chính quyền thuộc địa, chưa phổ biến trong các công trình dân dụng.

Phát triển và ứng dụng những thành tựu khoa học của ngành xây dựng

Sau khi Việt Nam giành độc lập năm 1945, ngành công nghiệp xi măng và bê tông xi măng tiếp tục phát triển, dù gặp nhiều khó khăn do chiến tranh và thiếu thốn nguồn lực. Trong những năm 1950 - 1970, miền Bắc Việt Nam tập trung xây dựng cơ sở hạ tầng để phục vụ kháng chiến và phát triển kinh tế. Các nhà máy xi măng như Xi măng Bỉm Sơn (tỉnh Thanh Hóa) và Xi măng Hoàng Thạch (tỉnh Hải Dương cũ) được thành lập với sự hỗ trợ kỹ thuật từ Liên Xô và Trung Quốc, nâng công suất sản xuất xi măng lên đáng kể.

Trong bối cảnh kinh tế khó khăn và thiếu thốn vật liệu sắt thép, các nhà khoa học ở Trường Đại học GTVT đã tạo ra một loại vật liệu mới bê tông lưới thép (ferrocement). Loại vật liệu này sử dụng xi măng kết hợp với lưới thép tự chế từ phế liệu, tạo ra các cấu kiện nhẹ, bền và tiết kiệm chi phí. Một ứng dụng nổi bật của bê tông lưới thép là trong đóng tàu thuyền, với hơn 3.000 tàu thuyền được chế tạo ở miền Bắc trong thập niên 1970 - 1980. Mặc dù chủ yếu được sử dụng trong ngành Hàng hải, công nghệ này cũng được áp dụng thử nghiệm trong xây dựng cầu và đường nhỏ ở các vùng nông thôn, nơi thiếu thốn vật liệu truyền thống.

Trong lĩnh vực xây dựng cầu, bê tông xi măng được sử dụng rộng rãi trong các công trình như cầu Thăng Long (Hà Nội, khánh thành năm 1985), một công trình lớn sử dụng bê tông cốt thép dự ứng lực. Công nghệ này cho phép xây dựng các nhịp cầu dài hơn, chịu tải trọng lớn hơn, phù hợp với nhu cầu giao thông ngày càng tăng.

Về mặt đường ô tô, bê tông xi măng bắt đầu được sử dụng ở các tuyến đường nông thôn và đường liên tỉnh, đặc biệt trong các dự án giao thông nông thôn mới. Quy trình thi công đường bê tông xi măng thời kỳ này thường sử dụng công nghệ đơn giản, với ván khuôn cố định và đầm thủ công, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội Việt Nam lúc bấy giờ.

Tuy nhiên, do chiến tranh và cấm vận, việc nhập khẩu phụ gia và công nghệ tiên tiến bị hạn chế, dẫn đến chất lượng bê tông xi măng chưa đồng đều. Các công trình cầu và đường thường phải sử dụng vật liệu địa phương, như: Cát, đá và xi măng sản xuất trong nước, với tỷ lệ phối trộn được điều chỉnh để tối ưu hóa độ bền trong điều kiện thiếu thốn.

Hiện đại hóa và phát triển bền vững

Từ sau khi đất nước bước vào công cuộc đổi mới năm 1986, ngành công nghiệp xi măng và bê tông xi măng ở Việt Nam bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Năng lực sản xuất xi măng tăng vọt, đạt trên 100 triệu tấn/năm vào đầu thế kỷ 21, đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia xuất khẩu xi măng hàng đầu thế giới.

Các nhà máy xi măng lớn như Vicem Hà Tiên, Nghi Sơn, và Long Sơn đã áp dụng công nghệ lò quay hiện đại, sản xuất xi măng chất lượng cao như xi măng PCB 40 và xi măng bền sunfat, phù hợp cho các công trình cầu và đường chịu tác động của môi trường khắc nghiệt.

Trong lĩnh vực xây dựng cầu, hầm, đường sắt đô thị, bê tông cường độ cao (High Strength Concrete - HSC) bắt đầu được ứng dụng từ những năm 2000 ở cầu Bắc Mỹ Thuận (2000, bê tông dầm C50), cầu Cần Thơ (2010, bê tông dầm C50), cầu Nhật Tân (2015, bê tông dầm C50), sữa chữa mặt cầu Thăng Long (2021, bê tông mặt 120MPa), đường sắt Cát Linh - Hà Đông (2021, dầm bê tông C50), đường sắt Nhổn - Ga Hà Nội (bê tông dầm C50), bê tông các hầm chui đô thị thường có cường độ C50. Bê tông cường độ cao, với cường độ chịu nén từ 40 MPa, được thiết kế với tỷ lệ nước/xi măng thấp và sử dụng phụ gia như tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn, silica fume, để tăng độ bền, giảm độ thấm và chống lại sự tấn công của clorua, đặc biệt phù hợp cho các công trình cầu, cảng ven biển.

Hiện nay, đã xây dựng TCVN về bê tông cường độ cao TCVN 10306 quy định cường độ bê tông trên mẫu trụ tiêu chuẩn từ 55MPa trở lên theo quy định chung của châu Âu và Mỹ.

Về xây dựng đường ô tô, sân bay, bê tông xi măng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các tuyến đường cao tốc và đường có lưu lượng giao thông lớn, như cao tốc Bắc - Nam, các tuyến đường tuần tra biên giới, sân bay Long Thành, sân bay Gia Bình... Theo TCCS39:2022/TCĐBVN, mặt đường bê tông xi măng được thiết kế với các lớp móng gia cố xi măng, đảm bảo độ cứng và khả năng chịu lực cao. Công nghệ thi công hiện đại, như ván khuôn trượt và máy rải bê tông tự động, đã được áp dụng để tăng hiệu quả và chất lượng thi công.

Lĩnh vực xây dựng cảng biển và công trình hàng hải: Với 90 cảng biển và gần 100 vị trí tiềm năng xây dựng cảng biển, bê tông xi măng sẽ được dùng với khối lượng rất lớn, nhưng đến nay các loại bê tông xi măng đang dùng đa số là cường độ từ C40 trở xuống, điều này cũng dẫn tới mức độ xuống cấp do ăn mòn cốt thép của các công trình cảng dễ xảy ra. Đối với công trình cảng biển cần sử dụng bê tông tính năng cao (HPC) như Trung Quốc hiện nay đang quy định.

Những năm gần đây, xu hướng phát triển bền vững, việc kết hợp xi măng với các chất kết dính phụ thêm để làm xanh hóa và cải thiện độ bền của bê tông làm cơ sở hạ tầng giao thông cũng được nghiên cứu ở các trường đại học và viện nghiên cứu. Bê tông chịu mặn, bê tông đường sắt cũng được đưa vào sử dụng trong thời gian tới.

Vật liệu xi măng và bê tông xi măng ở Việt Nam trong xây dựng cầu và đường ô tô phản ánh sự tiến bộ vượt bậc của ngành xây dựng qua các giai đoạn lịch sử. Từ những ngày đầu sử dụng công nghệ thủ công của người Pháp, qua giai đoạn sáng tạo với bê tông lưới thép trong thời kỳ kháng chiến, đến thời kỳ hiện đại hóa với bê tông cường độ cao và các giải pháp bền vững, bê tông xi măng đã đóng vai trò không thể thiếu trong sự phát triển hạ tầng giao thông Việt Nam. Trong tương lai, với sự hỗ trợ của công nghệ tiên tiến và xu hướng phát triển xanh, vật liệu này sẽ tiếp tục được cải tiến để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của các công trình cơ sở hạ tầng giao thông: Cầu, hầm, đường ô tô, đường sắt và cảng biển…

Với các công trình cơ sở hạ tầng giao thông có điều kiện phơi nhiễm cao nên sử dụng chính là các loại bê tông tính năng cao (có thể là cường độ không cần cao trên 55MPa như TCVN quy định song các tính năng khác phải cao) do đó nhanh chóng xây dựng đồng bộ các TCVN về xi măng, cốt liệu, thiết kế thi công nghiệm thu nhất là đối với bê tông trong xây dựng đường ô tô, bê tông trong xây dựng công trình cảng biển và hàng hải, bê tông trong xây dựng công trình đường sắt tốc độ cao.