Luận chứng cơ sở khoa học lựa chọn vật liệu xây dựng thân thiện môi trường. Ví dụ cho dự án xây dựng đại học quốc gia hà nội tại Hòa Lạc

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 27 LUẬN CHỨNG CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU XÂY DỰNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG. VÍ DỤ CHO DỰ ÁN XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TẠI HÒA LẠC HOÀNG MINH ĐỨC*, TRẦN MẠNH LIỂU**, NGUYỄN NGỌC TRỰC, NGUYỄN QUANG HUY, TRƢƠNG VĂN THỊNH, HOÀNG ĐÌNH THIỆN, NGUYỄN VĂN THƢƠNG Scientific-Based Demonstration for the Choice of Environmentlly- Friendly Construction Materials: An Example of Project of Vietnam National University, Hanoi, in Hoa Lac Abstracts: Environmentally-friendly construction materials has exceptional features to those of traditional construction materials in insulation stability, reduces heat radiation, low-carbon and efficiency in economy, technology. The paper has scientific-based demonstration for the Choice of environmentally-friendly construction materials, such as materials for load- bearing structures, materials for cover, separating, finishing materials, waterproof materials and applying recommendations to construction project of Vietnam National University, Hanoi in Hoa Lac. 1. GIỚI THIỆU * Khái niệm “vật liệu thân thiện với môi trường” ngày nay không còn xa lạ. Sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường đang trở thành xu hướng của ngành công nghiệp xây dựng trên thế giới. Thị trường vật liệu xây dựng ngày càng xuất hiện nhiều loại vật liệu thân thiện với môi trường. Chúng có những tính năng vượt trội so với những loại vật liệu xây dựng truyền thống. Việc luận chứng cơ sở khoa học và thực tiễn trong lựa chọn các vật liệu xây dựng phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường, kinh tế và xã hội là điều cần thiết và là trọng tâm nghiên cứu của bài báo. Bên cạnh những lợi ích về mặt môi * Viện KHCN Xây dựng, Bộ Xây dựng 81 Trần Cung, Cầu Giấy, Hà Nội Email: hmduc@yahoo.com ** Đại học Quốc gia Hà Nội Email: heutm@vnn.edu.vn trường, yếu tố kinh tế - kỹ thuật đóng vai trò to lớn quyết định khả năng sử dụng và phổ biến loại vật liệu này. Nhiều chính sách đã được Chính phủ ban hành nhằm đẩy mạnh sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường ở nước ta. 2. NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Tiết kiệm sử dụng VLXD, sử dụng vật liệu tái chế, vật liệu dễ chế tạo, vật liệu được tạo thành tiêu tốn ít năng lượng, vật liệu có nguồn gốc tự nhiên. Tỷ lệ mặt tiền công trình sử dụng cửa kính phải được tính toán hợp lý phục vụ việc lấy ánh sáng, thông thoáng tự nhiên. Không lạm dụng kính nhiều vì sẽ gây hiệu ứng nhà kính làm không khí nóng lên dưới ánh nắng mặt trời và sẽ tốn rất nhiều năng lượng điện để làm mát. Cấu tạo lớp vỏ bọc công trình phải được tính toán thiết kế nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng điện trong điều hòa, thông thoáng, chiếu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 28 sáng, tăng cường sử dụng hiệu quả thông thoáng, chiếu sáng tự nhiên. Các mảng tường bao chắn cần được xây dựng bằng vật liệu cách nhiệt như gạch rỗng, bê thông xốp, tường 2 lớp cách nhiệt. Trong nghiên cứu này, VLXD được xem xét theo các nhóm: vật liệu cho kết cấu chịu lực, vật liệu bao che và ngăn cách, vật liệu hoàn thiện và các vật liệu khác. 3. ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG CÁC LOẠI VẬT LIỆU THÂN THIỆN MÔI TRƢỜNG TRONG CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG XANH 3.1. Yêu cầu chung Yêu cầu đối với vật liệu sử dụng trong công nghệ xây dựng xanh bên cạnh các yêu cầu về chức năng như VLXD thông thường còn là thân thiện với môi trường, đáp ứng các yêu cầu đặc biệt về ổn định và cách nhiệt, giảm bức xạ nhiệt và có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao. 3.2 Vật liệu cho kết cấu chịu lực Vật liệu cho kết cấu chịu lực bao gồm bê tông nặng, bê tông nhẹ kết cấu, thép cốt và kết cấu kim loại. Ngày nay, việc nâng cao hiệu quả của bê tông gắn liền với việc phát triển các loại bê tông đặc biệt (bê tông chất lượng cao, bê tông cường độ cao, bê tông tự đầm, ...) và nâng cao mức độ thân thiện môi trường của bê tông như sử dụng phế thải hoặc sử dụng vật liệu địa phương. Sản phẩm bê tông đòi hỏi nâng cao một hoặc một vài tính chất của bê tông phục vụ cho các ứng dụng cụ thể. Đối với các kết cấu bê tông cốt thép chịu lực, đó là sử dụng bê tông cường độ cao kết hợp với các loại thép cường độ cao, thép dự ứng lực thiết kế các kết cấu bê tông cốt thép vượt nhịp, giảm thiết diện kết cấu. Bê tông cường độ cao nên được cân nhắc sử dụng cho các kết cấu chịu lực như cột hoặc dầm, trong các công trình nhà cao tầng, nhà thi đấu, sân vận động. Đối với kết cấu bao che, đó là giảm khối lượng thể tích, giảm hệ số dẫn nhiệt nhằm tiết kiệm năng lượng, nâng cao khả năng chống thấm. Bê tông nhẹ kết cấu nên được sử dụng cho các kết cấu mái, kết cấu vượt nhịp trong công trình nhà cao tầng, nhà thi đấu. Bê tông nhẹ cách nhiệt nên sử dụng cho các kết cấu tường bao che và tường ngăn cho cả nhà cao tầng và các công trình thấp tầng. Đối với các kết cấu có mật độ cốt thép cao, hình dạng phức tạp đó là việc sử dụng bê tông tự đầm nhằm đảm bảo chất lượng và tiết kiệm chi phí nhân công, máy. Bê tông tự đầm phù hợp cho các kết cấu có hàm lượng thép cao như các cột, dầm nhà cao tầng, các kết cấu có yêu cầu về chống thấm như tường, sàn tầng hầm các công trình. Việc tối ưu hóa các tính chất của bê tông được thực hiện thông qua việc lựa chọn vật liệu đầu vào và tối ưu hóa cấp phối bê tông. Trong các vật liệu thành phần của bê tông thì xi măng có chỉ số phát thải cacbon lớn nhất. Do đó, giảm lượng dùng xi măng là hướng ưu tiên hàng đầu trong mục tiêu pháp triển xanh, bền vững của bê tông. Giảm lượng dùng xi măng trong khi vẫn giữ nguyên và cải thiện các tính chất của bê tông có thể được thực hiện bằng các biện pháp sau: (1) sử dụng phụ gia giảm nước để giảm lượng dùng xi măng trong khi vẫn giữ nguyên được tỷ lệ nước trên xi măng, hay giữ nguyên được cường độ bê tông; (2) sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính thay thế một phần xi măng; (3) chỉ định tuổi thiết kế sau 28 ngày. Việc chỉ định tuổi thiết kế hợp lý sẽ giúp tiết kiệm được xi măng trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng công trình. Bên cạnh đó, để nâng cao hiệu quả bê tông cần ưu tiên sử dụng nguồn vật liệu địa phương. Giảm nhu cầu vận chuyển vật liệu giúp giảm chi phí và năng lượng tiêu hao cho công tác này. Nhờ đó, lượng phát thải cacbon cũng sẽ được giảm thiểu. Các dạng vật liệu như phế thải phá dỡ công trình xây dựng, phế thải của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim, ... sau khi sơ chế hợp lý đều có thể sử dụng có hiệu quả trong bê tông. Đây biện pháp có tác dụng tích cực, chủ động giải quyết vấn đề môi trường không những của ngành xây dựng mà còn của toàn xã hội. Chỉ số ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 29 phát thải cacbon của bê tông khi áp dụng kết hợp nhiều biện pháp công nghệ vật liệu có thể giảm xuống dưới 0,15 kg CO2/kg. 3.3 Vật liệu cho kết cấu bao che và ngăn cách Vật liệu cho kết cấu bao che và ngăn cách bao gồm khối xây, vách ngăn, kính - kết cấu kính và mái che. Nâng cao hiệu quả của kết cấu bao che trên góc độ sử dụng năng lượng hiệu quả gắn liền với việc giảm tổng giá trị truyền nhiệt qua kết cấu bao che. Truyền nhiệt qua kết cấu bao che liên quan đến tác động gia tăng nhiệt độ của bức xạ mặt trời và truyền nhiệt của bản thân vật liệu. Để hạn chế tác động của bức xạ mặt trời, cần bố trí các kết cấu che nắng, giảm bớt tỷ lệ kính trên tổng diện tích bao che, sử dụng vật liệu có hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời thấp. Để giảm truyền nhiệt qua kết cấu tường đăc cần ưu tiên sử dụng các vật liệu nhẹ. Cần tiến hành thẩm định hiệu quả của kết cấu bao che trên góc độ sử dụng năng lượng hiệu quả. Kết quả thẩm định là căn cứ để chấp thuận phương án thiết kế và vật liệu sử dụng. Với công trình nhà cao tầng, nhà thi đấu có sử dụng tỷ lệ lớn kết cấu mặt dựng bằng kính, cửa sổ kính cần chú ý các biện pháp che nắng bằng các kết cấu đua ra. Ngoài ra cần lựa chọn sử dụng các loại kính tiết kiệm năng lượng, có hệ số truyền nhiệt thấp, kính nhiều lớp, phản quang, ...kết hợp với hệ thanh định hình có hệ số dẫn nhiệt thấp. Với công trình thấp tầng, biện pháp hiệu quả là sử dụng các kết cấu che nắng, mái hiên, mái đua. Đối với cửa sổ nên bố trí hệ cửa chớp bên ngoài của kính để vừa đảm bảo lấy sáng vừa hạn chế bức xạ nhiệt lên cửa kính. Kết cấu bao che cho nhà cao tầng nên sử dụng khối xây gạch bê tông nhẹ vừa giúp cách nhiệt cho công trình, vừa giảm tải trọng lên kết cấu móng. Còn đối với các công trình thấp tầng, có thể cân nhắc sử dụng các sản phẩm gạch bê tông đá mạt, nhất là các loại gạch bê tông có sử dụng phế thải công nghiệp. Kết cấu tường xây trong công trình chiếm tỷ trọng khá lớn, sử dụng hợp lý vật liệu xây sẽ giúp cắt giảm đáng kể lượng phát thải cacbon. 3.4 Vật liệu hoàn thiện Vật liệu hoàn thiện gồm vật liệu ốp lát và sơn. Công tác hoàn thiện có vai trò quan trọng có tính quyết định đến công năng sử dụng và vẻ đẹp thẩm mỹ của công trình và chiếm tỷ trọng lớn trong các công trình xây dựng. Các phương án hoàn thiện rất đa dạng hơn và được đánh giá, lựa chọn theo nhiều tiêu chí, góc độ, trong đó yếu tố thẩm mỹ và các ý kiến chủ quan có ảnh hưởng đáng kể. 3.5 Vật liệu chống thấm Một số vật liệu chống thấm chính được sử dụng trong xây dựng bao gồm bê tông chống thấm, vữa chống thấm, sơn chống thấm, tấm chống thấm, băng cản nước và các loại vật liệu khác. Chống thấm là một công tác có tính đặc thù cao, trong đó, bên cạnh việc lựa chọn vật liệu, việc xác định chính xác các nguy cơ thấm, lựa chọn các giải pháp hợp lý, thiết kế các chi tiết chống thấm phù hợp và đảm bảo chất lượng trong thi công có vai trò quyết định đến chất lượng chống thấm. 4. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MỘT SỐ LOẠI VẬT THÂN THIỆN MÔI TRƢỜNG CHO ĐÔ THỊ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TẠI HÒA LẠC 4.1. Tổng quan dự án Đại học Quốc gia Hà Nội tại Hòa Lạc Hình1. Vị trí xây dựng Đại học Quốc gia Hà Nội tại Hòa Lạc [1] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 30 Khu vực quy hoạch xây dựng đô thị Đại học quốc gia Hà Nội (ĐHGQHN) tại Hòa lạc, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội, được giới hạn ở phía Đông là quốc lộ 21, phía Bắc cách đường băng sân bay Hòa Lạc khoảng 1000m, phía Nam giáp đường Láng Hòa Lạc, phía Tây giáp núi Thằn Lằn. Tổng diện tích quy hoạch là 1000 ha, thiết kế cho quy mô đào tạo 60 000 sinh viên (2020) và 100 000 sinh viên (năm 2050), thời gian thực hiện 2003 - 2020, bao gồm 21 dự án thành phần: 01: Dự án đền bù GPMB; 02: Dự án hệ thống hạ tầng kỹ thuật; 03: Dự án khu trung tâm ĐHQGHN; 04: Dự án Trung tâm Quốc phòng an ninh; 05: Dự án ký túc xá sinh viên; 06: Dự án khu công vụ; 07: Dự án Trường ĐH Khoa học tự nhiên; 08: Dự án Trường ĐH công nghệ; 09: Dự án Trường ĐH Khoa học xã hội và nhân văn; 0 10: Dự án Trường ĐH Ngoại ngữ; 11: Dự án Trường ĐH Kinh tế; 12: Dự án các viện, trung tâm nghiên cứu khoa học; 13: Dự án Trường ĐH Quốc tế; 14: Dự ÁN Trương ĐH Giáo dục; 15: Dự án Trường ĐH Luật; 16: Dự án Khoa sau đại học liên ngành; 17: Dự án Trung tâm thể dục thể thao; 18: Dự án Khoa Y - Dược và Bệnh viện ĐHQGHN; 19: Dự án Khoa văn hóa nghệ thuật; 20: Dự án Khoa Đô thị học; 21: Dự án Khoa chính Sách công. Năm 2014 bổ sung thêm dự án Trường ĐH Việt - Nhật. 4.2. Vật liệu cho kết cấu chịu lực dự án ĐHQGHN tại Hòa Lạc a) Bê tông nặng Bê tông tính năng cao là bê tông có một hoặc một vài tính năng được cải thiện đáp ứng các yêu cầu cụ thể của công trình. Các tính chất đó có thể là cường độ chịu nén, cường độ chịu nén ở tuổi sớm, tính công tác (bê tông tự đầm), hạn chế co ngót, bền vững, thân thiện môi trường, ... Mặc dù chưa được đề cập đến trong các tiêu chuẩn Việt Nam nhưng hiện nay bê tông tính năng cao đang dần được sử dụng trong nhiều công trình xây dựng. Chúng không những góp phần nâng cao chất lượng công trình mà còn đem lại hiệu quả cao về cả kinh tế - kỹ thuật lẫn xã hội - môi trường. Kết cấu bê tông cốt thép chịu lực của công trình có thể được thi công tại chỗ hoặc được đúc sẵn tại nhà máy. Trong đó, thi công tại chỗ cho phép chế tạo các kết cấu với khả năng tùy biến cao, với các hình dạng, kích thước và tính chất bất kỳ theo yêu cầu của thiết kế. Ngược lại, việc sử dụng các kết cấu đúc sẵn, mặc dù đặt ra yêu cầu thiết bị cẩu lắp và xử lý các mối nối ghép nhưng việc chế tạo kết cấu trong nhà máy cho phép quản lý chất lượng tốt hơn, tiết kiệm chi phí, hạn chế ảnh hưởng tới môi trường và rút ngắn thời gian thi công. Chỉ số phát thải cacbon của bê tông được tính toán bao gồm phát thải cacbon từ các vật liệu thành phần, phát thải cacbon trong quá trình sản xuất, vận chuyển, phá dỡ,... Trong đó, chỉ số phát thải cacbon từ vật liệu thành phần phụ thuộc rất nhiều vào cấp phối bê tông. Chỉ số phát thải cacbon của bê tông có thể biến động từ 0,12 - 0,25 kgCO2/kg. Công trình xây dựng ĐHQGHN được đề nghị giảm chỉ số này xuống dưới 0,15 kg CO2/kg. b) Bê tông nhẹ kết cấu Theo TCVN 5574:2012 bê tông cốt liệu nhẹ được phân thành các mác theo khối lượng thể tích từ D800 đến D2000 với cấp theo cường độ chịu nén từ B2,5 đến B40. Trong đó, các loại bê tông nhẹ có cường độ từ cấp B15 trở lên có thể sử dụng cho các kết cấu chịu lực. Bê tông nhẹ chịu lực ở Việt Nam hiện nay chủ yếu được sản xuất với cốt liệu nhẹ keramzit (đất sét phồng nở). Sử dụng bê tông nhẹ kết cấu cho phép giảm đáng kể tải trọng của bản thân kết cấu, làm giảm tải trọng toàn bộ công trình, nhờ đó giúp giảm chi phí cho các kết cấu móng, cọc. Bê tông nhẹ có hệ số dẫn nhiệt nhiệt thấp hơn bê tông nặng thông thường do đó khi sử dụng trong các kết cấu bao che sẽ giúp nâng cao khả năng cách nhiệt, nhờ đó giúp giảm năng lượng dùng trong điều hòa môi trường bên trong. Hệ số dẫn nhiệt của bê tông nhẹ phụ thuộc vào khối lượng thể tích của vật liệu và bản chất của cốt liệu nhẹ sử dụng chế tạo bê tông (bảng 1, 2). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 31 Bảng 1. Tƣơng quan hệ số dẫn nhiệt của bê tông xỉ với khối lƣợng thể tích Khối lƣợng thể tích, kg/m3 1000 1200 1500 1800 Hệ số dẫn nhiệt, W/m.°K 0,41 0,52 0,70 0,87 Bảng 2. Tƣơng quan hệ số dẫn nhiệt của bê tông keramzit với khối lƣợng thể tích Khối lƣợng thể tích, kg/m3 1400 1600 1800 Hệ số dẫn nhiệt, W/m.°K Sử dụng cát nặng 0,49 0,62 0,73 Sử dụng cát nhẹ 0,47 0,58 0,66 Về khía cạnh thân thiện môi trường, hệ số phát thải cacbon của bê tông nhẹ tính trên khối lượng vật liệu có thể cao hơn so với bê tông nặng thông thường có cùng cường độ. Nhưng nhờ vào khối lượng thể tích nhỏ hơn nên tổng lượng phát thải khi sử dụng bê tông nhẹ có thể lại thấp hơn. c) Thép cốt và kết cấu kim loại Thép xây dựng có khối lượng riêng 7850 kg/m 3 , hệ số dẫn nhiệt: 58 W/m.°K, và chỉ số phát thải cacbon khoảng 3,0 - 4,1 kgCO2/kg. Thép cốt là thành phần không thể thiếu của kết cấu bê tông cốt thép. Cốt thép dùng trong kết cấu BTCT bao gồm cốt thép chịu lực được xác định theo tính toán và cốt thép cấu tạo được đặt theo yêu cầu cấu tạo mà không tính toán. Thép cốt trong bê tông bao gồm thép thanh tròn trơn (TCVN 1651- 1:2008) với đường kinh danh nghĩa từ 6 mm đến 40 mm, thép thanh vằn (TCVN 1651-2:2008) với đường kinh danh nghĩa từ 6 mm đến 50 mm và lưới thép hàn (TCVN 1651-3:2008). Hiệu quả sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép cần được đánh giá trong bài toán tổng thể của kết cấu. Trong đó, việc sử dụng cốt thép cường độ cao, cốt thép dự ứng lực cho phép tiết kiệm được đáng kể khối lượng vật liệu sử dụng. Cốt thép dự ứng lực có thể ở dạng thanh (chiều dài dưới 12 m) hoặc dạng sợi, cáp (chiều dài kết cấu trên 12 m). Cốt thép dự ứng lực có thể được kéo căng trước hoặc sau khi đổ bê tông và có thể bám dính hoặc không bám dính. Dự ứng lực cốt thép giúp tiết kiệm đáng kể khối lượng thép sử dụng, nhất là trong các kết cấu có nhịp lớn, sử dụng nhiều cốt thép chịu kéo. Hiệu quả của công nghệ dự ứng lực sẽ thấp hơn đối với các kết cấu nhịp không lớn, cho các công trình nhà dân dụng thấp tầng thông thường. Các kết cấu kim loại cũng được sử dụng phổ biến trong một số hạng mục công trình nhất là các kết cấu có nhịp lớn như mái sân vận động, mái bể bơi. Kết cấu thép được tổ hợp từ các thanh thành phần và được liên kết với nhau bằng hàn, bắt bulông hoặc sử dụng các loại nút cầu hoặc nút trụ. Sử dụng kết cấu thép trong công trình nhà cao tầng cũng đem lại những lợi ích so với kết cấu bê tông cốt thép. Việc sử dụng vật liệu với khả năng chịu lực cao giúp tăng khẩu độ, giảm thiết diện và tổng khối lượng các kết cấu chính. Tiến độ thi công kết cấu thép có thể được rút ngắn hơn và vật liệu thép có thể dễ dàng tái chế. Tuy nhiên khi sử dụng kết cấu thép cần chú ý tới vấn đề chống ăn mòn và nâng cao giới hạn chịu lửa của kết cấu. 4.3. Vật liệu cho kết cấu bao che và ngăn cách dự án ĐHQGHN tại Hòa Lạc a) Khối xây Khối xây là dạng kết cấu bao che và ngăn cách chủ yếu trong các công trình xây dựng. Khối xây được cấu tạo từ viên xây gắn kết bằng vữa. Khả năng chịu lực của khối xây phụ thuộc vào cường độ của viên xây, cường độ của vữa và độ bám dính giữa vữa và viên xây. Vữa xây chủ yếu hiện nay là các loại vữa xi măng cát có mác M7,5, M10 và vữa mạch mỏng. Gạch đất sét nung là vật liệu xây truyền thống, được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, công đoạn nung gạch đất sét sử dụng nhiều năng lượng và là nguồn gây ô nhiễm. Một trong những vật liệu thay thế gạch đất sét nung là gạch bê tông. Các sản phẩm này được sản xuất theo tiêu chuẩn TCVN 6477:2011 trên nền chất kết dính xi măng. Cốt liệu được sử dụng chủ yếu là đá mạt, có thể có ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 32 hoặc không có cát. Chúng được sản xuất với nhiều loại kích cỡ khác nhau. Sử dụng các blốc xây bê tông cốt liệu kích thước lớn cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công, tiết kiệm chi phí. Mặt khác, nhờ tận dụng được các nguồn phế thải trong sản xuất nên giá thành khối xây sử dụng gạch bê tông có thể giảm đáng kể và nhỏ hơn giá thành khối xây sử dụng gạch đất sét nung. Để đảm bảo tiện lợi trong việc vận chuyển thủ công, khối lượng viên gạch không quá 20 kg. Gạch canxi silicat (TCVN 2118:1994) được sản xuất từ hỗn hợp vôi, cát (tro) thông qua chưng áp cũng là một dạng viên xây thay thế gạch truyền thống. Gạch canxi silicat có khối lượng thể tích khá lớn (tới 1650 kg/m3), quá trình chưng áp sử dụng hơi nước đòi hỏi tiêu tốn năng lượng nên gạch canxi silicát ít phổ biến ở nước ta hiện nay. Trong những năm gần đây, một xu hướng mới trong thi công khối xây được đánh dấu bằng việc sử dụng các dạng viên xây nhẹ bê tông tổ ong. Bê tông tổ ong không sử dụng cốt liệu lớn và gồm hệ thống các bọt khí. Bọt khí có thể được hình thành bằng bọt kỹ thuật (bê tông bọt) hoặc các chất sinh khí (bê tông khí). Bê tông tổ ong được sản xuất trên nền chất kết dính xi măng hoặc canxi silicat. Với chất kết dính canxi silicat, các sản phẩm phải trải qua quá trình chưng áp. Gạch bê tông nhẹ hiện nay bao gồm gạch bê tông bọt, khí không chưng áp (TCVN 9029:2011) và gạch bê tông khí chưng áp (TCVN 7959:2011). Các sản phẩm gạch bê tông nhẹ có khối lượng thể tích từ 400 kg/m3 đến 1000 kg/m 3, cường độ từ 2 MPa đến trên 10 MPa. Nhờ khối lượng thể tích được giảm nhẹ nên khả năng cách nhiệt của vật liệu được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, giảm nhẹ khối lượng vật liệu xây còn cho phép giảm tổng tải trọng công trình giúp tiết kiệm chi phí cho móng. Việc sử dụng gạch bê tông nhẹ được khuyến cáo trong các quy định của nhà nước cho các công trình nhà cao tầng. Xét về mặt sử dụng năng lượng trong công trình thì đây là một trong những phương án khối xây bao che có hiệu quả nhất. Tuy nhiên, do có cấu trúc rỗng nên độ ẩm cân bằng của vật liệu trong điều kiện vận hành có ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Vì vậy cần có các biện pháp cách ẩm, chống thấm cho khối xây. Đồng thời với đó, các tính toán về truyền nhiệt cho lớp bao che cần tính đến cả tác động của lượng ẩm cân bằng này. Chỉ số phát thải cacbon tính theo khối lượng của bê tông tổ ong, nhất là bê tông khí chưng áp cao hơn so với bê tông nặng và gạch đất sét nung. Ngoài ra, nhờ khối lượng thể tích nhỏ nên khối lượng vật liệu sử dụng giảm. Do đó, bê tông tổ ong được đánh giá là vật liệu thân thiện với môi trường . Tuy nhiên, do gạch bê tông nhẹ là sản phẩm mới có những đặc thù riêng nên cần chú ý tính đến trong thi công để đảm bảo chất lượng. Khối xây sử dụng gạch nhẹ nên được thi công bằng các loại vữa mạch mỏng, có khả năng tạo liên kết, bám dính cao với viên xây. Quy trình thi công khối xây gạch bê tông nhẹ có những điểm khác biệt, do đó đòi hỏi đơn vị thi công phải có trình độ và kinh nghiệm nhất định. Bảng 3. Đặc tính thân thiện với môi trƣờng của một số loại vậy liệu khối xây Vật liệu Khối lƣợng thể tích, kg/m 3 Hệ số dẫn nhiệt, W/m.°K Chỉ số phát thải cacbon, kgCO2/kg Gạch đặc đất sét nung 2000 0,93 0,2 - 0,3 Gạch xỉ 1400 0,58 Bê tông tổ ong D1000 (dùng cát) 1000 0,29 0,4 - 0,5 Bê tông tổ ong D800 (dùng cát) 800 0,21 Bê tông tổ ong D600 (dùng cát) 600 0,14 Bê tông tổ ong D1200 (dùng tro) 1200 0,29 Bê tông tổ ong D1000 (dùng tro) 1000 0,23 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 33 Vật liệu Khối lƣợng thể tích, kg/m 3 Hệ số dẫn nhiệt, W/m.°K Chỉ số phát thải cacbon, kgCO2/kg Bê tông tổ ong D800 (dùng tro) 800 0,17 Gạch đất sét nung xây vữa nặng 1800 0,81 Gạch đất sét nung xây vữa nhẹ 1700 0,76 Gạch rỗng xây vữa nhẹ 1350 0,58 Gạch nhiều lỗ xây vữa nặng 1300 0,52 Gạch silicát xây vữa nặng 1900 0,87 b) Vách ngăn Vách ngăn có chức năng phân chia các không gian bên trong nhà có thể được làm bằng khối xây, tấm panel hoặc các hệ vách có khung. Tùy theo mục đích sử dụng có thể chỉ định các dạng vách ngăn khác nhau. Vách ngăn bằng khối xây được dùng cho các khu vực phân chia tương đối lâu dài, tường ngăn giữa các căn hộ, ngăn khu kỹ thuật, khu vực cầu thang, ... Trong khi đó, các loại vách ngăn tường nhẹ, panel và hệ vách ngăn có khung được dùng ngăn chia các khu vực trong phạm vi căn hộ, phòng làm việc. Do làm việc trong không gian bên trong nhà nên yêu cầu về chống thấm, cách nhiệt đặt ra đối với vách ngăn không khắt khe như đối với kết cấu bao che. Tuy nhiên, việc giảm nhẹ khối lượng của vách ngăn giúp giảm tổng tải trong công trình sẽ cho phép tiết kiệm chi phí xây dựng. Sử dụng vách ngăn nhẹ dạng panel, tấm 3D hay vách thạch cao giúp thiết kế bố trí linh hoạt không gian bên trong với khả năng cải tạo thay đổi một cách dễ dàng. Để nâng cao khả năng cách âm, cách nhiệt của vách, có thể bố trí các vật liệu nhẹ trong phần khung của vách, sử dụng kết hợp nhiều lớp các tấm thạch cao. Để nâng cao khả năng cách ẩm, chịu nước có thể sử dụng các tấm thạch cao có lớp phủ mặt bằng polimer. Ngoài ra, các hãng sản xuất cũng khuyến cáo các chi tiết cấu tạo các dạng vách với giới hạn chịu lửa khác nhau. Một số các sản phẩm dạng tấm khác cũng có thể được sử dụng thay thế cho tấm thạch cao. Đó là các dạng ván ép gỗ, composit, ván ép xi măng và phế thải sản xuất gỗ, ... Mặc dù các sản phẩm này chưa được phổ cập trên thị trường nhưng việc sử dụng các vật liệu trên cơ sở phế thải sẽ góp phần bảo vệ môi trường, hạn chế được chỉ số phát thải cacbon. c) Kính và kết cấu kính Kính xây dựng có một số chỉ tiêu khối lượng riêng 2500 kg/m 3 , hệ số dẫn nhiệt 0,78 W/m.°K, chỉ số phát thải cacbon 1,23 - 2,57 kgCO2/kg. Đặc điểm cơ bản của kính là khả năng cho phép ánh sáng đi qua, nhờ đó, kính được sử dụng trong các kết cấu bao che và ngăn cách có yêu cầu lấy sáng hoặc có yêu cầu mỹ thuật. Kính được sử dụng trong cửa sổ, cửa đi, vách bao che, vách ngăn, mái và các kết cấu khác. Do các giới hạn về khả năng chịu lực nên trong các kết cấu trên, kính không được dùng một cách độc lập mà thường được gắn vào hệ kết cấu chịu lực. Kết cấu chịu lực này có thể là gỗ, bê tông cốt thép, kim loại, nhựa, composit. Việc gắn kết giữa kính và khung có thể được thực hiện bằng các dạng nẹp, gioăng hoặc keo. Do đó, khi đánh giá các kết cấu này cần đánh giá một cách tổng hợp giải pháp sử dụng bao gồm tất cả các thành phần trên. Tuy nhiên, hệ thống tiêu chuẩn của ta hiện nay mới chỉ chủ yếu tập trung vào bản thân tấm kính chứ chưa chưa đề cập được đầy đủ đến hệ khung. Trong khi đó, chính hệ khung làm nên sự khác biệt giữa các hệ sản phẩm khác nhau. Việc sử dụng kính trong công trình xây dựng ở nước ta với khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, bức xạ mặt trời cao, cần được cân nhắc để đảm bảo tiện nghi cho người dùng và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng. Một mặt, sử dụng tỷ lệ cửa sổ, vách kính lớp trên kết cấu bao che cho phép tận dụng ánh sáng tự nhiên giúp tiết kiệm năng lượng chiếu sáng cho tòa nhà. Ở đây cũng cần chú ý rằng ánh nắng mặt trời gay gắt điều kiện khí hậu nhiệt đới ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 34 nếu không được khống chế tốt lại làm tăng quá mức độ rọi, ảnh hưởng đến tiện nghi của người dùng. Mặt khác, bề mặt kính lớn làm tăng tác động của bức xạ mặt trời tới không gian bên trong, làm tăng nhiệt độ không gian bên trong, gia tăng chi phí năng lượng cho điều hòa không khí. Để giải quyết vất đề trên, có thể hạn chế bố trí các cửa sổ, mặt kính, sử dụng các loại kính có hệ số hấp thụ nhiệt (SHGC) hoặc hệ số che nắng (SC) nhỏ, sử dụng các kết cấu che nắng cho kính. Một điều cần chú ý rằng, tuy không được đề cập đến trong QCVN 09:2013/BXD, nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của hệ khung của kết cấu cửa sổ, vách kính có ảnh hưởng đáng kể tổng nhiệt trở của kết cấu. Do đó, việc sử dụng các loại kính có hiệu quả cao cần đi kèm với các loại thanh, đố phù hợp. d) Mái Mái là kết cấu bao che bên trên công trình. Kết cấu mái rất đa dạng và thực hiện đồng thời nhiều chức năng bao gồm chịu lực, bao che, cách nhiệt, chống thấm. Trong đó một dạng kết cấu hoặc vật liệu có thể đảm nhiệm một hoặc nhiều chức năng. Sơ bộ có thể phân loại kết cấu mái làm ba nhóm bao gồm: mái dốc, mái bằng và mái giàn không gian. Mái dốc hình thành một góc nghiêng với phương nằm ngang nên mặt trên của mái chỉ thực hiện nhiệm vụ bao che mà không được dùng cho các mục đích sử dụng khác. Về cấu tạo mái dốc gồm các vật liệu lợp được định vị trên hệ kết cấu đỡ mái. Kết cấu chịu lực của mái dốc có thể là hệ dầm, xà gồ, lanh tô bằng tre, gỗ, kim loại, ... Vật liệu lợp cho mái dốc là các loại ngói hoặc tấm lợp như ngói đất sét nung (TCVN 1452:2004), ngói xi măng cát (TCVN 1453:1986), ngói tráng men (TCVN 7195:2002), ngói gốm tráng men (TCVN 9133:2011), tấm sóng amiăng (TCVN 4434:2000), tấm lợp bitum dạng sóng (TCVN 8052-1:2009), tấm tôn hoặc các dạng tấm lợp khác. Ngói và tấm lợp được cài hoặc bắt vít vào hệ vì kèo. Khả năng cách nhiệt của mái dốc phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu lợp. Các loại ngói, tấm sóng amiăng, tấm tôn thông thường nhìn chung không đáp ứng được yêu cầu. Để cách nhiệt cho mái dốc cần sử dụng các vật liệu cách nhiệt hiệu quả cao (tôn lạnh, ...), bổ sung các lớp cách nhiệt chuyên biệt hoặc bố trí sàn phụ hoặc trần treo. Mái dốc là kết cấu mái truyền thống phù hợp cho các công trình thấp tầng. Mái bằng có cấu tạo gồm kết cấu bản bê tông cốt thép vừa thực hiện đồng thời nhiều chức năng (chịu lực, bao che, cách nhiệt, chống thấm, ... ) và các lớp bổ sung bên trên nhằm nâng cao tính năng của mái. Các lớp bổ sung có thể là lớp chống thấm, lớp cách nhiệt, lớp hoàn thiện bề mặt, ... Khả năng cách nhiệt của mái phụ thuộc vào bản chất của vật liệu sử dụng. Theo các tính toán về truyền nhiệt, chỉ kết cấu bê tông cốt thép mái không thể đáp ứng được yêu cầu về nhiệt trở tối thiểu. Do đó, cần bổ sung các lớp vật liệu cách nhiệt như bê tông nhẹ, gạch rỗng, tấm polystyrol, ... Chi tiết về bố trí cấu tạo và tính toán cách nhiệt cho mái bằng có thể tham khảo theo tài liệu. Một phương án cấu tạo mái bằng được đánh giá có độ thân thiện cao với môi trường là mái vườn. Trong đó, bên trên kết cấu bê tông cốt thép bố trí lớp vật liệu thoát nước, lớp màng ngăn, lớp đất và trên cùng là lớp thực vật, cây trồng. Kết cấu mái dạng này có khả năng cách nhiệt cao, tạo điều kiện cảnh quan môi trường tốt nhưng đòi hỏi chăm sóc thường xuyên. Mái giàn không gian mái sử dụng các phần tử thanh giàn liên kết tại đầu mút với nhau hình thành hệ kết cấu không gian. Sử dụng giàn không gian cho phép chế tạo các kết cấu mái có chiều dài vượt nhịp lớn, cấu tạo phức tạp. Phụ thuộc vào phương pháp liên kết các thanh giàn ta có giàn không gian liên kết bằng nút cầu, liên kết bằng nút trụ hoặc hàn. Mái giàn không gian sử dụng các tấm lợp kích thước lớn. Các tấm lợp có thể bằng kim loại, chất dẻo hoặc thủy tinh mang lại khả năng tùy biến cao trong thiết kế kiến trúc đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ của công trình. Mái giàn không gian thường được áp dụng trong các công trình có khẩu độ lớn như sân vận động, bể bơi, nhà thi đấu, ... ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 35 4.4. Vật liệu hoàn thiện cho dự án ĐHQGHN tại Hòa Lạc a) Vật liệu ốp lát Vật liệu ốp và lát đều là vật liệu hoàn thiện dạng tấm và có yêu cầu cao về thẩm mỹ, chất lượng bề mặt. Nhưng các tiêu chí cụ thể đối với vật liệu ốp và lát cũng có những điểm khác biệt. Vật liệu lát chịu tác động của người và phương tiện đi lại nên cần có khả năng chống mài mòn tốt hơn. Vật liệu ốp, lát cần phải được liên kết tốt với bề mặt nền, tuy nhiên, với bề mặt ốp liên kết này có thể bằng các móc, chốt neo. Vật liệu ốp lát bao gồm vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (đá, gỗ, ...) và nhân tạo (đá nhân tạo, gạch gốm, gạch xi măng, ..., tăng cứng sàn). Một loại vật liệu có thể dùng cả để ốp và lát nhưng cũng có thể chỉ dùng cho một mục đích. Một số loại vật liệu ốp lát tiêu biểu bao gồm: đá tự nhiên và nhân tạo, gỗ, ceramic, vật liệu gốc xi măng. Nhóm vật liệu ốp lát gốc ceramic bao gồm gốm đất sét nung, gốm sứ được sản xuất từ đất sét và (hoặc) các nguyên liệu vô cơ khác, được tạo hình bằng phương pháp dẻo, phương pháp bán khô hoặc các phương pháp khác, qua quá trình sấy, nung ở nhiệt độ thích hợp để hình thành vật liệu vô cơ đặc chắc có cấu trúc tinh thể. Với các chủng loại phong phú, kích thước, tính chất đa dạng, vật liệu ceramic là vật liệu ốp lát phổ biến nhất, được sử dụng cả trong nhà và ngoài trời, dùng ốp và lát. Tuy nhiên, đây là vật liệu nung nên xét trên khía cạnh bảo vệ môi trường, trong điều kiện có thể nên thay thế bằng các vật liệu có chỉ số phát thải cacbon thấp hơn. Trong giai đoạn trước, vật liệu ốp lát được thi công với hồ, vữa xi măng. Phương pháp thi công này có một số nhược điểm như liên kết kém, tỷ lệ bong bộp cao, nguy cơ tiết vôi làm mất tính thẩm mỹ của các mặt ốp, lát. Trong thời gian gần đây, vữa chuyên dụng dán gạch ốp lát đã dầnt hay thế vữa xi măng thông thường. Ngoài ra, phương pháp ốp khô sử dụng hệ móc neo kim loại cũng được áp dụng để ốp các tấm đá kích thước lớn. b) Sơn Sơn là một trong những vật liệu hoàn thiện quan trọng, không những mang tính chất trang trí mỹ thuật cho công trình, mà còn góp phần bảo vệ các kết cấu được sơn phủ của công trình khỏi các tác động trực tiếp của môi trường. Hệ sơn là lớp vật liệu che phủ bên ngoài của các kết cấu xây dựng. Vì vậy hệ sơn chịu tác động trước tiên và trực tiếp của môi trường xung quanh, bao gồm các tác động vật lý, cơ lý, các tác động xâm thực hoá học cũng như sinh học. Nhìn chung, tuổi thọ trung bình của hệ sơn thường thấp hơn nhiều so với tuổi thọ công trình. Định kỳ, lớp sơn bề mặt được tu bổ, thi công mới. Điều này không những đòi hỏi chi phí không nhỏ, mà còn ảnh hưởng đến quá trình sử dụng công trình. Là vật liệu trang trí bên ngoài chịu tác động của mặt trời nên màu sắc của sơn ngoại thất ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của tường bao che thông qua hệ số hấp thụ nhiệt. Theo đó, sơn màu hồng có hệ số hấp thụ nhiệt 0,52; xanh da trời - 0,64; xanh sáng - 0,58; tím - 0,83; vàng - 0,44 và đỏ - 0,63. Lựa chọn sơn sáng màu là biện pháp hữu hiệu để giảm hấp thụ nhiệt của tường. Màu sắc của sơn còn có tác động nhất định đến người sử dụng. Các nghiên cứu cho thấy các màu như đỏ, vàng, da cam tạo cảm giác ấm áp, màu xanh da trời, xanh lá cây, tím tạo cảm giác mát, bình yên. Các khối nhà cao tầng nên được sơn các tông màu đậm để tạo điểm nhấn trên nền trời. Trong khi đó, nhà thấp tầng nên sơn màu sáng để không tạo cảm giác thấp bé, thưa thớt. Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm mưa nhiều, có cường độ bức xạ mặt trời mạnh như nước ta, hệ sơn ngoài nhà cần bền vững dưới tác động của ánh sáng mặt trời và chế độ nhiệt ẩm, có khả năng chống thấm nhất định. Ngoải ra, tùy theo chất liệu nền, nên lựa chọn loại sơn phù hợp cho thép có sự trao đổi hơi ẩm giữa nền và môi trường. c) Vật liệu chống thấm Một số vật liệu chống thấm chính được sử dụng trong xây dựng bao gồm: bê tông chống thấm, vữa chống thấm, sơn chống thấm, tấm chống thấm, băng cản nước và các loại vật liệu khác Kết cấu bê tông cốt thép có khả năng chống thấm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 36 nhất định, phụ thuộc vào tính chất của bê tông sử dụng. Nâng cao khả năng chống thấm cho cho kết cấu thông qua việc cải thiện khả năng chống thấm của bản thân thân bê tông là giải pháp đơn giản, không làm phát sinh các công tác chống thấm bổ sung. Giải pháp chống thấm toàn khối này là giải pháp ưu tiên cần tính đến đầu tiên trong thiết kế chống thấm. Chống thấm là một công tác có tính đặc thù cao, trong đó, bên cạnh việc lựa chọn vật liệu, việc xác định chính xác các nguy cơ thấm, lựa chọn các giải pháp hợp lý, thiết kế các chi tiết chống thấm phù hợp và đảm bảo chất lượng trong thi công có vai trò quyết định đến chất lượng chống thấm. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã luận chứng khả năng sử dụng các loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường như vật liệu cho kết cấu chịu lực (bê tông nặng, bê tông nhẹ kết cấu, thép cốt và kết cấu kim loại); vật liệu cho kết cấu bao che và ngăn cách (khối xây, vách ngăn, kính và kết cấu kính, mái); vật liệu hoàn thiện (vật liệu ốp lát, sơn, vật liệu chống thấm); và những nguyên tắc lựa chọn công nghệ xây dựng thân thiện môi trường. Việc nghiên cứu đề xuất lựa chọn các loại vật liệu xây dựng tiên tiến đáp ứng các yêu cầu của công nghệ xây dựng xanh đã được kiến nghị cho dự án xây dựng đô thị đại học Quốc gia Hà Nội tại Hòa Lạc. Lời cảm ơn: Bài báo được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp ĐHQGHN (đề tài nhóm A/B) “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học cho xây dựng đô thị đại học phát triển bền vững, đề xuất áp dụng cho dự án xây dựng Đại học Quốc gia Hà Nội tại Hòa Lạc”, Mã số: QGTD.11.07. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ trưởng Bộ Xây dựng, Quyết định phê duyệt quy hoạch chi tiết xây dựng tỷ lệ 1/2000 Đại học Quốc gia Hà Nội tại Hòa Lạc, 2011, Bộ xây dựng. 2. Bộ Xây dựng, Quy chuẩn xây dựng Việt Nam, Quy hoạch xây dựng, 2008, Bộ Xây dựng. 3. Bộ Xây dựng, TCXDVN: Chiếu sáng nhân tạo bên ngoài các công trình công cộng và kỹ thuật hạ tầng đô thị - tiêu chuẩn thiết kế, 2005. 4. Cơ quan phát triển Pháp (AFD), Bộ công thương Việt Nam, Cơ quan Môi trường và Quản lý Năng Lượng (ADEME). (2008). Chính sách sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng ở Việt Nam. Báo cáo nghiên cứu. 5. Hoàng Minh Đức, (2012). Nghiên cứu hoàn thiện công tác thiết kế và thi công chống thấm các công trình xây dựng nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội, Báo cáo tổng kết Đề tài NCKH mã số 01C-04/08-2010-2. Viện KHCN&KT Xây dựng Hà Nội. p. 119. 6. Hoàng Minh Đức, (2008). Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mái và tường ngoài nhà cao tầng nhằm sử dụng tiết kiệm năng lượng. Báo cáo tổng kết Đề tài NCKH mã số TK 05-07., Viện KHCN Xây dựng. p. 126. 7. QCVN 09:2013/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả., NXB Xây dựng. p. 55. 8. Thủ tướng chính phủ, Quyết định Phê duyệt Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, 2006. 9. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. 10. Antti Ruuska, Carbon footprint for buiding products. ECO2 data for materials and products with the focus on wooden building products, 2003. p. 126. 11. Concrete industry - Greenhouse gas emission, 2010: Northcliff, South Africa. p. 60. 12. John Barett, Thomas Wiedmann, A comparative carbon footprint analysis of on-site construction and an off-site manufactured house. Research reporrt 07-04, 2007, Stockholm Environment Institute. p. 16. Người phản biện: PGS.TS. ĐẶNG HỮU DIỆP