Định nghĩa
Cát nhân tạo (còn gọi là cát nghiền hoặc cát đá) là cốt liệu mịn được sản xuất bằng cách nghiền cơ học đá tự nhiên cứng (đá granit, đá bazan, đá vôi, đá andezit) qua các máy nghiền hàm, máy nghiền côn và máy nghiền va đập (VSI — Vertical Shaft Impactor), sau đó sàng phân loại để đạt kích thước hạt dưới 5 mm theo TCVN 7570:2006. Cát nhân tạo ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cốt liệu mịn ngày càng tăng trong bối cảnh nguồn cát sông ngày càng khan hiếm và bị quản lý chặt chẽ hơn.
Quy trình sản xuất
Đá gốc (thường là đá granit hoặc đá bazan) được khai thác từ mỏ, nổ mìn thành khối lớn, sau đó đưa qua máy nghiền hàm lần một để giảm xuống cỡ 50–100 mm. Tiếp theo nghiền côn lần hai xuống cỡ 10–20 mm, rồi qua máy nghiền VSI (sand making machine) để tạo hạt nhỏ dưới 5 mm với hình dạng tương đối tròn hơn nghiền hàm thông thường. Cuối cùng sàng phân loại và có thể rửa để loại bột đá (hạt dưới 0,075 mm).
Máy VSI tạo ra hạt cát có hình dạng đa giác với nhiều cạnh cắt, gần với dạng khối lập phương hơn so với dạng dẹt của cát nghiền hàm thông thường. Đây là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng cát nhân tạo.
Đặc điểm kỹ thuật
Modun độ mịn của cát nhân tạo có thể điều chỉnh linh hoạt trong dải Mk 2,0–3,5 bằng cách thay đổi cỡ sàng và tốc độ nghiền, đây là ưu điểm lớn so với cát tự nhiên có Mk phụ thuộc vào nguồn khai thác. Hàm lượng hạt dẹt (flakiness index) trong cát nhân tạo thường cao hơn cát sông, khoảng 10–20%, do quá trình nghiền cơ học tạo ra các mặt vỡ phẳng.
Hàm lượng bụi (hạt dưới 0,075 mm — còn gọi là MB — methylene blue value) là chỉ tiêu đặc biệt quan trọng của cát nhân tạo. Bột đá (stone dust) sinh ra trong quá trình nghiền có thể chiếm đến 15–20% khối lượng trước khi rửa. Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 yêu cầu bụi ≤ 3% cho cát bê tông; cát nhân tạo phải qua rửa hoặc phân loại để đạt chỉ tiêu này.
Hình dạng hạt và lực bám dính
Hạt cát nhân tạo có bề mặt góc cạnh và nhám hơn hạt cát sông tròn nhẵn. Đặc điểm này tạo ra lực bám dính (bond strength) giữa hạt cát và hồ xi măng tốt hơn cát sông khoảng 10–20%, do diện tích tiếp xúc lớn hơn và độ nhám bề mặt cao hơn. Tuy nhiên hình dạng góc cạnh cũng làm giảm tính dễ đổ (workability) của hỗn hợp bê tông, cần tăng lượng nước nhào trộn thêm 5–10% hoặc dùng phụ gia siêu dẻo để bù.
Khối lượng riêng hạt của cát nhân tạo từ đá granit khoảng 2650–2700 kg/m³; từ đá bazan 2800–3000 kg/m³ (cao hơn cát sông thạch anh). Điều này dẫn đến hỗn hợp bê tông dùng cát nhân tạo bazan có khối lượng thể tích cao hơn, phù hợp cho bê tông nặng hoặc bê tông bảo vệ bức xạ.
Ưu điểm
Chủ động nguồn cung và chất lượng ổn định là ưu điểm nổi bật nhất của cát nhân tạo: sản xuất theo đặt hàng, điều chỉnh Mk theo yêu cầu công trình, không phụ thuộc mùa vụ lũ cạn của sông. Ít tạp chất hữu cơ và hàm lượng Cl⁻ gần như bằng không (< 0,001%) do đá gốc không chứa muối hữu cơ.
Cát nhân tạo có thể sản xuất từ phế thải đá đập (đá mi, bột đá nghiền) của các xưởng sản xuất đá dăm, góp phần giảm lãng phí nguyên liệu và tận dụng phụ phẩm công nghiệp. Tại các vùng miền núi có mỏ đá nhưng khan hiếm cát sông, cát nhân tạo là lựa chọn kinh tế và bền vững.
Hạn chế
Chi phí sản xuất cao hơn cát sông tự nhiên do tiêu tốn điện năng và mài mòn thiết bị nghiền. Hàm lượng hạt dẹt cao hơn có thể gây vấn đề cho bê tông cường độ cao nếu không kiểm soát. Cần bổ sung phụ gia siêu dẻo để đạt workability tương đương cát sông trong hầu hết cấp phối bê tông thương phẩm.
Bột đá còn sót lại trong cát nhân tạo chưa rửa kỹ có thể làm tăng nhu cầu nước và xi măng, giảm hiệu quả kinh tế so với cát sông chất lượng tốt.
Ứng dụng
Cát nhân tạo được dùng rộng rãi tại các vùng khan hiếm cát sông như Tây Nguyên, vùng núi phía Bắc và Tây Nam Bộ. Áp dụng tốt cho bê tông thương phẩm, bê tông đúc sẵn, bê tông cường độ cao (HSC) khi kết hợp phụ gia siêu dẻo và silica fume. Xu hướng sử dụng cát nhân tạo ngày càng tăng trong cả nước khi nguồn cát sông ngày càng cạn kiệt và giá khai thác tăng.
Giá tham khảo
Giá cát nhân tạo tham khảo năm 2024 khoảng 250–400 nghìn đồng/m³, cao hơn cát đen nhưng tương đương hoặc cao hơn cát vàng chất lượng tốt. Giá dao động theo khoảng cách từ mỏ đá đến công trình và loại đá gốc sử dụng.