Độ cứng của đá xây dựng ảnh hưởng thế nào?
Độ cứng của đá xây dựng là tập hợp các tính chất cơ lý thể hiện khả năng chống lại biến dạng, vỡ vụn và mài mòn khi chịu tải trọng. Trong kỹ thuật xây dựng, độ cứng đá được đánh giá qua ba chỉ số chính: độ cứng Mohs (kháng trầy), độ nén dập (kháng vỡ dưới tải tĩnh) và mài mòn Los Angeles — LA (kháng vỡ dưới tải va đập). Ba chỉ số này có ý nghĩa kỹ thuật khác nhau và không thể thay thế lẫn nhau.
1. Thang độ cứng Mohs và ý nghĩa trong xây dựng
Thang Mohs (Friedrich Mohs, 1822) gồm 10 mức, xác định bằng khả năng khoáng vật này trầy được khoáng vật kia. Các khoáng chuẩn: talc (1) → thạch cao (2) → calcit (3) → fluorit (4) → apatit (5) → orthoclase (6) → thạch anh (7) → topaz (8) → corundum (9) → kim cương (10).
Đá xây dựng phổ biến tại Việt Nam nằm trong khoảng Mohs 5–7:
| Loại đá | Mohs tổng hợp | Khoáng chủ đạo | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| Granite | 6–7 | Thạch anh (7), feldspar (6) | Ốp lát, cốt liệu BT cao cấp |
| Basalt | 5–6 | Pyroxene (5–6), plagioclase (6) | Đá dăm, kè, đường |
| Quartzite | 7 | Thạch anh tái kết tinh (7) | Cốt liệu mài mòn cao |
| Đá vôi | 3 | Calcit (3) | Vữa, xi măng, cốt liệu cấp thấp |
| Đá dolomite | 3,5–4 | Dolomite (3,5–4) | Bột filler, lớp móng đường |
Mohs cao (>6) có nghĩa là đá kháng trầy tốt — phù hợp đá lát sàn, đá ốp mặt bàn chịu mài mòn bề mặt. Mohs thấp (<4) dễ trầy xước, không dùng cho bề mặt chịu mài mòn. Tuy nhiên, Mohs không dự báo tốt cường độ nén vì chỉ đo tính chất khoáng đơn lẻ, không phản ánh cấu trúc và nứt nẻ của đá.
2. Độ nén dập theo TCVN 7572-11
Độ nén dập (aggregate crushing value — ACV) đo tỷ lệ phần trăm khối lượng đá vỡ lọt qua rây 2,36 mm sau khi nén mẫu đá cỡ 10–14 mm trong xi-lanh thép đường kính 150 mm dưới tải trọng 400 kN. Thử nghiệm thực hiện theo TCVN 7572-11:2006 (tương đương BS 812-110).
Phân loại theo độ nén dập:
- Cứng: ACV ≤10% — đá cứng rất tốt (hiếm gặp)
- Trung bình cứng: ACV 10–20% — phù hợp mọi ứng dụng bê tông
- Trung bình: ACV 20–30% — phù hợp bê tông thường M200–M300
- Mềm: ACV 30–45% — chỉ dùng bê tông cấp thấp, nền đường
- Rất mềm: ACV >45% — không dùng làm cốt liệu bê tông kết cấu
TCVN 7570:2006 yêu cầu đá dùng cho bê tông kết cấu có độ nén dập ≤30%. Đá dùng cho bê tông cường độ cao (C40 trở lên) cần ACV ≤20%.
3. Mài mòn Los Angeles (LA)
Thử nghiệm Los Angeles (ASTM C131/C535, TCVN 7572-12) đo khả năng chịu va đập và mài mòn khi đá quay cùng bi thép trong tang trống. Mẫu đá 5 kg cỡ 10–14 mm quay 500 vòng cùng 12 viên bi thép, sau đó rây qua 1,7 mm, tính % mất mát khối lượng.
Phân loại theo giá trị LA:
- Cứng: LA <25% — phù hợp mọi ứng dụng kể cả bê tông cường độ cao và mặt đường
- Trung bình: LA 25–35% — phù hợp bê tông thường, không dùng mặt đường cao tốc
- Mềm: LA 35–50% — chỉ dùng bê tông cấp thấp, lớp móng đường
- Không đạt: LA >50% — không dùng cốt liệu bê tông kết cấu
TCVN 7570:2006 quy định đá dùng cho bê tông: LA ≤50%; đá dùng cho mặt đường bê tông xi măng: LA ≤35%; đá dùng cho bê tông cường độ cao C40+: LA ≤25%.
4. Mối liên hệ giữa ba chỉ số độ cứng
Ba chỉ số đo ba cơ chế phá hoại khác nhau và có tương quan nhất định nhưng không hoàn toàn:
- Đá Mohs cao thường có ACV và LA tốt, nhưng đá nứt nẻ nhiều dù Mohs cao vẫn có ACV kém
- LA và ACV tương quan khá chặt vì cả hai đều đo phá hoại dòn; LA bổ sung yếu tố va đập
- Đá vôi Mohs 3 có ACV 20–35% — không phải đá mềm nhất về nén dập dù Mohs thấp
Trong thiết kế cấp phối bê tông, ACV và LA quan trọng hơn Mohs. Mohs chủ yếu dùng để phân loại đá và lựa chọn ứng dụng bề mặt (đá lát, ốp).
5. Ảnh hưởng độ cứng đến tính năng bê tông
Đá cứng (ACV thấp, LA thấp) tạo bê tông có mô-đun đàn hồi cao hơn, biến dạng từ biến nhỏ hơn. Đá mềm dễ vỡ dưới tải trọng, tạo vi nứt trong bê tông sớm hơn, giảm tuổi thọ. Ngoài ra, đá mềm tạo bụi nhiều hơn khi nghiền, làm tăng hàm lượng bụi bùn sét trong cốt liệu.
Với đường bê tông xi măng và đường bê tông nhựa, độ cứng đá (LA) ảnh hưởng trực tiếp đến mài mòn bề mặt mặt đường theo thời gian. LA >35% làm mặt đường mài nhẵn nhanh, giảm hệ số bám (skid resistance), nguy hiểm trong điều kiện mưa ẩm.
6. Kiểm tra độ cứng đá tại công trường
Kiểm tra nhanh tại công trường bằng cách dùng đinh thép (Mohs ~5) hoặc lưỡi dao (Mohs ~5,5) trầy mặt đá. Đá bị trầy dễ có Mohs <5, nghi ngờ đá mềm hoặc phong hóa — cần gửi mẫu phòng thí nghiệm. Thử nghiệm ACV và LA bắt buộc tại phòng thí nghiệm được công nhận (VILAS) theo TCVN 7572.
Tham khảo: TCVN 7570:2006; TCVN 7572-11:2006 (Độ nén dập); TCVN 7572-12:2006 (Độ mài mòn LA); ASTM C131; ASTM C535.