Solutions to minimize environmental impact in the construction industry: Optimizing of foundation design and using of low-carbon concrete
Phạm Quốc Dũng
Công ty Bachy Soletanche Vietnam.
E-mail: [email protected]
Nguyễn Nhật Thành
Công ty Bachy Soletanche Vietnam.
E-mail: [email protected]
Tóm tắt
Ô nhiễm môi trường gây ra bởi hoạt động xây dựng hiện nay tại Việt Nam và nhiều nước trên thế giới là rất nghiêm trọng. Hoạt động xây dựng bắt đầu từ giai đoạn khảo sát, thiết kế đến giai đoạn thi công công trình. Với một khối lượng lớn bê tông, thép và máy móc thiết bị hạng nặng được sử dụng sẽ tạo ra một khối lượng lớn phát thải khí CO2 ra môi trường trong quá trình nghiền Clinker, sản xuất xi măng, quá trình sản xuất thép và thi công xây dựng công trình. Để giảm thiểu tác động xấu đến môi trường, tập đoàn Soletanche Bachy cam kết đến năm 2030 với khách hàng và những thế hệ tương lai rằng tập đoàn chúng tôi sẽ giảm 40% lượng khí thải CO2 đối với nguồn từ phạm vi 1 và 2 và 20% đối với nguồn từ phạm vi 3. Bài viết cũng đưa ra các ví dụ cụ thể để cho thấy rằng phương án thiết kế tối ưu là rất quan trọng và việc sử dụng bê tông carbon thấp là giải pháp thật sự cần thiết để mang lại hiệu quả cao trong công tác bảo vệ môi trường.
Summary
Environmental pollution caused by construction activities in Vietnam and many countries around the world is very serious, nowadays. Construction activities start from the site survey, design stage to the construction stage. With a large volume of concrete, steel and heavy machinery used, it will create a large volume of CO2 emissions into the environment during clinker grinding, cement production, steel production and construction works at site. To minimize the negative impact on the environment, Soletanche Bachy Group commits to our customers and future generations that by 2030 our Group will reduce CO2 emissions by 40% from sources by scope 1 and 2, and 20% from sources by scope 3. The article also provides specific projects to demonstrate that optimal design option is crucial, and the use of low-carbon concrete is a truly necessary solution to bring high efficiency in environment protection.
Giới thiệu
Trong các mục tiêu phát triển bền vững (Sustainable Development Goals – SDG) của Liên Hiệp Quốc có 2 mục tiêu thúc đẩy các giải pháp vì môi trường. Đó là mục tiêu số 7 – Năng lượng sạch với giá thành hợp lý tập trung vào việc cung cấp năng lượng xanh và giảm thiểu năng lượng sử dụng và mục tiêu số 13 – Hành động về khí hậu tập trung vào việc giảm phát thải khí nhà kính và phục hồi các hậu quả của biến đổi khí hậu. Với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đang diễn ra trên toàn cầu, ngành công nghiệp xây dựng và các tòa nhà đang chịu trách nhiệm cho 37% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu.
Phát thải khí nhà kính thường được đo bằng lượng phát thải carbon. Để thực hiện các biện pháp giảm phát thải carbon, nguồn phát thải này được chia ra làm 3 Phạm vi: Phạm vi 1, 2 và 3. Công ty Bachy Soletanche Việt Nam (BSV) là một nhà thầu nền móng, thuộc tập đoàn Soletanche Bachy và tập đoàn mẹ Vinci (Pháp). Là một công ty nền móng, chúng tôi đo lường phát thải carbon theo 3 phạm vi trên như sau:
Phạm vi 1: Phát thải carbon trực tiếp từ việc tiêu thụ xăng, dầu, khí LPG. Việc sử dụng các thiết bị hạng nặng với động cơ diezen công suất lớn như xe cẩu bánh xích, xe khoan, xe đào, xe ben… tiêu thụ một lượng lớn nhiên liệu dầu D.O.
Phạm vi 2: Phát thải carbon gián tiếp từ tiêu thụ điện lưới. Điện được sử dụng cho một số thiết bị thi công như hệ thống bơm, máy trộn dung dịch, tiện ích văn phòng, chiếu sáng, …
Phạm vi 3: Phát thải carbon từ các nguồn khác. Việc sử dụng vật liệu như bê tông, thép, xi măng và sử dụng máy bay đi công tác được tập đoàn Soletanche Bachy tính đến cho phạm vi phát thải 3.
Theo số liệu báo cáo môi trường năm 2022 của tập đoàn Soletanche Bachy, lượng phát thải carbon cho phạm vi 1 & 2 là 102.697 tấn CO2 và cho phạm vi 3 là 962.802 tấn CO2. Có thể thấy phát thải carbon theo Phạm vi 3 chiếm tới 90% tổng lượng phát thải carbon. Đây là số liệu dựa trên báo cáo của tất cả các chi nhánh Soletanche Bachy trên toàn thế giới, được kiểm toán bởi Deloitte. Đi sâu hơn vào phạm vi 3: chúng tôi có lượng phát thải đến từ bê tông là 542.501 tấn CO2 chiếm 56%, thép là 339.347 tấn CO2 (35%), xi măng là 75.284 tấn CO2 (8%) và 1% còn lại là sử dụng máy bay đi công tác (5.670 tấn CO2).
Bê tông đứng đầu danh sách các loại vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng, đứng thứ hai là thép. Tốc độ sử dụng bê tông trên toàn thế giới đã tăng gấp 10 lần trong 65 năm qua. Đối với tập đoàn Soletanche Bachy, bê tông chiếm 50,92% và thép chiếm 35,25% tổng lượng phát thải carbon (số liệu năm 2022). Phát thải carbon từ bê tông và thép được tính bằng công thức sau:
• Đối với bê tông:
Lượng phát thải (tấn CO2) = Khối lượng bê tông (m3) x hệ số phát thải của bê tông (tấn CO2/m3 bê tông)
• Đối với thép:
Lượng phát thải (tấn CO2) = Khối lượng thép (tấn) x hệ số phát thải của thép (tấn CO2/tấn thép)
Vì vậy để giảm phát thải carbon, có 2 phương án chủ yếu là giảm lượng bê tông và thép sử dụng và phương án thứ 2 là giảm hệ số phát thải của bê tông mà chúng ta sử dụng. Với phương án 1, chúng tôi tập trung tối ưu hóa trong thiết kế nền móng công trình. Bằng cách áp dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến (phụt vữa thân cọc, cọc phụt vữa mũi cọc,…) và tối ưu hóa trong tính toán thiết kế cọc và thiết kế tường vây. Nhờ đó mà tổng khối lượng bê tông, thép sử dụng cho công trình được giảm đáng kể, giúp bảo vệ môi trường cũng như tiết kiệm chi phí (2 mục tiêu này luôn đồng hành cùng nhau). Với phương án thứ 2, chúng tôi nghiên cứu sử dụng loại bê tông có hệ số phát thải CO2 thấp, sử dụng các phụ gia khoáng thay thế thành phần xi măng và các loại xi măng ít clinker.
GIẢI PHÁP 1: Tối ưu hóa trong thiết kế
Phương án móng cho nhà cao tầng phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo các lớp địa chất, cao độ mực nước ngầm, tải trọng công trình cũng như phương án thi công dự kiến của phần hầm (có thể là phương án đào mở kết hợp với hệ neo hoặc hệ giằng chống, semi-topdown hoặc full-topdown). Đơn vị Tư vấn thiết kế cần phải có nhiều giải pháp khác nhau cho cùng một công trình để so sánh và lựa chọn phương án tối ưu về khối lượng, thời gian thi công và chi phí cũng như ảnh hưởng của mỗi phương án đến môi trường. Công nghệ thi công tiên tiến cũng là một giải pháp để giảm thiểu tác động đến môi trường.
Hai công trình điển hình ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh sau đây được lấy làm ví dụ tham khảo. Với mỗi công trình chúng tôi sẽ trình bày 2 phương án để làm cơ sở so sánh. Phương án ban đầu là phương án do đơn vị tư vấn thiết kế đề xuất để đấu thầu và phương án tối ưu là phương án do chúng tôi đề xuất trong giai đoạn đấu thầu.
Địa tầng tại khu vực nội thành Thành phố Hồ Chí Minh thay đổi từng khu vực cụ thể nhưng có thể được tóm tắt sơ lược như bên dưới:
• Lớp 1: Đất sét pha cát, mềm đến chặt vừa.
• Lớp 2: Đất sét pha cát lẫn sỏi sạn, cứng vừa đến cứng.
• Lớp 3: Đất sét pha cát, cứng vừa.
• Lớp 4: Cát mịn đến trung, rời đến chặt.
• Lớp 5: Đất sét, cứng.
• Lớp 6: Cát mịn đến trung, chặt đến rất chặt.
Mực nước ngầm dao động ở độ sâu 1.0m đến 2.0m dưới mặt đất tự nhiên.
Hình 1: Địa tầng điển hình tại khu vực trung tâm TPHCM
Công trình 1 (3 tầng hầm và 13 tầng cao):
Nhà thầu BSV nhận thấy phương án cọc và tường vây theo phương án ban đầu có thể tối ưu được dựa trên hồ sơ địa chất, tải trọng công trình và biện pháp thi công công trình dự kiến của Nhà thầu chính. Dưới đây là bản vẽ mặt bằng của hai phương án.
Giải pháp đề xuất cho công trình:
• Móng cọc: Nhờ hiệu quả vượt trội của công nghệ cọc phụt vữa thân cọc được áp dụng lần đầu tại Việt Nam từ năm 2007, phương án cọc khoan nhồi phụt vữa được đề xuất áp dụng cho công trình để rút ngắn chiều sâu cọc và giảm đường kính cọc cho toàn bộ công trình.
• Tường vây: Để giảm thiểu tác động xấu đến các công trình và hệ thống hạ tầng kỹ thuật xung quanh trong quá trình thi công đào đất tầng hầm, chiều sâu tường vây được đề xuất ngàm vào lớp sét cứng bên dưới (lớp sét cứng xuất hiện ở độ sâu khoảng 44m so với mặt đất tự nhiên) để tạo vách ngăn nước. Cụ thể, chiều sâu chịu lực của tường vây trong trường hợp này là 26m (thép tường vây được bố trí đến độ sâu 26m) và bên dưới 26m đến chân tường vây (từ 26m đến 45m) được cấu tạo là tường ngăn nước (không bố trí thép).
Với phương án tối ưu trên, khối lượng bê tông và thép tiết kiệm như bảng bên dưới (không bao gồm 06 cọc cho các cột bổ sung trong giai đoạn thiết kế thi công):
Sử dụng công cụ tính toán của EFFC – Hiệp hội các nhà thầu nền móng Châu Âu, lượng phát thải khí CO2 được tính toán như biểu đồ bên dưới (đơn vị là tấn CO2). Biểu đồ cột cho thấy phương án tối ưu được kiệm được 2.400 tấn CO2 tương đương với xấp xỉ 35% so với phương án ban đầu.
Công trình 2 (3 hầm và 25 tầng cao):
Ngoài việc áp dụng công nghệ phụt vữa thân cọc, giải pháp cọc barrette (BR) cũng giúp tối ưu khối lượng phần móng cho công trình, giảm số lượng cọc và khối lượng đài cọc. Dưới đây là mặt bằng cọc của hai phương án:
Với phương án thay thế, chúng tôi đề xuất phương án bố trí 1 cọc bên dưới chân cột để thuận tiện cho việc bố trí kingpost trong biện pháp thi công semi-topdown. Kích thước của barrette được thay đổi thay vì áp dụng gàu đào chuẩn có kích thước 2.8m. Bên dưới đây là bảng so sánh khối lượng của phương án cọc và đài coc.
Ngoài tiết kiệm khối lượng như trên, việc giảm số lượng cọc cũng giúp Chủ đầu tư giảm đáng kể thời gian thi công hạn mục cọc, cụ thể là giảm 23 ngày, tương đương với 38% tổng thời gian thi công cọc.
Tương tự như ở công trình 1, lượng phát thải khí CO2 ra môi trường cũng được tính toán và trình bày trong biểu đồ cột bên dưới. Khối lượng khí CO2 giảm 600 tấn CO2 tương đương 26% so với phương án ban đầu.
GIẢI PHÁP 2: Sử dụng bê tông carbon thấp
Một cấp phối bê tông thông thường bao gồm: xi măng (portland cement), cốt liệu lớn (gravel), cát, nước. Tuy chỉ chiếm khoảng 12% về khối lượng, nhưng xi măng có lượng phát thải chiếm 85% phát thải của bê tông.
Quá trình sản xuất ra xi măng bao gồm các công đoạn: (1) Khai thác nguyên liệu thô (đá vôi, đất sét, cát,..); (2) Nghiền đá vôi trước
khi phối trộn; (3) Vận chuyển tới nhà máy sản xuất xi măng; (4) Nghiền mịn các nguyên liệu thô và phối trộn theo tỷ lệ; (5) Đưa vào lò quay để nung và gia nhiệt đến khoảng 1.450 °C sẽ kích hoạt một loạt phản ứng hóa học biến bột thô thành clinker; (5) Làm nguội clinker; (6) Sản xuất xi măng. Việc sử dụng các nguồn nhiên liệu để đốt nóng và quá trình canxi hóa của bước 5 tạo ra nhiều khí thải CO2 nhất. Ước tính để tạo ra 1 tấn xi măng sẽ phát thải từ 800 đến 950 kg CO2. Hiện nay các nhà sản xuất xi măng đã sử dụng các phụ gia khoáng để thay thế cho thành phần clinker trong xi măng. Có thể kể đến các loại vật liệu sau: Xỉ lò cao nghiền mịn (GGBS – Ground Granulated Blast-furnace Slag), bột đá vôi (limestone filler), meta cao lanh, silica fume, tro bay). Việc sử dụng xi măng ít clinker đang là định hướng cho việc phát triển bền vững của các nhà sản xuất xi măng.
Theo TCVN 6260:2020 Xi măng Pooc lăng hỗn hợp (Blended portland cements), mục 5.4 (Yêu cầu kỹ thuật): ‘’Tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng pooc lăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40%. Tuy nhiên nếu nhà sản xuất sử dụng xỉ lò cao với tỉ lệ lớn hơn 10% trở lên, cho phép tổng lượng các phụ gia khoáng sử dụng lên tới 50%’’. So với việc sử dụng xi măng PC (TCVN 2682:2020), lượng phát thải cho mỗi m3 bê tông giảm đáng kể. Xi măng PC có thành phần clinker từ 94% đến 95%.
Công ty BSV thúc đẩy việc áp dụng bê tông có hàm lượng carbon thấp trong các công tác thi công để góp phần vào việc phát triển bền vững. Bê tông dùng cho thi công cọc khoan nhồi và tường vây được đổ trong dung dịch đào (bentonite hoặc polymer). Đối với Công trình 1, BSV đã phối hợp với Nhà thầu phụ cung cấp bê tông để sản xuất và thi công bê tông có hàm lượng carbon thấp cho kết cấu cọc và tường vây.
Bê tông B35 có tổng thành phần chất kết dính là 460 kg trong đó xi măng PCB40 chiếm 78,26%, hai loại phụ gia khoáng được sử dụng là xỉ hạt lò cao (9,78%) và tro bay (11,95%). Loại xi măng là PCB40 Fico YTL-Supreme flow có dấu chân carbon tính toán là 571.40 kg CO2/tấn xi măng.
Bảng thống kê dưới đây cho thấy, với việc sử dụng bê tông carbon thấp sẽ giúp giảm 125kg CO2/m3 bê tông, tương đương với khoảng 35% khối lượng phát thải khí CO2 ra môi trường. Bởi vì chỉ một phần tổng khối lượng bê tông của hạng mục cọc và tường vây sử dụng cho công trình là bê tông carbon thấp nên tổng khối lượng CO2 phát thải ra môi trường giảm 647 tấn như trình bày trong Bảng 5 bên dưới:
KẾT LUẬN
Có nhiều giải pháp để hạn chế ảnh hưởng của công trình xây dựng đến môi trường, Với công ty Bachy Soletanche Vietnam chuyên về nền móng và công trình ngầm, việc áp dụng 2 biện pháp như nêu trên đã góp một phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường. Từ phân tích phương án tối ưu của 2 công trình trên cho thấy việc tối ưu hóa trong giai đoạn thiết kế là rất quan trọng, giúp Chủ đầu tư giảm đáng kể khối lượng vật tư sử dụng cho công trình và việc sử dụng vật liệu bê tông carbon thấp giúp giảm khối lượng phát thải khí CO2 ra môi trường sống.
