Thế giới có thực sự đang cạn kiệt cát không?
(practical.engineering)- Cách nói rằng thế giới đang làm cạn kiệt bản thân cát là khá phóng đại; vấn đề cát xây dựng gần với một bài toán nguồn cung đan xen giữa chất lượng, vị trí, chi phí và quy định môi trường hơn
- Với cát dùng cho bê tông, kích thước và phân bố hạt rất quan trọng; ngay cả ở những khu vực thiếu cát tự nhiên, vẫn có thể nghiền đá lớn rồi sàng để tạo cát nghiền
- Quan niệm phổ biến rằng cát sa mạc tròn không thể dùng cho bê tông là một sự đơn giản hóa; hiệu năng thực tế phụ thuộc nhiều không chỉ vào hình dạng hạt mà còn vào tính công tác và tỷ lệ nước-xi măng
- Trong thí nghiệm ở gara, với cùng tỷ lệ phối trộn, bê tông dùng cát nghiền góc cạnh có cường độ cao gấp 3 lần; nhưng khi điều chỉnh để có cùng tính công tác, phối trộn dùng cát tròn cần ít nước hơn 30% và cho cường độ cao hơn khoảng 10%
- Gánh nặng của việc khai thác cát nên được nhìn như các đánh đổi kỹ thuật và kinh tế bao gồm chi phí vận chuyển, thiệt hại môi trường do khai thác sông, chi phí tuân thủ quy định và khả năng tái chế
Vấn đề vật liệu xây dựng phức tạp hơn luận điểm thiếu cát
- Cát được dùng cho nhiều mục đích như kính, bán dẫn, cáp quang, bộ lọc, vật liệu mài, tạo kết cấu bề mặt, vui chơi và thẩm mỹ; trong xây dựng, cát đặc biệt là vật liệu cốt lõi của bê tông
- Bê tông có thể được làm từ các vật liệu đơn giản như nước, xi măng, sỏi và cát; nó rẻ, bền và có thể đúc thành nhiều hình dạng khác nhau
- Cát xây dựng nhìn chung được khai thác ở gần nơi sử dụng
- Chi phí vận chuyển chiếm tỷ trọng lớn trong giá cát
- Khoảng cách giữa nguồn khai thác và nơi sử dụng liên quan trực tiếp đến tính kinh tế
- Cát sông thường phù hợp cho bê tông, nhưng khai thác cát sông có thể làm thay đổi đặc tính dòng chảy và ảnh hưởng đến cả thượng lưu lẫn hạ lưu
- Cát là tài nguyên không tái tạo được sử dụng nhanh hơn nhiều so với tốc độ hình thành qua các quá trình địa chất, nhưng cũng có cách nghiền đá lớn để tạo cát xây dựng
Tiêu chí phân loại cát trong kỹ thuật
- Trong tam giác đất của USDA, vật liệu dạng hạt có từ 85% cát trở lên được phân loại là cát
- Trong Hệ thống phân loại đất thống nhất (USCS), kích thước hạt là tiêu chí cốt lõi
- Hơn một nửa số hạt phải lọt qua sàng Number 4, khoảng 5 mm
- Hơn một nửa số hạt không được lọt qua sàng Number 200, tức sàng nhỏ hơn khoảng 75 micron
- Loại cát sạch mà chúng ta thường hình dung gần với clean sand theo tiêu chuẩn USCS, với tỷ lệ hạt lọt qua sàng Number 200 dưới 12%
- Các tiêu chí này cho thấy cát không phải là một vật liệu đơn nhất, mà bao gồm một dải khá rộng các đất dạng hạt
Hiệu năng bê tông của cát nghiền và cát tròn
- Cát nghiền có thể được tạo bằng cách nghiền đá lớn rồi sàng bỏ các hạt quá lớn và quá nhỏ
- Các mỏ đá và thiết bị nghiền vốn đã tồn tại để sản xuất cốt liệu thô như sỏi
- Trong một số trường hợp, các hạt nhỏ có thể là phụ phẩm
- Khai thác trong đất liền, tránh khỏi sông, có khả năng giảm tác động môi trường
- Hình dạng hạt ảnh hưởng đến cường độ bê tông
- Cát được mài trong tumbler có hạt tròn và nhẵn
- Cát nghiền có hạt sắc và góc cạnh
- Khi đổ cùng một lượng, cát tròn có ma sát thấp nên lan rộng hơn
- Trong phối trộn thí nghiệm dùng cùng khối lượng vật liệu, bê tông dùng cát nghiền góc cạnh có cường độ cao hơn
- Bê tông dùng cát tròn bị phá hủy ở khoảng 2.500 đơn vị Practical Engineering
- Bê tông dùng cát nghiền bị phá hủy ở khoảng 7.500 đơn vị
- Đây là thí nghiệm trong gara, chỉ có 1 mẫu thử và load cell cũng chưa được hiệu chuẩn
- Các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy, khi giữ các điều kiện khác như nhau, cốt liệu mịn càng góc cạnh thì cường độ bê tông càng cao
Quan niệm về cát sa mạc và tỷ lệ nước-xi măng
- Bê tông không chỉ được đánh giá bằng cường độ; trước khi đông cứng, tính công tác để có thể đổ vào ván khuôn và đầm chặt cũng rất quan trọng
- Tính công tác thường được đo bằng thử nghiệm độ sụt
- Đổ bê tông vào một khuôn nón rồi nhấc khuôn lên
- Độ chảy được đánh giá qua việc bê tông sụt xuống bao nhiêu
- Thêm nhiều nước để tăng tính công tác giúp bê tông chảy tốt hơn, nhưng làm giảm cường độ
- Xi măng không phải là chất kết dính cứng lại do nước bay hơi, mà được dưỡng hộ bằng cách đưa nước vào phản ứng hóa học
- Xi măng có thể phản ứng với lượng nước khoảng 35% khối lượng của chính nó
- Lượng nước vượt quá mức đó sẽ chiếm chỗ thể tích mà lẽ ra vật liệu bền hơn có thể chiếm
- Khi phối trộn lại theo cùng mức tính công tác, kết quả đã thay đổi
- Phối trộn cát nghiền cần 100 ml nước để đạt tính công tác
- Phối trộn cát tròn chỉ cần 70 ml, tức dùng ít nước hơn 30%
- Sau 1 tuần, trong thử nghiệm phá hủy, mẫu cát tròn bị phá hủy ở 4.800 đơn vị, còn mẫu cát nghiền ở 4.300 đơn vị
- Nói rằng cát tròn không phù hợp cho bê tông là một quan niệm phổ biến bị đơn giản hóa
- Theo bulletin của American Concrete Institute, ảnh hưởng của hình dạng và kết cấu bề mặt cốt liệu mịn lên cường độ bê tông đã đông cứng gần như hoàn toàn gắn với tỷ lệ nước-xi măng cuối cùng
- Bài viết của Liên Hợp Quốc mà sách của Vince Beiser trích dẫn dựa trên một bài báo năm 2006 về cát sa mạc Trung Quốc, nhưng bài báo đó không đo độ tròn của hạt cũng không diễn giải kết quả bằng đặc tính này
- Kết luận của bài báo đó bao gồm nội dung rằng cát sa mạc là một phương án thay thế khả thi cho các cốt liệu mịn khác dùng trong bê tông
- Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu này gần với phân bố cỡ hạt hơn là hình dạng hạt
Ràng buộc thực sự là chi phí, tác động môi trường và cách cung ứng vật liệu
- Cốt liệu mịn có thể được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới và cũng có thể tự sản xuất, nhưng trong xây dựng thực tế, chi phí là ràng buộc cốt lõi
- Cát nghiền có thể đắt hơn so với khai thác vật liệu tự nhiên có thể đưa thẳng vào phối trộn
- Để đảm bảo tính công tác, có thể cần thêm vật liệu bổ sung như phụ gia hóa học
- Vận chuyển cát chất lượng tốt từ nơi xa cũng làm tăng chi phí
- Chi phí khai thác trong khi tuân thủ các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt trên toàn cầu cũng đang tăng
- Diễn đạt “cốt liệu mịn đang trở nên khan hiếm trên Trái Đất” kém chính xác hơn so với “cát đang trở nên đắt hơn rất nhiều so với trước đây”
- Giá thấp và sự dồi dào của cát là một trong những lý do bê tông được sử dụng nhiều; nếu tính kinh tế của cát thay đổi, ngành kỹ thuật và xây dựng cũng có thể thay đổi theo
- Với các vật liệu khác, đã có những ví dụ cho thấy thay đổi trong cách cung ứng làm thay đổi nhu cầu và cách sử dụng
- 99% kim cương công nghiệp là kim cương tổng hợp
- Hơn một phần ba lượng gỗ sử dụng trên toàn thế giới đến từ các rừng trồng nhằm mục đích khai thác
- Gỗ kỹ thuật như ván ép, OSB và vật liệu composite kết cấu có thể sử dụng nguyên liệu thô hiệu quả hơn
- Bê tông cũng có thể được nghiền rồi tái chế thành cốt liệu để dùng lại trong bê tông mới hoặc các vật liệu xây dựng khác
- Điều này có thể làm giảm nhu cầu đối với các nguồn tự nhiên
- Nhu cầu cát và sỏi trong ngành xây dựng đang tăng, nhưng vấn đề không phải là thế giới đang dùng cạn chính vật liệu đó, mà là chi phí mua sắm cùng các chi phí môi trường và tương lai đang được nhận thức và phản ánh nhiều hơn
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Điều khiến tôi ngạc nhiên khi bắt đầu kinh doanh tàu kéo là một quốc gia có thể vừa là nước xuất khẩu cát, vừa là nước nhập khẩu cát
Một số loại cát được chuyển từ Mỹ sang Bahamas để làm bê tông, còn loại khác lại đi từ Bahamas sang Mỹ để dùng cho bể cá
Cát chuyên dụng còn được dùng để làm sân bóng chuyền đúng chuẩn
Khi thay cát cho hố nhảy xa của liên đoàn điền kinh địa phương, tôi biết được rằng phải dùng cát lòng sông chứ không phải cát nghiền từ nhà máy
Vì bị nước sông liên tục mài mòn, các cạnh sắc bị làm cùn đi nên ít gây trầy xước hơn
Cát không chỉ đơn giản là cát
Ví dụ Đức cũng nhập khẩu rất nhiều ô tô và xuất khẩu rất nhiều ô tô
Nghe nói họ cần nhiều đặc tính vật lý không thể tìm thấy trong đất địa phương
Có vẻ khá phổ biến một mô-típ: khi các nguồn có thể trích dẫn như sách của Beiser và bài viết của Liên Hợp Quốc mắc lỗi, lỗi đó dù sai vẫn được lan truyền như kiến thức thường thức
Có nhiều bài blog xuất sắc mà tác giả đào rất sâu và tìm ra nhiều lớp sai sót, nhưng vì không phải nguồn “có thể trích dẫn” theo cách giới học thuật hay Wikipedia nhìn nhận, các khẳng định sai vẫn tiếp tục lan rộng
Việc giải quyết câu hỏi “thế nào được xem là nguồn có thể trích dẫn” rất phức tạp, nhưng cho đến lúc đó, ta vẫn cần một cách dễ dàng và thường xuyên để chuyển các phát hiện và đính chính được nghiên cứu kỹ từ nguồn phi học thuật sang dạng có thể trích dẫn
Đặc biệt trong các vấn đề xã hội, có nhiều ví dụ về việc các nguồn “không phù hợp” được chấp nhận vì có lợi cho một quan điểm nhất định
Các lĩnh vực STEM nhìn chung ổn, nhưng những mục nói về đời sống con người thì thiếu các loại nguồn quan trọng và có nhiều thiên lệch trong các bài về nhân vật, nên cần đọc thận trọng
Đó là hiện tượng một sự kiện bị trích dẫn sai lúc đầu lại hữu dụng như một câu nói nghe hay, nên dù đã bị phản bác nhiều lần vẫn cứ được lặp lại
Grady giống như một người hùng trong mảng đưa tin kỹ thuật và phim tài liệu
Qua Practical Engineering, tôi đã học được rất nhiều về cách thế giới vận hành trong các lĩnh vực kỹ thuật khác, đặc biệt là anh ấy thường nói đến những lĩnh vực bị bỏ quên, nơi tốc độ nhân tài rời đi vượt quá tốc độ bổ sung nhân lực
Thật đáng hy vọng khi thanh thiếu niên có thể xem video của anh ấy và muốn theo lĩnh vực hạ tầng, và tôi đặc biệt đánh giá cao góc nhìn điềm tĩnh, lý trí mà nội dung video ngày nay còn thiếu
Khó gọi anh ấy là nhà báo truyền thống, nhưng nếu tương lai của báo chí trông như thế này thì tôi rất mong vậy
Đó là cách những người có chuyên môn trong lĩnh vực của mình giải thích lĩnh vực đó một cách dễ hiểu và rõ ràng
Tôi tự hỏi một ngày nào đó chúng ta có thực sự cảm nhận được tác động của việc tái phân bổ nhân tài này hay không, và liệu kỹ thuật xây dựng có trở thành một nghề được trả lương cao hơn không
Trớ trêu thay, tôi vừa gặp đúng một “thảm họa cát” hoàn toàn khác: https://mastodon.social/@mimsical/113232531800424706
Nội dung nói rằng các nồi nấu dùng để tạo thỏi silicon trở thành vi mạch được làm từ cát thạch anh siêu tinh khiết, và 70% nguồn cung toàn cầu đến từ một nơi ở North Carolina, Spruce Pine
https://news.ycombinator.com/item?id=41701862
Tôi thắc mắc liệu mỏ này hiện được dùng chỉ vì rẻ nhất, và nếu nó biến mất thì mọi người có thể chuyển sang nguồn thay thế, hay nếu mỏ đó biến mất thì sẽ hoàn toàn không có phương án thay thế
Đáng tiếc là thiệt hại khủng khiếp ở miền tây North Carolina đã tạo cơ hội kiểm chứng giả thuyết đó
Giả thuyết là ngay cả khi Spruce Pine dừng hoạt động, tác động tổng thể đối với ngành bán dẫn toàn cầu cũng sẽ tương đối khó nhận thấy
Video thật sự thú vị
Đây là lần đầu tôi thấy có người trực diện đặt câu hỏi về ý tưởng trông như hoàn toàn bịa đặt rằng cát sa mạc không phù hợp cho xây dựng
Có lẽ tôi đã tiếp nhận ý tưởng đó vào đầu mà chưa kiểm chứng đầy đủ
Ở Đức, khi trời nhiều nắng và gió thổi mạnh, đôi khi người ta còn phải trả tiền để xử lý lượng điện dư thừa
Tôi tự hỏi liệu có thể dùng nguồn điện giá rẻ đó để chạy máy nghiền đá, tạo thêm cát hay không
Đây là cách những người vốn đốt nhiên liệu để lấy nhiệt sử dụng: làm nóng trước không khí để giảm lượng nhiên liệu cần thiết, hoặc thậm chí đưa về 0
Gạch chịu lửa chịu được khoảng 1000°C, còn một công ty spin-off từ MIT dùng loại gạch oxit crom đặc biệt pha tạp niken, vận hành tới 1800°C, gần với nhiệt độ ngọn lửa khí tự nhiên-không khí
Loại gạch này có tính dẫn điện nên cũng có thể tự đóng vai trò là bộ phận phát nhiệt
https://www.fastcompany.com/91129126/these-bricks-conduct-el...
https://electrifiedthermal.com/
https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/130800
Tùy biên độ dao động giá, pin có thể là khoản đầu tư tốt hơn nhiều
Vẫn có nhân công, hao mòn máy móc, và cả chi phí cơ hội khi dùng số tiền đó vào việc khác
Dựng sẵn một máy nghiền như vậy rồi hiện tại chỉ chạy trong một tỷ lệ nhỏ x% thời gian có thể không phải là khoản đầu tư tốt
Cuốn sách được nhắc tới là The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transformed Civilization của Vince Beiser
Sách kể về cát, một tài nguyên thiên nhiên ngày càng quan trọng và ngày càng cạn kiệt, cũng như những người khai thác, bán, dùng nó trong xây dựng, và đôi khi còn giết người vì nó
Sách cũng bàn về cái giá nghiêm trọng về con người và môi trường do sự phụ thuộc vào cát gây ra, đi từ Mỹ tới Ấn Độ, Trung Quốc và những vùng xa xôi của Dubai để giải thích vì sao cát quan trọng với đời sống hiện đại
https://www.goodreads.com/book/show/36950075-the-world-in-a-...
https://www.goodreads.com/book/show/112974899-material-world
Nội dung nói về các vật liệu cơ bản gồm cát, muối, sắt, đồng, dầu mỏ và lithium, những thứ trong hàng nghìn năm đã tạo dựng các đế chế, làm sụp đổ các nền văn minh, và nuôi dưỡng cả sức sáng tạo lẫn lòng tham của con người
Thế giới hiện đại không thể tồn tại nếu thiếu chúng, và cuộc đấu tranh để kiểm soát chúng sẽ quyết định tương lai
Câu “bê tông áp đảo hầu hết các vật liệu khác” là đúng
Theo Wikipedia, bê tông là chất được sử dụng nhiều thứ hai trên thế giới, chỉ sau nước
Tôi đang đọc bài Wikipedia về bê tông sau khi nhận ra rằng, dù nó phổ biến đến vậy, mình chưa từng thật sự nghĩ kỹ về nó; thật đáng kinh ngạc là điều này lại có thể xảy ra
Có lẽ cũng cần xem là tính theo khối lượng hay theo thể tích
Nếu thấy bài này thú vị, rất đáng đọc Material World: A Substantial Story of Our Past and Future
Đây là một trong những cuốn sách mở mang tầm mắt nhất mà tôi đọc trong vài năm qua
Vài năm trước khi đi nghỉ ở Việt Nam, việc nạo vét cát trên sông Mekong rõ ràng trông như một ngành kinh doanh lớn
Có thể thấy những chiếc thuyền chở đầy cát xuôi dòng; tôi nghe nói đáng lẽ việc đó được bảo vệ, nhưng dường như không ai ngăn lại
Có vẻ Việt Nam có khá nhiều tham nhũng, và tôi nghe nói do xói lở từ việc nạo vét, nhà cửa đang sụp xuống sông