Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam đang đối mặt với thách thức kép: sự khan hiếm nghiêm trọng nguồn cốt liệu đá tự nhiên và áp lực xử lý chất thải rắn công nghiệp. Ngành công nghiệp luyện thép trong nước, với vị thế nằm trong nhóm 15 quốc gia khai thác và sản xuất thép hàng đầu thế giới, thải ra hàng triệu tấn xỉ thép mỗi năm, đặc biệt tập trung tại các khu công nghiệp trọng điểm như Bà Rịa - Vũng Tàu. Việc tích tụ phế thải xỉ thép tại các bãi chứa lộ thiên không chỉ chiếm dụng diện tích đất canh tác lớn mà còn tiềm ẩn nguy cơ thẩm thấu kim loại nặng vào mạch nước ngầm dưới tác động của thời tiết nhiệt đới mưa nhiều. Về mặt phát thải môi trường, trong khi quy trình sản xuất 1 tấn xi măng truyền thống phát thải khoảng 0,8 đến 0,9 tấn CO2 thì việc tái chế xỉ thép chỉ tạo ra khoảng 0,3 tấn CO2, mang lại tiềm năng to lớn trong việc giảm dấu chân carbon cho ngành xây dựng.

Mặt khác, các tuyến cao tốc huyết mạch và quốc lộ trọng điểm như Quốc lộ 1A hay tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi thường xuyên xuất hiện hiện tượng hằn lún vệt bánh xe, nứt mỏi sớm do lưu lượng xe tải trọng nặng tăng cao. Để giải quyết đồng thời hai bài toán trên, luận văn tập trung nghiên cứu khả năng thay thế cốt liệu đá dăm thô (kích cỡ hạt từ 4,75 mm trở lên) bằng xỉ thép lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace - EAF) với các tỷ lệ 50% và 100% trong hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12.5. Mục tiêu chính là đánh giá toàn diện sự thay đổi về đặc tính cơ lý, độ ổn định nhiệt, khả năng chịu kéo uốn và sức kháng lún của bê tông nhựa. Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ tháng 02/2023 đến tháng 06/2023 tại Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn xỉ EAF từ Công ty Vật Liệu Xanh và Công ty Vina Kyoei, mở ra giải pháp vật liệu xanh bền vững cho kết cấu mặt đường chịu tải cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tương tác bề mặt cốt liệu - bitum và cơ học vật liệu đàn nhớt trong kết cấu áo đường mềm. Cốt liệu thô xỉ thép lò hồ quang điện sở hữu cấu trúc tinh thể góc cạnh, bề mặt thô nhám với khối lượng riêng đạt khoảng 3,043 g/cm3 (cao hơn đá tự nhiên khoảng 15%) và độ hao mòn Los Angeles đạt 23,5%, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Đặc tính góc cạnh sắc nhọn của xỉ thép tạo ra khung chèn móc cơ học vững chắc, tăng cường ma sát nội và lực liên kết dính bám với màng nhựa bitum Petrolimex 60/70 tại hàm lượng tối ưu 5,0%.

Để mô tả hành vi ứng xử động của bê tông nhựa dưới tác dụng của tải trọng trùng phục và nhiệt độ biến thiên, nghiên cứu áp dụng nguyên lý tương đương thời gian - nhiệt độ (Time-Temperature Superposition Principle). Thông qua hệ số dịch chuyển nhiệt độ a(T), đường cong tổng thể Master Curve được xây dựng dựa trên hàm Sigmoidal toán học nhằm dự báo chính xác mô đun phức động (Dynamic Modulus E*) của vật liệu ở các dải tần số tải rộng từ 0,5 Hz đến 25 Hz. Các khái niệm học thuật then chốt bao gồm: độ ổn định và độ dẻo Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ, khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe và điểm bong màng nhựa (Stripping Point).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm kết hợp phân tích thống kê toán học. Nguồn vật liệu bao gồm đá dăm khai thác tại mỏ đá Hồng An (Quận 9, TP.HCM), xỉ thép EAF đã qua tuyển chọn, rửa sạch, sấy khô ở 110°C và sàng phân loại cỡ hạt trên 4,75 mm. Mẫu được chế bị theo cấp phối danh định 12,5 mm tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 8819-2011 với 5 tổ hợp cấp phối: mẫu đối chứng 100% đá dăm, mẫu 50% xỉ Vật Liệu Xanh, mẫu 50% xỉ Vina Kyoei, mẫu 100% xỉ Vật Liệu Xanh và mẫu 100% xỉ Vina Kyoei. Cốt liệu được sấy ở 170°C trong 4 giờ, nhựa bitum được gia nhiệt ở 150°C đến 160°C trong 2 giờ, trộn đều ở 150°C trong 3 phút và đầm nén ở dải nhiệt độ 140°C đến 155°C.

Cỡ mẫu và quy trình thí nghiệm được chuẩn hóa nghiêm ngặt:

  • 12 mẫu trụ kích thước tiêu chuẩn đường kính 101,6 mm cho thí nghiệm đo độ ổn định và độ dẻo Marshall ở 60°C theo TCVN 8860-1:2011 (3 mẫu cho mỗi tỷ lệ).
  • 8 mẫu hình trụ kích thước chiều cao 100 mm và đường kính 100 mm xác định mô đun đàn hồi tĩnh ở 3 cấp nhiệt độ 15°C, 30°C và 60°C theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06.
  • 8 mẫu thử cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ ở nhiệt độ 25°C với tốc độ gia tải 50,8 mm/phút theo TCVN 8862:2011.
  • Các mẫu trụ đường kính 100 mm, chiều cao 150 mm thử nghiệm mô đun phức động E* trên hệ thống máy nén kéo đa năng DTS-30 điều khiển bằng bộ CDAS kỹ thuật số tại 5 mức nhiệt độ từ -10°C đến 54°C theo EN 12697-26C.
  • Các tấm mẫu kích thước 300x300x50 mm đầm lăn phục vụ thí nghiệm vệt hằn bánh xe trong môi trường ngâm nước nóng 50°C qua 15.000 chu kỳ tải theo Quyết định 1617/QĐ-BGTVT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả thực nghiệm khẳng định việc thay thế đá dăm bằng xỉ thép EAF mang lại sự cải thiện vượt bậc trên tất cả các chỉ tiêu cơ lý và độ bền của bê tông nhựa chặt:

  • Độ ổn định Marshall và mô đun đàn hồi tĩnh: Mẫu bê tông nhựa sử dụng 50% và 100% xỉ thép ghi nhận độ ổn định Marshall tăng từ 4,5% đến 8,2% so với mẫu đối chứng đá tự nhiên, trong khi độ dẻo vẫn duy trì ổn định trong giới hạn cho phép từ 2,0 mm đến 4,0 mm. Giá trị mô đun đàn hồi tĩnh ở 30°C của mẫu 100% xỉ thép đạt mức tăng trưởng khoảng 14% so với mẫu không chứa xỉ.
  • Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở 25°C: Các cấp phối chứa xỉ thép ghi nhận cường độ kéo gián tiếp tăng từ 12,3% đến 18,7% so với bê tông nhựa truyền thống. Điều này phản ánh khả năng phân bố ứng suất đồng đều, hạn chế sự hình thành vết nứt vi mô khi nền mặt đường chịu tải trọng kéo uốn bất lợi.
  • Mô đun phức động (Dynamic Modulus E*): Đo đạc trên thiết bị DTS-30 cho thấy ở nhiệt độ 21°C và tần số 10 Hz, giá trị E* của mẫu 100% xỉ thép đạt mức cải thiện từ 22% đến 35% so với mẫu đối chứng. Ở dải nhiệt độ cao 54°C, mô đun phức động của hỗn hợp xỉ thép vẫn giữ được độ cứng vững cao hơn khoảng 1,5 lần so với hỗn hợp đá dăm.
  • Khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe: Thí nghiệm đầm vệt bánh xe ngâm nước 50°C sau 15.000 lượt tải cho thấy độ lún của mẫu đối chứng đá dăm lên tới 10,70 mm, trong khi mẫu sử dụng 100% xỉ thép giảm mạnh chỉ còn khoảng 6,05 mm (giảm hơn 43% độ sâu lún). Đồng thời, đồ thị xác định điểm bong màng nhựa cho thấy hỗn hợp xỉ thép duy trì độ bám dính bitum tuyệt hảo, hoàn toàn không xảy ra hiện tượng bong tách cốt liệu sớm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp bê tông nhựa xỉ thép đạt các chỉ số cơ học vượt trội xuất phát từ hình thái học và khoáng vật học đặc biệt của xỉ EAF. Cấu trúc vi mô bề mặt của hạt xỉ xốp với nhiều lỗ rỗng nhỏ tạo điều kiện cho bitum thẩm thấu sâu, hình thành các chân ngàm liên kết chặt chẽ. Độ góc cạnh cao cùng khả năng chịu lực nén đỉnh cao của xỉ thép tạo nên bộ khung chịu lực vững chắc, triệt tiêu sự dịch chuyển tương đối giữa các hạt cốt liệu dưới tác dụng của bánh xe.

Các kết quả thực nghiệm được trực quan hóa qua hệ thống bảng số liệu đối chiếu 5 cấp phối và các biểu đồ đường cong Master Curve dạng hàm Sigmoidal. Đồ thị dịch chuyển Log a(T) theo nhiệt độ cho thấy các đường cong E* của mẫu chứa 50% và 100% xỉ thép luôn nằm ở vị thế cao hơn so với mẫu chuẩn, chứng minh độ cứng động ổn định ở mọi dải vận tốc xe chạy. Khi so sánh với các công bố quốc tế tại Malaysia (nơi mô đun động ACW14 xỉ thép đạt 4436,15 MPa so với 1976,85 MPa của đá dăm) và các nghiên cứu tại Ả Rập Xê Út, kết quả của luận văn có sự tương đồng cao, khẳng định xỉ thép nội địa hoàn toàn đủ tiêu chuẩn thay thế vật liệu truyền thống trong xây dựng công trình giao thông hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các bằng chứng thực nghiệm rõ ràng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và chính sách hành động cụ thể:

  1. Ban hành quy trình kỹ thuật thi công cấp ngành: Đề nghị Bộ Giao thông Vận tải chủ trì, phối hợp cùng các viện nghiên cứu xây dựng và ban hành Hướng dẫn thiết kế, thi công và nghiệm thu bê tông nhựa chặt sử dụng cốt liệu xỉ thép EAF trong thời gian 12 đến 18 tháng, đặt mục tiêu áp dụng thử nghiệm cho ít nhất 2 dự án đường cao tốc trọng điểm.
  2. Tiêu chuẩn hóa quy trình sơ chế và cung ứng xỉ thép: Khuyến nghị các nhà máy sản xuất thép như Vina Kyoei, Pomina liên kết với các đơn vị chế biến vật liệu tái chế đầu tư dây chuyền sàng rửa, nghiền sàng khép kín nhằm kiểm soát cỡ hạt thô trên 4,75 mm, độ ẩm dưới 1,0% và giới hạn tạp chất tự do dưới 0,5% trong vòng 6 tháng tới.
  3. Triển khai ứng dụng tại các vị trí chịu tải trọng đặc biệt: Các Ban Quản lý dự án hạ tầng giao thông tại khu vực Đông Nam Bộ nên ưu tiên chỉ định tỷ lệ 50% đến 100% xỉ thép cho các đoạn đường có nguy cơ lún hằn cao như trạm thu phí, nút giao logistics, đường dẫn cảng biển tại Thành phố Hồ Chí Minh và Bà Rịa - Vũng Tàu, hướng đến mục tiêu giảm 35% chi phí bảo trì mặt đường trong chu kỳ 5 năm.
  4. Ban hành cơ chế khuyến khích kinh tế tuần hoàn: Bộ Xây dựng và Bộ Tài nguyên và Môi trường cần sớm ban hành chính sách ưu đãi thuế bảo vệ môi trường và tín dụng xanh cho các nhà thầu sử dụng trên 30% nguyên liệu tái chế, phấn đấu xử lý dứt điểm khoảng 500.000 tấn xỉ thép tồn đọng tại các bãi chứa mỗi năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình giao thông: Có thể sử dụng trực tiếp bộ thông số thực nghiệm về mô đun đàn hồi tĩnh, mô đun phức động E* và đường cong Master Curve để tối ưu hóa tính toán chiều dày kết cấu áo đường theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại.
  2. Nhà thầu thi công xây dựng đường bộ: Tham khảo chi tiết các thông số công nghệ về nhiệt độ sấy cốt liệu (170°C), nhiệt độ trộn (150°C), thời gian trộn (3 phút) và kỹ thuật đầm lèn mặt đường bê tông nhựa xỉ thép ngoài hiện trường nhằm đảm bảo chất lượng công trình.
  3. Doanh nghiệp sản xuất thép và các công ty xử lý môi trường: Nắm bắt cơ sở khoa học để chuyển giao công nghệ, chế biến xỉ thép thô thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng cao, giải phóng mặt bằng các bãi thải công nghiệp.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cầu Đường: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp ứng dụng máy DTS-30, phân tích mô đun nhớt đàn hồi và phương pháp đánh giá độ hằn lún vệt bánh xe theo tiêu chuẩn tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

Việc thay thế xỉ thép có làm tăng đáng kể khối lượng thể tích của lớp bê tông nhựa không? Có. Xỉ thép EAF có khối lượng riêng trung bình đạt 3,043 g/cm3, cao hơn so với đá dăm tự nhiên (thường khoảng 2,65 đến 2,75 g/cm3). Điều này làm tăng nhẹ tỷ trọng thể tích của hỗn hợp bê tông nhựa, tuy nhiên lại tạo ra độ đầm chặt vượt trội, giúp kết cấu mặt đường chịu được tải trọng trục xe nặng mà không bị xô dồn.

Tỷ lệ thay thế xỉ thép nào mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tối ưu nhất? Kết quả thí nghiệm chứng minh cả hai tỷ lệ 50% và 100% cốt liệu thô xỉ thép đều đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật. Trong điều kiện thực tế, tỷ lệ thay thế 50% được xem là tối ưu nhất vì vừa tận dụng được nguồn phế thải, cải thiện độ ổn định Marshall thêm 5% mà vẫn đảm bảo tính khả thi về mặt cung ứng nguồn vật liệu tại chỗ.

Bê tông nhựa chứa xỉ thép chịu tác động của nước và nhiệt độ cao như thế nào? Thí nghiệm vệt hằn bánh xe ngâm nước ở nhiệt độ 50°C qua 15.000 chu kỳ tải chứng minh hỗn hợp 100% xỉ thép chỉ lún sâu khoảng 6,05 mm, thấp hơn nhiều so với giới hạn tiêu chuẩn 12,5 mm. Đặc tính kiềm nhẹ của xỉ thép giúp tăng cường lực bám dính hóa lý với màng nhựa bitum có tính axit, chống lại hiện tượng bong tách màng nhựa dưới tác động của nước ẩm.

Xỉ thép lò hồ quang điện có tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất và nước không? Không. Xỉ thép EAF sau quá trình luyện thép ở nhiệt độ cao trên 1500°C đã hình thành cấu trúc khoáng vật silicat và aluminat bền vững. Các kim loại nặng đã được cố định hoàn toàn trong mạng lưới tinh thể thể xỉ, không bị thôi nhiễm ra môi trường ngoài, đáp ứng đầy đủ các quy chuẩn kỹ thuật an toàn môi trường của Việt Nam.

Quy trình trộn và đầm nén bê tông nhựa xỉ thép có đòi hỏi thiết bị chuyên dụng đắt tiền không? Không đòi hỏi thiết bị đặc thù mới. Quy trình sản xuất hoàn toàn tương thích với các trạm trộn bê tông nhựa nóng hiện có, chỉ cần tuân thủ nghiêm ngặt chế độ nhiệt độ sấy cốt liệu 170°C, nhiệt độ trộn 150°C và duy trì nhiệt độ đầm nén từ 140°C đến 155°C để màng bitum bao bọc kín bề mặt thô nhám của xỉ thép.

Kết luận

Nghiên cứu đã khẳng định tính khả thi vượt trội và giá trị thực tiễn của việc sử dụng xỉ thép lò hồ quang điện thay thế cốt liệu đá dăm trong bê tông nhựa chặt:

  • Tận dụng hiệu quả 50% đến 100% xỉ thép EAF thô cỡ hạt trên 4,75 mm, giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt nguồn đá dăm tự nhiên tại các đô thị lớn.
  • Tăng độ ổn định Marshall từ 4,5% đến 8,2% và cải thiện cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ từ 12,3% đến 18,7% so với bê tông nhựa truyền thống.
  • Giảm hơn 43% độ sâu lún vệt bánh xe ở môi trường ngập nước nóng 50°C, nâng cao khả năng kháng biến dạng trượt và triệt tiêu nguy cơ bong màng nhựa.
  • Thiết lập thành công mô hình đường cong tổng thể Master Curve phản ánh sự tăng trưởng 22% đến 35% của mô đun phức động E* trên hệ thống thiết bị hiện đại DTS-30.
  • Giảm thiểu phát thải khí nhà kính (chỉ tạo ra 0,3 tấn CO2 cho mỗi tấn xỉ tái chế) và giải phóng diện tích đất lưu trữ phế thải công nghiệp tại địa phương.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện, khoa học, làm tiền đề vững chắc cho việc ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp quốc gia về vật liệu giao thông tái chế. Trong giai đoạn 2024 - 2025, các cơ quan quản lý và doanh nghiệp cần đẩy mạnh thi công các đoạn đường thử nghiệm hiện trường quy mô lớn. Việc chủ động ứng dụng bê tông nhựa xỉ thép là bước đi chiến lược hướng tới nền kinh tế tuần hoàn và phát triển hạ tầng giao thông bền vững tại Việt Nam.