Tổng quan luận án

Sự phát triển của mạng lưới hạ tầng giao thông đường bộ đòi hỏi khối lượng vật liệu xây dựng ngày càng lớn, đặc biệt là bê tông xi măng và cốt liệu khoáng tự nhiên. Quá trình sản xuất xi măng Portland (OPC) truyền thống phát thải lượng khí nhà kính đáng kể (CO₂), tác động tiêu cực đến biến đổi khí hậu toàn cầu. Đồng thời, việc khai thác quá mức cát sông và đá dăm tự nhiên gây sạt lở bờ sông, cạn kiệt tài nguyên và hủy hoại cảnh quan môi trường.

Tại Việt Nam, các ngành công nghiệp nặng thải ra khối lượng phế phẩm công nghiệp rất lớn chưa được tái chế triệt để, trong đó có khoảng 1,0 đến 1,5 triệu tấn xỉ thép mỗi năm (chủ yếu từ các nhà máy luyện thép sử dụng công nghệ lò điện hồ quang - EAF) và hàng triệu tấn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện đốt than. Phần lớn lượng xỉ thép hiện nay phải đem đi chôn lấp, gây lãng phí tài nguyên đất đai và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường do chứa kim loại nặng.

Trong kỹ thuật xây dựng đường ô tô truyền thống, xỉ thép đã được nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu cấp phối móng và cốt liệu cho bê tông nhựa, nhưng rất hạn chế sử dụng trong bê tông xi măng Portland. Nguyên nhân chính là do sự hiện diện của canxi oxit tự do ($CaO_{td}$) và magie oxit tự do ($MgO_{td}$) cùng sự chuyển pha của khoáng đicanxi silicat ($\beta\text{-}C_2S \rightarrow \gamma\text{-}C_2S$) trong xỉ thép gây ra phản ứng thủy hóa tạo $Ca(OH)_2$ và $Mg(OH)_2$, dẫn đến hiện tượng trương nở thể tích phá hủy kết cấu bê tông. Ngược lại, bê tông geopolymer (GPC) sử dụng cơ chế trùng ngưng polyme hóa vô cơ trong môi trường kiềm hoạt tính, không xảy ra phản ứng thủy hóa như xi măng Portland, hạn chế phản ứng gây trương nở thể tích và có khả năng liên kết tốt với cốt liệu nhân tạo.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: Tại Việt Nam và trên thế giới, các nghiên cứu về bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép (GPCS) mới chỉ ở giai đoạn bước đầu, chủ yếu khảo sát xỉ thép thay thế cho cốt liệu lớn (đá dăm) kết hợp với cát tự nhiên. Chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện việc sử dụng 100% xỉ thép thay thế đồng thời cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ để chế tạo bê tông geopolymer phục vụ xây dựng mặt đường ô tô, cũng như xác định đầy đủ các thông số cơ lý, biến dạng nhiệt, độ co ngót và đề xuất kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 4 nội dung cụ thể:

  1. Xác định các tính chất cơ lý và thành phần hóa khoáng của cốt liệu xỉ thép lò hồ quang điện từ nhà máy gang thép Thái Nguyên, đánh giá sự phù hợp của cốt liệu xỉ thép trong bê tông geopolymer tro bay.
  2. Xác định thành phần cấp phối tối ưu của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có thể sử dụng được trong kết cấu mặt đường cứng.
  3. Xác định các tính chất chủ yếu của hỗn hợp bê tông tươi và bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép đóng rắn có cấp cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa (GPCS 25, GPCS 30, GPCS 35), bao gồm: tính công tác, thời gian đông kết, vi cấu trúc vùng chuyển tiếp, cường độ chịu nén theo thời gian, cường độ kéo khi uốn, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, độ mài mòn, độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$).
  4. Phân tích, tính toán và đề xuất các kết cấu mặt đường cứng điển hình sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép áp dụng cho điều kiện giao thông và khí hậu Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu:

  • Tính chất cơ lý, thành phần hóa học, khoáng vật, độ trương nở và hàm lượng kim loại nặng của cốt liệu xỉ thép EAF Thái Nguyên.
  • Tro bay nhiệt điện và dung dịch kiềm kích hoạt (hỗn hợp $NaOH$ và $Na_2SiO_3$).
  • Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (GPCS).
  • Các chỉ tiêu cơ lý, biến dạng và vi cấu trúc của GPCS cấp cường độ 25, 30, 35 MPa.
  • Các dạng kết cấu mặt đường cứng sử dụng vật liệu GPCS.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Vật liệu xỉ thép được thu thập từ Nhà máy Gang thép Thái Nguyên (công nghệ luyện thép lò hồ quang điện - EAF).
  • Các thí nghiệm cơ bản và chuyên sâu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải và các viện nghiên cứu chuyên ngành tại Việt Nam từ năm 2016 đến năm 2020.
  • Phạm vi ứng dụng tập trung vào kết cấu mặt đường cứng ô tô tại Việt Nam theo các quy trình quy phạm kỹ thuật hiện hành.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Vật liệu geopolymer được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1970 bởi Joseph Davidovits, dựa trên phản ứng trùng ngưng giữa bột khoáng vô cơ giàu aluminosilicat ($SiO_2$ và $Al_2O_3$) với dung dịch kiềm hoạt tính, tạo ra khung polyme vô cơ chuỗi $Si\text{-}O\text{-}Al\text{-}O$. Davidovits đã chứng minh bê tông geopolymer có thể giảm phát thải khí nhà kính từ 26% đến 45% so với bê tông xi măng thông thường. Các tác giả quốc tế như Palomo (1999), Hardjito và Rangan (2005) đã mở rộng nghiên cứu sang nguồn nguyên liệu tro bay ít canxi (loại F) từ nhà máy nhiệt điện. Nghiên cứu của Duxson (2007) đã hệ thống hóa mô hình lý thuyết về các bước phản ứng của quá trình geopolymer hóa, bao gồm quá trình hòa tan nguyên liệu aluminosilicat rắn bằng thủy phân kiềm, tạo gel và ngưng tụ mạng lưới.

Về mặt ứng dụng thực tiễn của chất kết dính geopolymer trong công trình giao thông và xây dựng:

  • Wagners (Úc) đã cung cấp 40.000 $m^3$ bê tông geopolymer xây dựng dự án Sân bay Brisbane West Wellcamp (BWWA) khánh thành năm 2014, tiết kiệm hơn 6.600 tấn $CO_2$ so với dùng xi măng Portland.
  • Công ty Zeobond (Úc) thương mại hóa sản phẩm bê tông geopolymer E-Crete™ cho các dự án mặt đường giao thông và kết cấu đúc sẵn.
  • Công ty Sesa Sterlite (Ấn Độ) thi công thử nghiệm đoạn đường bê tông geopolymer dài 40 m với tính năng cơ học tương đương bê tông truyền thống.
  • Các nước như Úc đã ban hành các tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật liên quan như AP-T318-2016, AP-T329-2017 và ATS 5330-2020 phục vụ thiết kế, thi công mặt đường geopolymer.

Về nghiên cứu xỉ thép làm cốt liệu bê tông:

  • Nhiều tác giả quốc tế như Anastasiou, Papayianni, Maslehuddin, Manso và Gonzalez (2004) đã chỉ ra ưu điểm của xỉ thép về độ cứng, góc cạnh và khả năng chống mài mòn, nhưng cảnh báo rủi ro nứt vỡ do phản ứng trương nở thể tích của $CaO_{td}$ và $MgO_{td}$ trong môi trường thủy hóa xi măng Portland.
  • Về việc kết hợp xỉ thép với chất kết dính geopolymer, Ashadi H. Khan và cộng sự (2014, 2016) đã tiến hành nghiên cứu cơ chế tiếp xúc tại vùng chuyển tiếp (ITZ). Phân tích SEM, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) và quang phổ Raman của M. Khan cho thấy trong môi trường dung dịch kiềm $NaOH$ nồng độ cao (12M), các ion $Ca^{2+}$ khuếch tán từ cốt liệu xỉ thép vào mạng lưới aluminosilicat, giúp tăng cường độ liên kết ITZ mà không hình thành các khoáng gây trương nở hay nứt vỡ như $Ca(OH)_2$ hay ettringite.
  • Nitendra Palankar (2016) nghiên cứu thay thế xỉ thép cho cốt liệu lớn (đá granite) trong bê tông geopolymer tro bay - xỉ lò cao ở các tỷ lệ 25%, 50%, 75% và 100%, ghi nhận độ sụt giảm dần do tính góc cạnh của hạt xỉ nhưng cường độ kéo uốn và nén đạt giá trị cao hơn mẫu đối chứng.

Tại Việt Nam:

  • Hướng nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu chủ yếu tập trung cho bê tông nhựa nóng (Nguyễn Phi Sơn, Nguyễn Văn Du).
  • Hướng nghiên cứu về bê tông geopolymer sử dụng cốt liệu tự nhiên được thực hiện bởi Đào Văn Đông (đề tài cấp Bộ GTVT mã số DT174053 về kết cấu dầm bê tông cốt thép geopolymer), Trần Việt Hưng (thiết kế cấp phối bê tông geopolymer tro bay cốt liệu tự nhiên 30, 40, 50 MPa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm), Phan Đức Hùng (ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt đến cường độ kéo khi uốn), Phạm Đức Thiện (nghiên cứu lực bám dính giữa bê tông geopolymer và cốt thép).

Vị trí của luận án: Luận án của NCS. Trịnh Hoàng Sơn là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống và toàn diện việc sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép EAF (bao gồm cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn) kết hợp với tro bay nhiệt điện hoạt hóa bằng dung dịch kiềm ($NaOH + Na_2SiO_3$) để chế tạo bê tông geopolymer (GPCS). Luận án giải quyết triệt để vấn đề trương nở thể tích của xỉ thép, tối ưu hóa cấp phối bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cung cấp bộ thông số cơ lý - nhiệt hoàn chỉnh và xây dựng giải pháp kết cấu mặt đường cứng phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế áo đường tại Việt Nam (Quyết định 3230/QĐ-BGTVT và Quyết định 1951/QĐ-BGTVT).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm

Quá trình hình thành chất kết dính geopolymer là phản ứng polyme hóa vô cơ giữa aluminosilicat trong tro bay với dung dịch kiềm hoạt tính ($AAS$). Cấu trúc khung polyme poly-sialate được hình thành bởi các tứ diện $[SiO_4]^{4-}$ và $[AlO_4]^{5-}$ liên kết qua cầu oxy, được trung hòa điện tích bởi các cation kiềm ($Na^+$).

Tỷ lệ Si/Al Phân loại cấu trúc Sơ đồ cấu trúc Phạm vi ứng dụng chính
1 Poly-sialate (PS) $-Si-O-Al-O-$ Gạch, gốm sứ, vật liệu phòng cháy
2 Poly-sialate-siloxo (PSS) $-Si-O-Al-O-Si-O-$ Chất kết dính bê tông, bao bọc chất thải nguy hại
3 Poly-sialate-disiloxo (PSDS) $-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-$ Vật liệu tổng hợp chịu nhiệt ($200^\circ C - 1000^\circ C$), khuôn đúc
> 3 Poly-sialate-multisiloxo (PSMS) Mạng lưới liên kết đa Sialate Vật liệu gắn kín công nghiệp, vật liệu chịu lửa

Cơ chế trương nở thể tích trong xỉ thép được kiểm soát dựa trên việc phân tích phản ứng của vôi tự do ($CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$) và periclase ($MgO + H_2O \rightarrow Mg(OH)_2$). Trong hỗn hợp GPCS, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác mà không tham gia phản ứng thủy hóa như ở xi măng Portland. Ion $Ca^{2+}$ từ bề mặt xỉ thép khuếch tán vào cấu trúc geopolymer tham gia tạo khung liên kết bền vững.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm chuyên sâu trong phòng thí nghiệm và phân tích toán học thống kê:

  • Phương pháp phân tích vi cấu trúc và thành phần vật liệu:
    • Phân tích huỳnh quang tia X (XRF) để xác định thành phần hóa học oxit của xỉ thép, tro bay.
    • Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần khoáng vật.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc vùng chuyển tiếp liên kết ITZ giữa hạt xỉ thép và chất kết dính geopolymer.
    • Thí nghiệm xác định hàm lượng kim loại nặng chiết xuất theo quy chuẩn môi trường.
  • Phương pháp xử lý số liệu và quy hoạch thực nghiệm:
    • Tiêu chuẩn Grubbs (ASTM E178) để kiểm tra và loại bỏ các số liệu ngoại lai.
    • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo mô hình hỗn hợp tâm xoay - mặt không gian (Face-Centered Central Composite Design - FCCCD) với 3 biến độc lập:
      1. Nồng độ dung dịch kiềm $NaOH$ ($M$, mol/lít);
      2. Tỷ lệ khối lượng giữa dung dịch kiềm hoạt tính và tro bay ($AAS/FA$);
      3. Tỷ lệ khối lượng giữa dung dịch $Na_2SiO_3$ và dung dịch $NaOH$ ($SS/SH$).
    • Phân tích phương sai (ANOVA), phân tích tương quan hồi quy và kiểm định so sánh đa biến Tukey bằng phần mềm thống kê Minitab.
  • Phương pháp thí nghiệm cơ lý và biến dạng:
    • Thí nghiệm độ sụt (TCVN 3106:1993) và thời gian đông kết bằng phương pháp thử kháng xuyên.
    • Thí nghiệm cường độ nén trên mẫu trụ đường kính $150 \times 300\text{ mm}$ theo các mốc thời gian 3, 7, 28, 90 ngày.
    • Thí nghiệm cường độ kéo khi uốn trên mẫu dầm $100 \times 100 \times 400\text{ mm}$ và $150 \times 150 \times 600\text{ mm}$.
    • Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và hệ số Poisson trên mẫu trụ $150 \times 300\text{ mm}$.
    • Thí nghiệm độ mài mòn bề mặt theo TCVN 3114:1993.
    • Thí nghiệm co ngót khô và co ngót tự sinh sử dụng đồ gá chuyên dụng và đồng hồ đo biến dạng điện tử.
    • Thí nghiệm hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) sử dụng hệ thống thiết bị đo biến dạng UCAM60 kết hợp đầu đo biến dạng LVDT trong buồng biến nhiệt.
  • Phương pháp tính toán kết cấu áo đường:
    • Áp dụng mô hình tấm đàn hồi trên nền móng đàn hồi nhiều lớp theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT và quy trình QĐ 1951/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép và một số tính chất chủ yếu của vật liệu trong xây dựng mặt đường ô tô ở Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ các cơ sở lý luận và tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đề tài. Tác giả làm rõ bản chất hóa học của chất kết dính geopolymer tro bay, các dạng cấu trúc phân tử poly-sialate theo tỷ lệ $Si/Al$ và vai trò của dung dịch kiềm kích hoạt ($NaOH$ và $Na_2SiO_3$). Chương này phân tích chi tiết cơ chế vi cấu trúc tại vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa cốt liệu xỉ thép và chất kết dính geopolymer.

Dựa trên dữ liệu từ các công trình nghiên cứu của M. Khan (2016), chương tổng quan chỉ ra rằng trong bê tông xi măng Portland dùng xỉ thép (OPC-SFS), tại ITZ xuất hiện các vết nứt vi mô liên tục do phản ứng thủy hóa của vôi tự do, trong khi ở bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép (GPC-SFS), vùng ITZ đồng nhất, đặc chắc và không xuất hiện vết nứt vi mô. Sự khuếch tán của ion $Ca^{2+}$ từ xỉ thép vào nền geopolymer giúp tăng cường tính liên kết cơ học mà không tạo ra các khoáng canxit, portlandit hay brucit gây hại.

Vật liệu phân tích Hàm lượng $CaO_{td}$ và $Ca(OH)_2$ tính theo khối lượng (%)
Cốt liệu xỉ thép ban đầu 2,57
Cốt liệu xỉ thép bóc tách từ vữa GPC-SFS 1,30
Vữa geopolymer GPC-SFS < 0,10
Vữa geopolymer cốt liệu đá bazan (GPC-BAS) < 0,20

Chương 1 cũng tổng kết các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm mặt đường cứng tại Việt Nam theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT, QĐ 1951-2012 và TCVN 5574:2018 (cường độ nén đặc trưng, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn $\le 0,3\text{ g/cm}^2$ đối với đường cấp cao, độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt $CTE$). Từ đó, luận án xác định các vấn đề khoa học cần giải quyết để ứng dụng xỉ thép EAF Thái Nguyên chế tạo GPCS làm mặt đường ô tô.

Chương 2: Xác định một số tính chất cơ lí hóa của xỉ thép Thái Nguyên và nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc tính cơ lý, hóa học, khoáng vật của nguồn xỉ thép lò hồ quang điện (EAF) lấy từ Nhà máy Gang thép Thái Nguyên, đồng thời xây dựng quy trình thiết kế cấp phối GPCS bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu xỉ thép Thái Nguyên:

  • Khối lượng riêng của cốt liệu xỉ thép thô và mịn lần lượt đạt khoảng $3,40 - 3,55\text{ g/cm}^3$, cao hơn đáng kể so với đá tự nhiên ($2,65 - 2,75\text{ g/cm}^3$).
  • Khối lượng thể tích xốp ở trạng thái tự nhiên dao động từ $1600\text{ kg/m}^3$ đến $1900\text{ kg/m}^3$.
  • Độ hút nước của xỉ thép đạt xấp xỉ $5,92%$, cao hơn đá dăm tự nhiên do bề mặt có nhiều lỗ rỗng hở.
  • Độ hao mòn Los Angeles ($LA$) đạt $13% - 25%$, độ nén dập trong xi lanh từ $12,1% - 23%$, hàm lượng hạt thoi dẹt thấp ($1,3%$), góc nội ma sát lớn ($40^\circ - 45^\circ$), hoàn toàn thỏa mãn các tiêu chuẩn cốt liệu làm mặt đường cấp cao theo QĐ 1951-2012.
  • Kết quả kiểm định phân tích hóa học cho thấy thành phần oxit chính gồm $CaO, Fe_xO_y, SiO_2, Al_2O_3, MgO$. Các khoáng vật chủ yếu gồm Wuestite ($FeO$), Dicalcium Silicate ($C_2S$), Brownmillerite ($C_4AF$) và Mayenite. Hàm lượng kim loại nặng chiết xuất nằm trong ngưỡng an toàn môi trường. Độ trương nở thể tích của xỉ thép qua thí nghiệm ngâm nước nóng được kiểm soát ở mức cho phép.

Quy hoạch thực nghiệm thiết kế cấp phối GPCS:

  • Tác giả sử dụng mô hình tâm xoay - mặt không gian để khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố: nồng độ $NaOH$ ($10\text{M} - 14\text{M}$), tỷ lệ $AAS/FA$ ($0,45 - 0,55$) và tỷ lệ $SS/SH$ ($1,5 - 2,5$) đến cường độ chịu nén 28 ngày ($R_n$).
  • Sau khi loại bỏ các số hạng không có nghĩa thống kê qua phân tích ANOVA, phương trình hồi quy mô tả cường độ nén được xác lập với hệ số tương quan cao ($R^2 > 90%$).
  • Từ phương trình hồi quy, luận án đã tính toán và thiết lập thành phần cấp phối tối ưu cho 3 cấp cường độ nén đặc trưng phục vụ mặt đường: GPCS 25, GPCS 30 và GPCS 35.
Thành phần vật liệu cho 1 $m^3$ bê tông GPCS 25 GPCS 30 GPCS 35
Cường độ nén đặc trưng yêu cầu $f'_c$ (MPa) 25 30 35
Cường độ nén mục tiêu thiết kế $f'_{cr}$ (MPa) 31,5 37,0 42,5
Tro bay loại F ($kg$) 420 450 480
Cốt liệu xỉ thép thô ($kg$) 1180 1150 1120
Cốt liệu xỉ thép mịn ($kg$) 890 865 840
Dung dịch kiềm hoạt tính $AAS$ ($kg$) 210 225 240
Nồng độ $NaOH$ (M) 12 12 14
Tỷ lệ $SS/SH$ 2,0 2,0 2,2

Tính toán sơ bộ giá thành vật liệu cho thấy GPCS 30 có chi phí cạnh tranh so với bê tông xi măng Portland cùng cấp (OPC 30), đặc biệt khi xét đến lợi ích kinh tế trong việc tận dụng nguồn phế thải công nghiệp tại chỗ.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng một số tính chất cơ bản của bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép trong tính toán kết cấu mặt đường ở Việt Nam

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm chuyên sâu về các đặc trưng cơ lý, biến dạng và vi cấu trúc của các hỗn hợp GPCS 25, GPCS 30, GPCS 35 so sánh đối chứng với bê tông geopolymer cốt liệu tự nhiên (GPC 30) và bê tông xi măng truyền thống (OPC 30, OPCS 30).

Các phát hiện và số liệu thực nghiệm chính:

  1. Tính công tác và thời gian đông kết:
    • Độ sụt của hỗn hợp GPCS tươi đạt từ $10\text{ mm}$ đến $35\text{ mm}$, phù hợp với công nghệ thi công mặt đường bằng ván khuôn trượt hoặc máy rải liên hợp theo QĐ 1951-2012.
    • Thí nghiệm kháng xuyên cho thấy thời gian bắt đầu đông kết của GPCS dao động từ 120 đến 180 phút và kết thúc đông kết từ 240 đến 360 phút ở nhiệt độ phòng, đảm bảo đủ thời gian vận chuyển, rải và hoàn thiện bề mặt mặt đường.
  2. Hình thái vi cấu trúc (SEM và XRD):
    • Ảnh chụp SEM xác nhận vùng chuyển tiếp giữa chất kết dính geopolymer và cốt liệu xỉ thép (GPCS 30) có sự liên kết chặt chẽ, không có khe nứt tế vi phân tách như ở mẫu OPC 30 hay OPCS 30.
    • Kết quả XRD cho thấy pha vô định hình chiếm ưu thế cùng với các đỉnh khoáng thạch anh bền vững, không xuất hiện các khoáng gây trương nở phá hủy cấu trúc.
  3. Cơ tính (Nén, Kéo uốn, Mô đun đàn hồi, Hệ số Poisson):
    • Cường độ nén phát triển nhanh trong 7 ngày đầu và tiếp tục tăng ổn định ở 28 và 90 ngày. Cường độ nén đặc trưng tại 28 ngày đạt và vượt giá trị thiết kế (GPCS 25 đạt $\ge 25\text{ MPa}$, GPCS 30 đạt $\ge 30\text{ MPa}$, GPCS 35 đạt $\ge 35\text{ MPa}$).
    • Cường độ kéo khi uốn ($R_{ku}$) của GPCS vượt trội so với bê tông xi măng Portland ở cùng cấp cường độ nén. Cụ thể, GPCS 30 đạt cường độ kéo uốn đặc trưng trên $4,5\text{ MPa}$ (trong khi OPC 30 thường chỉ đạt $3,8 - 4,0\text{ MPa}$).
    • Mô đun đàn hồi tĩnh ($E_{đh}$) của GPCS dao động trong khoảng $28 - 34\text{ GPa}$, hệ số Poisson ($\mu$) đạt từ $0,18$ đến $0,20$.
Chỉ tiêu cơ lý ở tuổi 28 ngày GPCS 25 GPCS 30 GPCS 35 GPC 30 (Đối chứng) OPC 30 (Đối chứng)
Cường độ nén mẫu trụ $f'_c$ (MPa) 27,4 32,8 38,2 31,5 31,2
Cường độ kéo khi uốn $R_{ku}$ (MPa) 4,12 4,68 5,25 4,20 3,85
Mô đun đàn hồi tĩnh $E_{đh}$ (GPa) 28,5 31,2 33,8 27,6 30,5
Độ mài mòn theo TCVN 3114 ($g/cm^2$) 0,28 0,22 0,18 0,35 0,32
Co ngót khô ở 90 ngày ($\mu\varepsilon$) 310 285 260 420 480
Hệ số giãn nở nhiệt $CTE$ ($\mu\varepsilon/^\circ C$) 9,12 9,35 9,58 10,45 10,80
  1. Độ mài mòn: Độ mài mòn của các cấp phối GPCS đều đạt dưới $0,30\text{ g/cm}^2$, đặc biệt GPCS 30 và GPCS 35 đạt $0,18 - 0,22\text{ g/cm}^2$, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt cho tầng mặt đường cấp cao chịu tải trọng nặng theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT.
  2. Độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$):
    • Co ngót khô của GPCS thấp hơn rõ rệt so với bê tông xi măng Portland (OPC 30) và bê tông geopolymer cốt liệu tự nhiên (GPC 30), giúp giảm thiểu rủi ro nứt do co ngót ban đầu.
    • Hệ số giãn nở nhiệt $CTE$ của GPCS dao động từ $9,12$ đến $9,58\times 10^{-6}/^\circ C$, thấp hơn ngưỡng giới hạn bất lợi ($10,8\times 10^{-6}/^\circ C$), giúp kết cấu áo đường ít bị biến dạng uốn vồng và giảm ứng suất nhiệt khi nhiệt độ môi trường thay đổi lớn.

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất kết cấu mặt đường sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép

Chương 4 vận dụng các thông số kỹ thuật thực nghiệm thu được từ Chương 3 vào bài toán tính toán, kiểm toán và thiết kế kết cấu mặt đường cứng theo hướng dẫn của Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải.

Các nội dung thực hiện trong chương:

  • Phân tích điều kiện làm việc của tấm mặt đường bê tông cứng dưới tác dụng đồng thời của tải trọng trục xe thiết kế ($100\text{ kN}$ hoặc $120\text{ kN}$) và ứng suất nhiệt thừa do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và đáy tấm.
  • Phân cấp quy mô giao thông thành các mức: cực nặng, rất nặng, nặng, trung bình và nhẹ.
  • Đề xuất 3 dạng kết cấu mặt đường cứng điển hình sử dụng tấm GPCS (KC1, KC2, KC3) ứng với các cấp đường và điều kiện khai thác khác nhau tại Việt Nam.

Cấu tạo các giải pháp kết cấu đề xuất:

  • Kết cấu KC1 (Áp dụng cho đường cao tốc, đường trục chính đô thị, tải trọng nặng đến cực nặng):
    • Tầng mặt: Tấm bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép GPCS 35 (hoặc GPCS 30), chiều dày $24 - 28\text{ cm}$, có bố trí thanh truyền lực tại khe co giãn ngang và thanh liên kết tại khe dọc.
    • Lớp móng trên: Bê tông nghèo hoặc cấp phối đá dăm gia cố xi măng dày $15 - 20\text{ cm}$.
    • Lớp móng dưới: Cấp phối đá dăm loại I dày $15 - 20\text{ cm}$ đặt trên nền đất đầm chặt $K \ge 0,98$.
  • Kết cấu KC2 (Áp dụng cho đường ô tô cấp II, cấp III, quy mô giao thông trung bình và nặng):
    • Tầng mặt: Tấm bê tông GPCS 30, chiều dày $20 - 24\text{ cm}$.
    • Lớp móng: Cấp phối đá dăm loại I dày $15 - 18\text{ cm}$ trên lớp cấp phối đá dăm loại II dày $15 - 20\text{ cm}$.
    • Nền đất đầm chặt $K \ge 0,95$.
  • Kết cấu KC3 (Áp dụng cho đường giao thông nông thôn, đường nội bộ, đường cấp IV trở xuống, quy mô giao thông nhẹ):
    • Tầng mặt: Tấm bê tông GPCS 25, chiều dày $16 - 20\text{ cm}$.
    • Lớp móng: Cấp phối đá dăm hoặc cấp phối sỏi cuội dày $15 - 20\text{ cm}$ đặt trực tiếp trên nền đất đầm chặt.

Kết quả kiểm toán cơ học theo mô hình trạng thái giới hạn về độ bền mỏi uốn và ứng suất tổng hợp khẳng định việc sử dụng GPCS cho phép giảm chiều dày tấm từ $1,5\text{ cm}$ đến $3,0\text{ cm}$ so với bê tông xi măng Portland thông thường có cùng cấp cường độ nén nhờ ưu thế vượt trội về cường độ kéo khi uốn của chất kết dính geopolymer. Chương này cũng đưa ra các chỉ dẫn kỹ thuật ban đầu về công nghệ trộn cưỡng bức, bảo dưỡng ẩm và kỹ thuật cắt khe co giãn cho mặt đường GPCS.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm sáng tỏ cơ chế tương tác vi mô tại vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa chất kết dính geopolymer tro bay hoạt hóa kiềm và cốt liệu xỉ thép EAF. Khẳng định trong môi trường kiềm cao, ion $Ca^{2+}$ từ xỉ thép khuếch tán và tham gia liên kết vào mạng lưới polyme vô cơ $Si\text{-}O\text{-}Al\text{-}O$, tạo nên cấu trúc ITZ đặc chắc, không xuất hiện các vết nứt tế vi và không sinh ra các khoáng chất trương nở thể tích như trong bê tông xi măng thông thường.
  2. Xây dựng thành công mô hình toán học thực nghiệm mô tả quan hệ định lượng giữa các yếu tố thành phần dung dịch kiềm hoạt hóa ($NaOH$, $Na_2SiO_3$) và tro bay với cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép.
  3. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu khoa học toàn diện và có độ tin cậy cao về các đặc tính cơ học, độ mài mòn, độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp ứng dụng

  1. Đề xuất thành công quy trình công nghệ và bảng cấp phối cụ thể cho 3 loại bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép (GPCS 25, GPCS 30, GPCS 35) ứng dụng trực tiếp trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam từ nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp trong nước (xỉ thép Gang thép Thái Nguyên và tro bay nhiệt điện).
  2. Xác lập hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ tính toán thiết kế mặt đường ô tô: cường độ kéo khi uốn cao hơn $15% - 20%$, độ mài mòn giảm $30% - 40%$, độ co ngót và giãn nở nhiệt thấp hơn so với bê tông xi măng thông thường.
  3. Đề xuất 3 dạng kết cấu mặt đường cứng điển hình (KC1, KC2, KC3) kèm theo các thông số tính toán cụ thể phù hợp với quy định của Quyết định 3230/QĐ-BGTVT, mở ra hướng đi bền vững giúp giảm tiêu thụ tài nguyên khoáng sản tự nhiên, giảm phát thải khí nhà kính và giải quyết bài toán ô nhiễm bãi thải công nghiệp luyện kim và nhiệt điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực nghiệm của luận án, các hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Toàn bộ các kết quả thực nghiệm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa xây dựng được các đoạn đường thực nghiệm hiện trường chịu tác động của tải trọng xe chạy thực tế và điều kiện thời tiết tự nhiên dài hạn.
  • Nghiên cứu tập trung vào nguồn xỉ thép lò hồ quang điện (EAF) của Nhà máy Gang thép Thái Nguyên và một nguồn tro bay cố định. Do tính chất xỉ thép phụ thuộc nhiều vào công nghệ luyện kim và nguyên liệu đầu vào của từng nhà máy, cần mở rộng kiểm chứng với các nguồn xỉ thép khác tại Việt Nam (như xỉ BOF hoặc xỉ thép từ các tổ hợp luyện kim khu vực phía Nam).
  • Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về độ bền mỏi dài hạn của bê tông GPCS dưới tác dụng của tải trọng trùng phục kết hợp chu kỳ nhiệt ẩm phức tạp.
  • Cần nghiên cứu phát triển các phụ gia hoạt tính nhằm hạ giá thành dung dịch kiềm kích hoạt ($NaOH, Na_2SiO_3$) và tối ưu hóa an toàn lao động trong điều kiện thi công đại trà ngoài công trường.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Vật liệu Xây dựng: Tham khảo phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm trong thiết kế cấp phối geopolymer, kỹ thuật phân tích vi cấu trúc SEM/XRD vùng chuyển tiếp liên kết và phương pháp thí nghiệm biến dạng nhiệt.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ đường bộ: Tham khảo bảng cấp phối thực nghiệm chi tiết (GPCS 25, 30, 35), các thông số đầu vào cơ học ($E_{đh}, R_{ku}, \mu, CTE$) và cấu tạo các tầng kết cấu áo đường KC1, KC2, KC3 để áp dụng vào các dự án giao thông xanh.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Sử dụng làm căn cứ khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật và ban hành chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu tái chế (xỉ thép, tro bay) trong hạ tầng giao thông quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cốt liệu xỉ thép gây nứt vỡ trong bê tông xi măng Portland nhưng lại ổn định trong bê tông geopolymer?

Trong bê tông xi măng Portland, quá trình thủy hóa giải phóng nước và nhiệt, phản ứng với $CaO$ tự do và $MgO$ tự do trong xỉ thép tạo thành $Ca(OH)_2$ và $Mg(OH)_2$, gây giãn nở thể tích mạnh kèm theo sự chuyển pha khoáng dicanxi silicat làm nứt vỡ bê tông. Trong bê tông geopolymer, quá trình đóng rắn là phản ứng polyme hóa vô cơ trong môi trường kiềm hoạt tính cao; nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác mà không tham gia cấu trúc gel. Hơn nữa, ion $Ca^{2+}$ khuếch tán trực tiếp vào khung $Si\text{-}O\text{-}Al\text{-}O$ giúp tăng độ đặc chắc mà không hình thành các tinh thể gây trương nở.

2. Dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) được sử dụng trong luận án gồm những thành phần nào và tỷ lệ tối ưu ra sao?

Dung dịch kiềm kích hoạt gồm hỗn hợp dung dịch natri hydroxit ($NaOH$ - SH) có nồng độ từ 12M đến 14M và dung dịch thủy tinh lỏng natri silicat ($Na_2SiO_3$ - SS). Tỷ lệ khối lượng tối ưu được xác định từ quy hoạch thực nghiệm là $SS/SH = 2,0 - 2,2$ và tỷ lệ giữa dung dịch kiềm với tro bay $AAS/FA = 0,45 - 0,50$.

3. Cường độ kéo khi uốn của bê tông GPCS có ưu điểm gì so với bê tông xi măng truyền thống?

Ở cùng một cấp cường độ chịu nén đặc trưng (ví dụ cấp 30 MPa), bê tông GPCS 30 đạt cường độ kéo khi uốn đặc trưng trên $4,68\text{ MPa}$, cao hơn đáng kể so với bê tông xi măng Portland đối chứng ($3,85\text{ MPa}$). Cường độ kéo uốn cao giúp tăng khả năng chịu tải trọng uốn do bánh xe và cho phép giảm chiều dày tấm bê tông mặt đường từ $1,5\text{ cm}$ đến $3,0\text{ cm}$.

4. Hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) của bê tông GPCS có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường không?

Hệ số giãn nở nhiệt của GPCS đo được trong khoảng $9,12 - 9,58\times 10^{-6}/^\circ C$, thấp hơn so với bê tông xi măng thông thường ($10,80\times 10^{-6}/^\circ C$). Giá trị này nằm dưới ngưỡng an toàn theo khuyến nghị kỹ thuật ($< 10,8\times 10^{-6}/^\circ C$), giúp hạn chế ứng suất nhiệt, giảm nguy cơ đứt gãy và uốn vồng tấm bê tông khi nhiệt độ thay đổi.

5. Kết cấu mặt đường đề xuất trong luận án gồm những loại nào?

Luận án đề xuất 3 dạng kết cấu mặt đường cứng theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT: Kết cấu KC1 (dùng tấm GPCS 35 hoặc GPCS 30 dày $24 - 28\text{ cm}$ trên móng bê tông nghèo/cấp phối gia cố xi măng cho đường cao tốc, tải trọng nặng); Kết cấu KC2 (dùng tấm GPCS 30 dày $20 - 24\text{ cm}$ trên móng cấp phối đá dăm cho đường cấp II, cấp III); và Kết cấu KC3 (dùng tấm GPCS 25 dày $16 - 20\text{ cm}$ trên móng cấp phối đá dăm/sỏi cuội cho đường cấp thấp và giao thông nông thôn).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Trịnh Hoàng Sơn đã giải quyết thành công bài toán khoa học và thực tiễn trong việc sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép EAF kết hợp với tro bay nhiệt điện để chế tạo bê tông geopolymer (GPCS) phục vụ xây dựng mặt đường ô tô tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu khẳng định vật liệu GPCS sở hữu các đặc tính kỹ thuật vượt trội như cường độ kéo uốn cao, độ mài mòn thấp, co ngót và biến dạng nhiệt nhỏ, triệt tiêu hoàn toàn rủi ro trương nở thể tích của xỉ thép. Công trình không chỉ cung cấp cơ sở dữ liệu thiết kế cấp phối và giải pháp kết cấu áo đường cứng hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn ngành giao thông mà còn đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển hạ tầng giao thông bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu phát thải môi trường.