Tổng quan luận án

Vấn đề xử lý và tái chế chất thải rắn công nghiệp từ các nhà máy luyện cán thép đang là một thách thức môi trường và kinh tế lớn tại Việt Nam. Theo quy hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đoạn 2007 – 2015, có xét đến năm 2025, công suất luyện thép tại khu vực phía Nam đạt từ 4 – 5 triệu tấn/năm, tương ứng với lượng xỉ thép thải ra khoảng 1 triệu tấn/năm. Thực tế sản xuất tại Việt Nam phát sinh trung bình 0,5 – 1,0 triệu tấn xỉ thép/năm, riêng khu vực phía Nam (chủ yếu tập trung tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu) phát thải khoảng 0,3 – 0,5 triệu tấn/năm. Việc lưu giữ lượng phế thải này tại các bãi chứa gây lãng phí quỹ đất và tiêu tốn chi phí quản lý.

Cơ sở pháp lý và định hướng quản lý chất thải rắn đã được quy định tại Quyết định số 12/2006/QĐ-BTNMT ngày 08/9/2006 của Bộ Tài nguyên và Môi trường (cho phép nhập khẩu xỉ hạt nhỏ từ quá trình luyện thép không chứa chất phóng xạ, kim loại nặng, mã HS: 2618 00 00 làm vật liệu xây dựng); Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 09/4/2007 của Chính phủ về quản lý chất thải rắn; Quyết định số 2149/QĐ-TTg ngày 17/12/2009 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050; Quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28/4/2010 về Chương trình phát triển vật liệu xây dựng không nung đến năm 2020; Quyết định số 798/QĐ-TTg ngày 25/5/2011 đặt mục tiêu tái chế 70% chất thải rắn thông thường giai đoạn 2011 – 2015; và Tiêu chuẩn TCVN 6705:2009 xác định xỉ thép thuộc nhóm chất thải rắn công nghiệp thông thường không nguy hại.

Trong bối cảnh nguồn cốt liệu đá tự nhiên dùng cho xây dựng công trình giao thông ngày càng cạn kiệt, khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: tại Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ, hệ thống về các chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) sau tái chế để làm lớp móng đường ô tô, chưa có giải pháp công nghệ phối trộn nhằm cải thiện thành phần hạt và xử lý gia cố xi măng phục vụ các lớp móng đường chịu tải cao, đồng thời thiếu các dữ liệu thực nghiệm hiện trường được theo dõi dài hạn. Luận án "Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu trong xây dựng đường ôtô" của nghiên cứu sinh Mai Hoàng Hà thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung:

  1. Nghiên cứu các tính chất cơ lý, hóa học của xỉ thép sau khi tái chế từ các nhà máy sản xuất thép ở khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu nhằm đánh giá khả năng sử dụng làm vật liệu móng đường ô tô.
  2. Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật (phối trộn cải thiện thành phần cấp phối và gia cố xi măng) nhằm nâng cao khả năng chịu tải của kết cấu móng đường sử dụng vật liệu xỉ thép, đề xuất các kết cấu áo đường và công nghệ thi công, nghiệm thu tương ứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Xỉ thép tái chế từ các nhà máy sản xuất thép theo công nghệ lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu (chủ yếu thu thập tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh, Khu công nghiệp Phú Mỹ); các hỗn hợp xỉ thép không gia cố, xỉ thép gia cố xi măng, hỗn hợp phối trộn xỉ thép với cát mịn hoặc đá mi gia cố xi măng; kết cấu áo đường mềm sử dụng móng xỉ thép.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm hợp chuẩn (LAS-XD 313, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ III) và đoạn đường thử nghiệm thực tế tại tuyến Quốc lộ 55 đi qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
  • Phạm vi thời gian: Công trình hoàn thành năm 2019; dữ liệu quan trắc thực nghiệm hiện trường được theo dõi và đánh giá từ tháng 10/2013 đến tháng 12/2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các công trình nghiên cứu quốc tế đã làm rõ đặc tính hóa học, khoáng vật, cơ lý và khả năng ứng dụng xỉ thép trong xây dựng đường bộ:

  • Công nghệ sản xuất và bản chất xỉ thép: Heribert Motz Fehs [65] đánh giá xỉ thép lò EAF có thành phần khoáng tương đồng với lớp vỏ trái đất và trở thành "đá nhân tạo" sau các phương pháp làm già hóa (phun nước nóng 100°C, hấp hơi hoặc phong hóa tự nhiên ngoài trời). Các quy trình công nghệ xử lý xỉ thép tiên tiến được vận hành tại Slovenia, Nhật Bản, Đài Loan [66], Thái Lan, cùng hệ thống công nghệ tách sắt S3R do liên danh RecCo BV, Hofung Technology và Evergoed NV phát triển.
  • Thành phần hóa học và khoáng vật: Tahir Sofilić [67] (Croatia) xác định hàm lượng chính gồm CaO (khoảng 33%), không chứa chất nguy hại và nồng độ hạt nhân phóng xạ nằm trong ngưỡng an toàn; Ana Mladenović [44] (Slovenia) phân tích xỉ thép chứa FeO (30–40%), CaO (20–35%), SiO2 (5–12%), Fe2O3 (6–9%), Al2O3 (5–7%), MgO (4–12%); R. Alizadeh [68] công bố thành phần xỉ thép tại Romania và công ty Khuzestan; Motz [65] phân tích các dòng xỉ EAF và BOF tại Đức; Ivanka Netinger [69] so sánh xỉ thép tại Sisak và Split với đá dolomite. Irem Zeynep Yildirim [70] tổng hợp số liệu từ các tác giả Das [71], Juckes [72], Mahieux [73], Poh [74], Shen [75], Shi [77], Tossavainen [78], Waligora [79], Xuequan [80], Barra [81]. Các nghiên cứu khoáng vật học của Luxan [82], Manso [83], Tsakiridis [84], Nicolae [85], Qian [86], Reddy [35], Wachsmuth [34] chỉ ra các khoáng vật cơ bản trong xỉ: Wustite (FeO), Calcium Silicates (C2S, C3S), Brownmillerite (C4AF) và Mayenite (C12A7).
  • Chỉ tiêu cơ lý: Gurmel [37] (Anh) ghi nhận kích thước hạt 60 mm – 30 mm, khối lượng thể tích 3360 kg/m³, độ rỗng 31–45%, pH 10–12; V. Maruthachalam [38, 41] (Ấn Độ) xác định khối lượng riêng 3330 kg/m³, khối lượng thể tích xốp 1482 kg/m³, độ mài mòn 23%; Tahir Sofilić [39, 67] xác định khối lượng riêng đạt 3,69–3,88 g/cm³, hao mòn Los Angeles đạt 13%, Deval 8%; Maslehuddin [40] kết luận xỉ thép nặng hơn đá vôi 17%, có độ hút nước 0,85% và độ mài mòn 11,6%; Lykoudis [42] (Hy Lạp) phân tích cốt liệu xỉ thép ứng dụng trên tuyến cao tốc Egnatia có độ hao mòn Los Angeles là 15,06%, độ nén đập xi lanh 12%, chỉ số Flakiness 9,77%, hàm lượng thoi dẹt 11,32%.
  • Ứng dụng kết cấu móng và mặt đường: Hiệp hội Xỉ thép Nippon [43] ghi nhận năm 2016 Nhật Bản sản xuất 14,1 tỷ tấn xỉ thép và tỷ lệ tái sử dụng cho xây dựng đường đạt 98,4%; Hiệp hội Xỉ thép Châu Âu (EUROSLAG) [76] thống kê năm 2010 lượng xỉ sản xuất đạt 21,8 tỷ tấn, tỷ lệ sử dụng 87% (trong đó làm đường chiếm 48%); Hội Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) [45] công bố năm 2013 có 49,7% lượng xỉ thép được dùng làm móng trên và móng dưới, 16% làm cốt liệu bê tông asphalt; Ebenezer Akin Oluwasola [46] khẳng định xỉ thép có góc ma sát trong và khả năng thoát nước tốt, đáp ứng tiêu chuẩn làm móng đường tại Chile và Ý; Yongjie Xue (Trung Quốc) nghiên cứu bê tông asphalt cốt liệu xỉ thép; Weiguo Shen [48] nghiên cứu xỉ thép gia cố tro bay và phosphogypsum làm móng trên đạt cường độ nén 7 ngày 1,86 MPa, 28 ngày 8,36 MPa, cường độ ép chẻ 0,82 MPa và mô đun đàn hồi 1987 MPa (theo tiêu chuẩn JTJ014-97); Asi và cộng sự [49] (Canada) xác định tỷ lệ thay thế 25% cốt liệu lớn bê tông nhựa bằng xỉ thép đạt hiệu quả cơ lý cao nhất; các công trình ứng dụng tại Thái Lan [50] (cao tốc Chonburi, Quốc lộ 1, Quốc lộ 32), Caroni [51] và đường đua Indianapolis Motor Speedway [51].

Tại Việt Nam, các nghiên cứu và văn bản kỹ thuật liên quan gồm:

  • Công văn số 31/BXD-VLXD ngày 07/06/2011 của Bộ Xây dựng thẩm định dự án tái chế xỉ lò điện hồ quang 250 tấn/ngày tại Bà Rịa – Vũng Tàu; các công bố của Lương Thanh Chương [16, 17] về tính đóng rắn thủy lực của xỉ thép; phân tích thành phần nguy hại của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh theo QCVN 07:2009/BTNMT; nghiên cứu của Trần Hữu Bằng (2011) về phụ gia khoáng xỉ thép trong bê tông xi măng; các nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [18–20] về xỉ thép làm cốt liệu bê tông xi măng (khối lượng riêng 3,56 g/cm³, thể tích xốp 1720 kg/m³, độ rỗng 48,2%); luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Du [21] về xỉ thép làm cốt liệu bê tông asphalt; nghiên cứu của Trần Văn Miền (Đại học Bách khoa TP.HCM, 2011) kết hợp Công ty TNHH Lê Phan về bê tông nhựa cốt liệu xỉ; đề tài nghiên cứu cấp Bộ Giao thông Vận tải (2012–2015) do Nguyễn Quốc Hiển chủ nhiệm [22]; và Quyết định số 430/QĐ-BXD ngày 16/5/2017 của Bộ Xây dựng ban hành chỉ dẫn kỹ thuật xỉ gang và xỉ thép làm vật liệu xây dựng.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Xác lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về cơ lý, hóa học của xỉ thép lò EAF tại Bà Rịa – Vũng Tàu; xử lý triệt để bài toán thành phần hạt bị thiếu mịn của xỉ thép tái chế thông qua phối trộn cát mịn hoặc đá mi; xác định các thông số cơ học (cường độ nén $R_n$, ép chẻ $R_{ech}$, mô đun đàn hồi $E$) khi gia cố xi măng; và kiểm chứng sự làm việc của kết cấu móng xỉ thép trên đường thực nghiệm qua chu kỳ khai thác thực tế trên 5 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án:

  • Lý thuyết về quá trình hình thành và biến tính khoáng vật của xỉ thép từ lò điện hồ quang (nhiệt độ nung luyện trên 1600°C), cơ chế thủy hóa của vôi tự do (free CaO) và magie oxit tự do (free MgO) gây trương nở thể tích, cùng tính hoạt hóa thủy lực tương tự xi măng mác thấp khi nghiền mịn.
  • Lý thuyết cấp phối cốt liệu hạt theo nguyên lý đường bao cấp phối liên tục (TCVN 8859:2011).
  • Lý thuyết hình thành cường độ của vật liệu hạt gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng) theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 và 22 TCN 274-01 (Cement Treated Base - CTB).
  • Phương pháp luận thiết kế kết cấu áo đường mềm nhiều lớp đàn hồi và phương pháp thiết kế theo chỉ dẫn của Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ (AASHTO) với các hệ số lớp kết cấu $a_2$ (lớp móng gia cố) và $a_3$ (lớp móng vật liệu hạt).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu thống kê: Sử dụng tiêu chuẩn Grubbs (ASTM E178) để phát hiện và loại bỏ các giá trị ngoại lai; kiểm định giả thuyết thống kê về phân phối chuẩn của tập dữ liệu; sử dụng kiểm định sai biệt 2 mẫu (2-Sample t-Test) để đánh giá sự biến đổi mô đun đàn hồi theo thời gian; phân tích phương sai (ANOVA) và biểu đồ Pareto nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng đơn lẻ và tương tác giữa các yếu tố (hàm lượng xi măng $\times$ tuổi bảo dưỡng) đến cường độ vật liệu.
  • Phương pháp thí nghiệm trong phòng:
    • Thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của xỉ thép, cát mịn, đá mi, xi măng PCB40 theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN 7572:2006, ASTM C131, AASHTO T-84, T-85, T-104, BS 812.
    • Phân tích thành phần hóa học và hàm lượng kim loại nặng nguy hại bằng phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) và đối chiếu Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 07:2009/BTNMT.
    • Chế tạo mẫu trụ đầm nén tiêu chuẩn để xác định cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi ($E$) tại các thời điểm bảo dưỡng 7, 14, 28, 60 và 90 ngày.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường:
    • Thiết kế và thi công đoạn đường thử nghiệm trên tuyến Quốc lộ 55 (tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu) với hai loại kết cấu áo đường.
    • Kiểm tra độ chặt đầm nén $K$ bằng phương pháp rót cát trên các lớp: nền đất cấp phối sỏi đỏ, móng cấp phối đá dăm loại 1 và móng cấp phối xỉ thép.
    • Đo mô đun đàn hồi hiện trường ($E_{ht}$) bằng cần đo võng Benkelman tại hai thời điểm: tháng 10/2013 (sau thi công) và tháng 12/2018 (sau hơn 5 năm khai thác).

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các mẫu xỉ thép EAF cung cấp bởi Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (xử lý từ các nhà máy phôi thép tại KCN Phú Mỹ), xi măng PCB40, cát mịn và đá mi khai thác tại khu vực Đông Nam Bộ; số liệu quan trắc tải trọng và độ võng trên Quốc lộ 55.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về xỉ thép và sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, hiện trạng công nghệ sản xuất thép và kinh nghiệm quốc tế cũng như trong nước về tái chế xỉ thép:

  • Quá trình công nghệ: Ngành thép Việt Nam chủ yếu sử dụng công nghệ lò điện hồ quang (EAF, 34 lò công suất 10–120 tấn/mẻ) và lò cảm ứng (IF, 38 lò công suất 5–50 tấn/mẻ), khác với thế giới sử dụng chủ yếu lò thổi BOF (chiếm 70%). Xỉ thép EAF phát sinh khoảng 110–150 kg/tấn thép lỏng.
  • Thành phần hóa học và khoáng vật: Xỉ thép là phức hợp silicat và oxit kim loại gồm CaO (25–45%), FeO/Fe2O3 (10–35%), SiO2 (10–20%), Al2O3 (3–8%), MgO (4–13%), MnO (2–8%). Các khoáng vật đóng rắn chính gồm $C_2S$, $C_3S$, $C_4AF$, $C_{12}A_7$.
  • Tình hình sử dụng: Tỷ lệ tái chế xỉ thép làm đường đạt rất cao tại Nhật Bản (98,4%), Châu Âu (48% làm đường trên tổng số 87% tái chế), Mỹ (gần 50% làm móng đường). Tại Việt Nam, Quyết định số 430/QĐ-BXD ngày 16/5/2017 đã định hướng sử dụng xỉ thép làm vật liệu móng đường (base, subbase), cốt liệu bê tông nhựa và đắp nền.

Bảng tổng hợp thành phần hóa học của xỉ thép từ một số nghiên cứu quốc tế được trích dẫn trong chương:

Thành phần oxit (%) Xỉ EAF Châu Âu [13] Xỉ EAF Slovenia [44] Xỉ EAF Sisak [69] Xỉ EAF Split [69] Xỉ EAF Waligora [79]
$\text{CaO}$ 25 – 45 20 – 35 24,98 31,52 47,7
$\text{SiO}_2$ 10 – 18 5 – 12 17,08 14,24 13,3
$\text{Fe}_x\text{O}y$ / $\text{Fe}{\text{tổng}}$ 10 – 32 36 – 49 25,45 25,74 24,4
$\text{Al}_2\text{O}_3$ 3 – 8 5 – 7 5,40 7,60 3,0
$\text{MgO}$ 4 – 13 4 – 12 10,58 7,42 6,4
$\text{MnO}$ 4 – 12 – 8,91 3,80 2,6

Chương 2: Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý, hóa của xỉ thép sau khi tái chế

Chương 2 tập trung phân tích thực trạng phát sinh xỉ thép tại Bà Rịa – Vũng Tàu và đánh giá chi tiết các chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép EAF sau khi qua dây chuyền nghiền, sàng, tách sắt từ tính:

  • Thực trạng: Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu là trung tâm luyện thép lớn nhất phía Nam với cụm nhà máy tại KCN Phú Mỹ (Thép Việt, Pomina, Posco SS Vina...). Lượng xỉ phát sinh 0,3 – 0,5 triệu tấn/năm gây áp lực lưu bãi lớn.
  • Đánh giá môi trường: Kết quả thí nghiệm phân tích nước chiết ngâm theo QCVN 07:2009/BTNMT đối với mẫu xỉ thép Phú Mỹ và Thép Việt cho thấy: Chì (Pb), Cadimi (Cd), Niken (Ni), Thali (Tl), Thủy ngân (Hg), Xyanua ($CN^-$) đều không phát hiện (KPH); Crôm VI ($Cr^{6+}$) đạt 0,07 mg/l (ngưỡng 5 mg/l); Asen (As) đạt 0,001 mg/l (ngưỡng 2 mg/l); Kẽm (Zn) đạt 0,06 mg/l (ngưỡng 250 mg/l); Flo ($F^-$) đạt 110–180 ppm (ngưỡng 3600 ppm). Xỉ thép hoàn toàn đạt tiêu chuẩn chất thải rắn công nghiệp thông thường, không độc hại.
  • Chỉ tiêu cơ lý và thành phần hạt: Khối lượng riêng của xỉ thép tái chế đạt 3,56 g/cm³, khối lượng thể tích khô đầm chặt đạt 2,20–2,45 g/cm³ (nặng hơn đá dăm tự nhiên khoảng 15–25%). Độ hao mòn Los Angeles ($LA$) đạt từ 12,5% đến 16,8% (tốt hơn nhiều so với quy định $\le 35%$ của TCVN 8859:2011 đối với cấp phối đá dăm loại 1). Độ hút nước dao động từ 1,5% đến 2,8%.
  • Hạn chế phát hiện: Thành phần hạt của xỉ thép sau nghiền sàng bị thiếu hụt hàm lượng hạt mịn lọt qua sàng 0,075 mm và hạt cát nhỏ (cỡ hạt dưới 2 mm), làm đường cong cấp phối thực tế lệch ra ngoài phạm vi biểu đồ cấp phối đá dăm loại 1 theo TCVN 8859:2011. Do đó, cần có giải pháp phối trộn bổ sung hạt mịn để dùng làm móng đường không gia cố hoặc phải gia cố bằng xi măng.

Bảng so sánh chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép tái chế Bà Rịa – Vũng Tàu với cấp phối đá dăm (CPĐD) theo TCVN 8859:2011:

Chỉ tiêu thí nghiệm Xỉ thép BRVT Yêu cầu CPĐD Loại 1 (TCVN 8859:2011) Phương pháp thí nghiệm
Khối lượng riêng ($g/cm^3$) 3,45 – 3,65 $\ge 2,50$ TCVN 7572-4:2006
Khối lượng thể tích xốp ($kg/m^3$) 1650 – 1750 – TCVN 7572-6:2006
Độ hao mòn Los Angeles, $LA$ (%) 12,5 – 16,8 $\le 35$ TCVN 7572-12:2006
Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) 4,2 – 7,8 $\le 15$ TCVN 7572-13:2006
Độ hút nước (%) 1,5 – 2,8 – TCVN 7572-4:2006
Chỉ số dẻo của hạt lọt sàng 0,425 mm Không dẻo (NP) $\le 6$ TCVN 8859:2011
Trị số CBR tại độ chặt $K=0,98$ (%) 150 – 220 $\ge 100$ 22 TCN 332-06

Chương 3: Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật xỉ thép gia cố xi măng làm móng đường ô tô

Chương 3 trình bày các giải pháp công nghệ nhằm cải thiện chất lượng xỉ thép làm móng đường bằng phương pháp phối trộn cốt liệu và gia cố xi măng:

  • Thiết kế tỷ lệ phối trộn cốt liệu:
    • Giải pháp 1 (XC): Phối trộn 80% xỉ thép + 20% cát mịn (tính theo khối lượng). Cát mịn bù đắp phần hạt lọt sàng dưới 0,6 mm, đưa đường cong thành phần hạt về hoàn toàn trong biểu đồ cấp phối tiêu chuẩn móng đường.
    • Giải pháp 2 (XD): Phối trộn 70% xỉ thép + 30% đá mi (kích cỡ 0–5 mm). Hỗn hợp đạt độ đặc chắc cao và phân bố cỡ hạt đồng đều.
    • Giải pháp 3 (XT): Xỉ thép nguyên bản gia cố xi măng làm đối chứng.
  • Thực nghiệm gia cố xi măng: Sử dụng xi măng PCB40 với các hàm lượng 3%, 4%, 5%, 6% và 7% theo khối lượng hỗn hợp khô. Mẫu được bảo dưỡng ẩm và thí nghiệm tại các mốc tuổi 7, 14, 28, 60 và 90 ngày.
  • Kết quả thí nghiệm cường độ và mô đun đàn hồi:
    • Cường độ chịu nén ($R_n$): Ở tuổi 28 ngày, mẫu XT gia cố 4–6% xi măng đạt $R_n$ từ 4,25 đến 7,12 MPa; mẫu XC (80/20) gia cố 4–6% xi măng đạt $R_n$ từ 5,10 đến 8,35 MPa; mẫu XD (70/30) gia cố 4–6% xi măng đạt $R_n$ từ 5,65 đến 9,20 MPa.
    • Cường độ ép chẻ ($R_{ech}$): Ở tuổi 28 ngày, mẫu XT đạt 0,45–0,78 MPa; mẫu XC đạt 0,55–0,89 MPa; mẫu XD đạt 0,62–1,02 MPa.
    • Mô đun đàn hồi ($E$): Tại thời điểm 28 ngày, mô đun đàn hồi của các hỗn hợp gia cố 4–6% xi măng dao động trong khoảng $E = 1200 - 2400 \text{ MPa}$, tăng lên $1500 - 2800 \text{ MPa}$ tại thời điểm 90 ngày.
  • Phân tích thống kê và phương sai: Phân tích biểu đồ Pareto chỉ ra rằng hàm lượng xi măng có ảnh hưởng lớn nhất đến sự phát triển cường độ nén và ép chẻ, tiếp theo là tuổi bảo dưỡng và tương tác giữa hàm lượng xi măng $\times$ tuổi bảo dưỡng. Việc bổ sung cát mịn hoặc đá mi giúp giảm độ rỗng giữa các hạt xỉ, tăng diện tích tiếp xúc của màng vữa xi măng, làm tăng cường độ chịu lực thêm 15–25% so với mẫu xỉ thép thuần túy. Luận án kết luận hàm lượng xi măng hợp lý nhất để gia cố móng xỉ thép là 4% – 6%.

Bảng tổng hợp đặc tính cơ học của các hỗn hợp xỉ thép gia cố xi măng tại thời điểm bảo dưỡng 28 ngày:

Loại hỗn hợp Hàm lượng xi măng (%) Cường độ chịu nén $R_n$ (MPa) Cường độ ép chẻ $R_{ech}$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E$ (MPa)
Xỉ thép thuần túy (XT) 4 4,25 0,45 1250
5 5,60 0,62 1580
6 7,12 0,78 1890
Xỉ thép + Cát mịn (XC 80/20) 4 5,10 0,55 1420
5 6,75 0,73 1810
6 8,35 0,89 2150
Xỉ thép + Đá mi (XD 70/30) 4 5,65 0,62 1560
5 7,40 0,81 1980
6 9,20 1,02 2380

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường sử dụng xỉ thép làm lớp móng và đề xuất các kết cấu mặt đường ô tô sử dụng xỉ thép

Chương 4 kiểm chứng các kết quả nghiên cứu trong phòng thông qua xây dựng đoạn đường thử nghiệm trên thực địa và tính toán đề xuất kết cấu mặt đường:

  • Xây dựng đoạn đường thử nghiệm: Đoạn thử nghiệm được bố trí trên tuyến Quốc lộ 55 (đoạn qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu), vốn có lưu lượng xe tải nặng cao. Đoạn thử nghiệm chia thành hai loại kết cấu áo đường:
    • Kết cấu Loại 1: Lớp mặt bê tông nhựa chặt C19 dày 5 cm; lớp bê tông nhựa chặt C25 dày 7 cm; lớp móng trên bằng cấp phối xỉ thép gia cố 5% xi măng dày 15 cm; lớp móng dưới bằng cấp phối xỉ thép loại 1 dày 18 cm; trên nền đất cấp phối sỏi đỏ.
    • Kết cấu Loại 2 (đối chứng): Lớp mặt bê tông nhựa C19 dày 5 cm; lớp bê tông nhựa C25 dày 7 cm; lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm loại 1 gia cố 5% xi măng dày 15 cm; lớp móng dưới bằng cấp phối đá dăm loại 1 dày 18 cm.
  • Kết quả thi công và kiểm tra độ chặt: Lớp móng xỉ thép đạt độ chặt đầm nén $K \ge 0,98$. Quá trình lu lèn xỉ thép cho thấy vật liệu có góc ma sát trong lớn ($40^\circ - 45^\circ$), tạo mặt tầng ổn định, không bị xô dồn dưới tải trọng bánh lu.
  • Quan trắc mô đun đàn hồi hiện trường ($E_{ht}$):
    • Tháng 10/2013 (ngay sau khi thảm bê tông nhựa): Mô đun đàn hồi mặt đường đo bằng cần Benkelman đạt $E_{ht} = 228,5 \text{ MPa}$ trên kết cấu móng xỉ thép và $E_{ht} = 221,4 \text{ MPa}$ trên kết cấu móng đá dăm đối chứng.
    • Tháng 12/2018 (sau hơn 5 năm khai thác): Mô đun đàn hồi mặt đường kết cấu móng xỉ thép đạt $E_{ht} = 265,2 \text{ MPa}$, trong khi kết cấu móng đá dăm đạt $E_{ht} = 248,6 \text{ MPa}$.
    • Kiểm định thống kê 2 mẫu (2-Sample t-Test) khẳng định mô đun đàn hồi mặt đường sử dụng móng xỉ thép sau 5 năm không bị suy giảm mà có xu hướng tăng nhẹ do phản ứng thủy hóa tiếp tục của các hạt xỉ và xi măng, kết cấu làm việc ổn định, không xuất hiện hiện tượng nứt gãy hoặc lún vệt bánh xe.
  • Đề xuất các kết cấu mặt đường sử dụng xỉ thép:
    • Kết cấu cho đường giao thông nông thôn: Mặt đường BTXM hoặc láng nhựa trên lớp móng xỉ thép không gia cố dày 12–15 cm.
    • Kết cấu cho đường ô tô cấp III, cấp II: Lớp mặt bê tông nhựa 2 lớp (10–12 cm), móng trên bằng xỉ thép phối trộn cát mịn/đá mi gia cố 4–5% xi măng (dày 15 cm), móng dưới bằng xỉ thép không gia cố (dày 15–20 cm).
    • Kết cấu cho đường cao tốc và trục giao thông tải trọng nặng: Lớp mặt bê tông nhựa dày $\ge 15 \text{ cm}$, móng trên xỉ thép gia cố 5–6% xi măng ($E \ge 1800 \text{ MPa}$, dày 18–20 cm), móng dưới xỉ thép loại 1 ($E \ge 250 \text{ MPa}$, CBR $\ge 100%$, dày 20 cm).
    • Xác định các thông số tính toán thiết kế theo AASHTO: Hệ số lớp móng dưới xỉ thép $a_3 = 0,14 - 0,16$ (tương ứng CBR 120–180%); hệ số lớp móng trên xỉ thép gia cố xi măng $a_2 = 0,18 - 0,22$ (tương ứng mô đun đàn hồi $E = 1400 - 2200 \text{ MPa}$).
  • Công nghệ thi công và khai thác: Quy định quy trình kiểm soát độ ẩm tối ưu (đầm nén ở độ ẩm tốt nhất $W_{to}$), thời gian khống chế lu lèn hỗn hợp gia cố xi măng không quá 2 giờ kể từ khi trộn, thời gian bảo dưỡng ẩm tối thiểu 7 ngày trước khi thi công lớp tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học:

  • Chứng minh bằng thực nghiệm khoa học khả năng sử dụng xỉ thép tái chế từ lò điện hồ quang (EAF) tại Bà Rịa – Vũng Tàu làm cốt liệu nhân tạo thay thế hoàn toàn cốt liệu đá dăm tự nhiên trong kết cấu móng đường ô tô.
  • Thiết lập quy luật phát triển cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi ($E$) của hỗn hợp xỉ thép gia cố xi măng theo hàm lượng chất liên kết và tuổi bảo dưỡng. Xác lập giải pháp phối hợp cấp phối giữa xỉ thép với cát mịn (tỷ lệ 80/20) và đá mi (tỷ lệ 70/30) nhằm hoàn thiện thành phần hạt bị thiếu hụt cỡ hạt mịn của xỉ thép tái chế.
  • Xác định được hàm lượng xi măng tối ưu từ 4% đến 6% (theo khối lượng) cho hỗn hợp xỉ thép gia cố làm lớp móng trên, đảm bảo độ đặc chắc, hạn chế nứt nẻ do co ngót và đạt cường độ theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 và 22 TCN 274-01.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:

  • Cung cấp hệ thống chỉ tiêu cơ lý, hóa học, môi trường và bộ thông số thiết kế ($E$, CBR, hệ số lớp $a_2, a_3$ theo AASHTO) của xỉ thép Bà Rịa – Vũng Tàu phục vụ công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu kết cấu áo đường ô tô tại Việt Nam.
  • Đề xuất danh mục các giải pháp kết cấu áo đường mềm ứng dụng xỉ thép cho các cấp đường khác nhau (từ giao thông nông thôn đến đường cấp cao, đường cao tốc).
  • Đưa ra quy trình công nghệ thi công, kiểm soát độ ẩm đầm nén, bảo dưỡng và quy trình nghiệm thu lớp móng xỉ thép trên cơ sở dữ liệu kiểm chứng sau hơn 5 năm khai thác thực tế trên Quốc lộ 55.
  • Góp phần giải quyết vấn đề tiêu thụ chất thải rắn công nghiệp cho các nhà máy thép khu vực Đông Nam Bộ (tái sử dụng 0,3 – 0,5 triệu tấn xỉ thép/năm), giảm diện tích đất chôn lấp, hạn chế khai thác tài nguyên mỏ đá tự nhiên và giảm phát thải môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Đối tượng xỉ thép nghiên cứu chỉ tập trung vào nguồn xỉ lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, chưa khảo sát mở rộng đối với nguồn xỉ từ các công nghệ luyện thép khác (như xỉ lò thổi BOF, xỉ lò cảm ứng IF) tại các khu vực miền Bắc và miền Trung.
  • Đoạn thử nghiệm hiện trường được triển khai trên một tuyến đường thực tế (Quốc lộ 55) với một dạng điều kiện địa chất thủy văn và khí hậu cụ thể tại khu vực Đông Nam Bộ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng các nguồn xỉ thép khác nhau trên toàn quốc và xây dựng các mô hình thử nghiệm tại các vùng khí hậu, địa chất khác biệt.
  • Nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng kết tủa cacbonat canxi ($CaCO_3$) của nước ngầm thẩm thấu qua lớp móng xỉ thép sau thời gian dài khai thác để có giải pháp thiết kế hệ thống thoát nước ngầm phù hợp.
  • Hoàn thiện chỉ dẫn kỹ thuật quốc gia về thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp móng kết cấu mặt đường ô tô sử dụng xỉ thép tái chế nhằm phục vụ áp dụng đại trà.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Kỹ thuật xây dựng đường ôtô và đường thành phố, Kỹ thuật vật liệu xây dựng: Tham khảo phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phân tích thống kê (chuẩn Grubbs, ANOVA, Pareto, t-Test) và phương pháp xác định thông số cơ học của vật liệu mới.
  • Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật công trình (Trường Đại học Giao thông Vận tải, Đại học Bách khoa, Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM...): Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về vật liệu tái chế và thiết kế kết cấu mặt đường mềm.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu xây dựng công trình giao thông: Ứng dụng trực tiếp bảng thông số cơ học ($R_n, R_{ech}, E, a_2, a_3$), công thức phối trộn (XC 80/20, XD 70/30) và quy trình đầm nén, nghiệm thu lớp móng xỉ thép gia cố xi măng trên các dự án giao thông.
  • Các nhà hoạch định chính sách, cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Xây dựng, Bộ Tài nguyên và Môi trường) và doanh nghiệp sản xuất thép, tái chế phế thải: Cơ sở khoa học để ban hành tiêu chuẩn ngành, định mức kinh tế kỹ thuật và chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn trong xây dựng công trình hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép từ lò điện hồ quang (EAF) tại Bà Rịa – Vũng Tàu có bị coi là chất thải nguy hại theo quy chuẩn môi trường không? Không. Kết quả phân tích nước chiết ngâm của mẫu xỉ thép lấy tại các nhà máy khu vực Phú Mỹ và Thép Việt đối chiếu theo QCVN 07:2009/BTNMT cho thấy toàn bộ các hàm lượng kim loại nặng nguy hại vô cơ (như Pb, Cd, Ni, Tl, Hg) đều không phát hiện hoặc nằm dưới ngưỡng cho phép rất nhiều lần (ví dụ $Cr^{6+}$ đạt 0,07 mg/l so với ngưỡng 5 mg/l; As đạt 0,001 mg/l so với ngưỡng 2 mg/l). Xỉ thép được xếp loại là chất thải rắn công nghiệp thông thường theo TCVN 6705:2009.

  2. Tại sao xỉ thép tái chế nguyên bản cần phối trộn thêm cát mịn hoặc đá mi khi làm móng đường? Xỉ thép sau quy trình nghiền và sàng tái chế có đặc tính hạt thô, góc cạnh, nhưng bị thiếu hụt các hạt mịn lọt qua sàng 0,075 mm và hạt cát nhỏ dưới 2 mm, khiến đường cong cấp phối hạt không nằm trọn vẹn trong vùng cấp phối tiêu chuẩn của TCVN 8859:2011. Việc phối trộn thêm 20% cát mịn (tỷ lệ 80/20) hoặc 30% đá mi (tỷ lệ 70/30) giúp lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt xỉ lớn, hoàn thiện đường cấp phối liên tục, tăng độ đặc chắc và tăng cường độ liên kết màng vữa xi măng thêm 15–25%.

  3. Tỷ lệ gia cố xi măng khuyến nghị trong luận án là bao nhiêu và đạt được các chỉ tiêu cơ lý nào? Luận án kiến nghị tỷ lệ gia cố xi măng PCB40 hợp lý nhất là từ 4% đến 6% (tính theo khối lượng hỗn hợp khô). Ở hàm lượng này và tuổi bảo dưỡng 28 ngày, hỗn hợp xỉ thép phối trộn (XC, XD) đạt cường độ chịu nén $R_n$ từ 5,10 đến 9,20 MPa, cường độ ép chẻ $R_{ech}$ từ 0,55 đến 1,02 MPa, và mô đun đàn hồi $E$ từ 1400 đến 2400 MPa, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đối với lớp móng trên gia cố xi măng (CTB) theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 và 22 TCN 274-01.

  4. Dữ liệu thực nghiệm hiện trường trên Quốc lộ 55 sau hơn 5 năm khai thác (2013 – 2018) cho thấy kết quả gì? Mô đun đàn hồi mặt đường ($E_{ht}$) đo bằng cần Benkelman trên đoạn đường sử dụng móng xỉ thép đạt $228,5 \text{ MPa}$ ở thời điểm tháng 10/2013 và tăng lên $265,2 \text{ MPa}$ vào tháng 12/2018. Kết quả kiểm định thống kê 2-Sample t-Test khẳng định kết cấu móng xỉ thép duy trì khả năng chịu tải tốt, không bị suy thoái cường độ, không xuất hiện biến dạng lún nứt bất thường dưới tác động của lưu lượng xe tải nặng liên tục.

  5. Luận án đã đề xuất các hệ số lớp theo phương pháp thiết kế AASHTO cho móng xỉ thép như thế nào? Dựa trên các kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và trị số CBR, luận án xác định hệ số lớp $a_3$ của lớp móng dưới làm bằng vật liệu hạt xỉ thép không gia cố đạt từ 0,14 đến 0,16 (tương ứng CBR từ 120% đến 180%); và hệ số lớp $a_2$ của lớp móng trên làm bằng xỉ thép gia cố xi măng đạt từ 0,18 đến 0,22 (tương ứng mô đun đàn hồi $E$ từ 1400 đến 2200 MPa).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Mai Hoàng Hà đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu sử dụng xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu làm vật liệu xây dựng móng đường ô tô thông qua hệ thống thực nghiệm trong phòng và hiện trường. Công trình đã đưa ra các giải pháp phối trộn tối ưu (xỉ thép kết hợp 20% cát mịn hoặc 30% đá mi) và xác lập tỷ lệ gia cố 4–6% xi măng nhằm đạt các chỉ tiêu cường độ chịu nén, ép chẻ và mô đun đàn hồi cao. Kết quả theo dõi đoạn thử nghiệm trên Quốc lộ 55 sau hơn 5 năm khai thác chứng minh tính ổn định, độ bền vững và khả năng chịu tải của kết cấu móng xỉ thép. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và thông số thiết kế tin cậy, đóng góp giải pháp thực tiễn trong việc tái chế phế thải luyện kim và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.