Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa Vũng Tàu trong xây dựng đường ô tô

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực bà rịa vũng tàu trong xây dựng đường ôtô, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải

• Tác giả: Mai Hồng Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Lã Văn Chăm
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Luận án tiến sĩ nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu trong xây dựng đường ôtô
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về xỉ thép và sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô

Xỉ thép là sản phẩm phụ từ quá trình luyện thép, được hình thành khi tách thép nóng chảy khỏi các hợp chất trong lò luyện. Khu vực Bà Rịa Vũng Tàu là nơi tập trung nhiều nhà máy thép, tạo ra lượng lớn xỉ thép hàng năm. Việc nghiên cứu sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô không chỉ giải quyết vấn đề chất thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên. Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc đánh giá tính chất cơ lý, hóa học của xỉ thép và khả năng ứng dụng trong các lớp móng đường.

1.1 Khái niệm về xỉ thép

Xỉ thép là sản phẩm phụ từ quá trình luyện thép, được hình thành khi tách thép nóng chảy khỏi các hợp chất trong lò luyện. Quá trình này tương tự như phun trào nham thạch từ núi lửa. Xỉ thép có thành phần chủ yếu là silicates và oxodes, rắn lại khi làm mát. Việc tái chế xỉ thép không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra vật liệu xây dựng thay thế hiệu quả.

1.2 Hiện trạng công nghệ ngành thép tại Việt Nam

Khu vực Bà Rịa Vũng Tàu là trung tâm sản xuất thép lớn của Việt Nam, với công nghệ lò điện hồ quang (EAF) phổ biến. Lượng xỉ thép được tạo ra từ các nhà máy này ước tính khoảng 0,3 - 0,5 triệu tấn/năm. Việc quản lý chất thải công nghiệp và tái chế xỉ thép đang là vấn đề cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng khan hiếm.

II. Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý hóa của xỉ thép sau khi tái chế

Chương này tập trung vào việc phân tích các chỉ tiêu cơ lý và hóa học của xỉ thép sau quá trình tái chế. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng sử dụng xỉ thép làm vật liệu trong xây dựng đường ô tô. Kết quả cho thấy xỉ thép có nhiều đặc tính phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của các lớp móng đường.

2.1 Phân tích thực trạng xỉ thép tại Bà Rịa Vũng Tàu

Các nhà máy thép tại khu vực Bà Rịa Vũng Tàu sản xuất lượng lớn xỉ thép, gây ra thách thức trong việc xử lý chất thải. Nghiên cứu chỉ ra rằng xỉ thép từ các nhà máy này có thành phần hóa học và tính chất cơ lý phù hợp để sử dụng trong xây dựng đường ô tô. Việc tái chế xỉ thép không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra nguyên liệu thay thế hiệu quả.

2.2 Đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép

Các thí nghiệm về khối lượng riêng, độ nén, và độ bền của xỉ thép được thực hiện để so sánh với cấp phối đá dăm. Kết quả cho thấy xỉ thép có khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu làm móng đường. Điều này mở ra tiềm năng lớn trong việc sử dụng xỉ thép như một vật liệu xây dựng thay thế.

III. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật xỉ thép gia cố xi măng

Chương này tập trung vào việc nghiên cứu các giải pháp gia cố xỉ thép bằng xi măng để cải thiện tính chất cơ lý. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa xỉ thép, cát mịn, và đá mi. Kết quả cho thấy tỷ lệ gia cố xi măng 4-6% là phù hợp nhất để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết.

3.1 Cơ sở khoa học sử dụng vật liệu gia cố

Việc gia cố xỉ thép bằng xi măng dựa trên cơ sở lý thuyết về sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc phối trộn xỉ thép với xi măng giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ lý, phù hợp với yêu cầu của công nghệ xây dựng hiện đại.

3.2 Kết quả thí nghiệm gia cố xi măng

Các thí nghiệm về cường độ chịu nén, độ bền, và mô đun đàn hồi của xỉ thép gia cố xi măng được thực hiện. Kết quả cho thấy tỷ lệ phối trộn 4-6% xi măng là tối ưu, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu làm móng đường. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng đường ô tô.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường sử dụng xỉ thép làm lớp móng

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm hiện trường sử dụng xỉ thép làm lớp móng đường. Các đoạn đường thử nghiệm được thiết kế và thi công để đánh giá hiệu quả thực tế của xỉ thép trong xây dựng đường ô tô. Kết quả cho thấy xỉ thép có khả năng thay thế hiệu quả các vật liệu truyền thống.

4.1 Thiết kế và thi công đoạn đường thử nghiệm

Các đoạn đường thử nghiệm được thiết kế với các lớp móng sử dụng xỉ thép gia cố xi măng. Quá trình thi công được giám sát chặt chẽ để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Kết quả thí nghiệm cho thấy xỉ thép đáp ứng tốt các chỉ tiêu về độ chặt và mô đun đàn hồi.

4.2 Đề xuất kết cấu mặt đường sử dụng xỉ thép

Dựa trên kết quả thực nghiệm, các kết cấu mặt đường sử dụng xỉ thép được đề xuất. Các kết cấu này phù hợp với các loại đường từ giao thông nông thôn đến đường cao tốc. Việc sử dụng xỉ thép không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển cơ sở hạ tầng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP VÀ SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ KHÁI NIỆM VỀ XỈ THÉP. Xỉ thép được hình thành từ quá trình luyện thép, là một sản phẩm được tạo ra trong thời gian tách thép nóng chảy từ các hợp chất trong lò luyện thép. Xỉ thép xuất hiện như một chất lỏng nóng chảy tan ra và là một quá trình hòa tan phức tạp của silicates và oxodes mà rắn lại khi làm mát. Quá trình hình thành xỉ thép giống như phun trào nham thạch từ núi lửa, do đó các báo cáo khoa học nước ngoài gọi xỉ thép là “nham thạch nhân tạo” (artificial magma [44]).

Trước đây, xỉ thép được xem như một chất thải rắn, hiện nay xỉ thép được xem là “sản phẩm phụ, phi kim loại” của quá trình luyện thép [57].1 So sánh đá núi lửa và xỉ thép [58-63] -5- QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH XỈ THÉP Hiện trạng công nghệ ngành thép tại Việt Nam Sản phẩm thép là một trong những nguyên vật liệu chủ yếu, là lương thực của nhiều ngành kinh tế trọng điểm như các ngành cơ khí, xây dựng, nên có vai trò quyết định đến sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Có thể nói sắt thép xây dựng được Việt Nam cũng như các nước phát triển coi là ngành kinh tế mũi nhọn hàng đầu và được chú trọng đầu tư một cách mạnh mẽ. Các công nghệ chính sản xuất phôi thép được thể hiện ở sơ đồ sau: Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi thép Trên thế giới, sản lượng thép được sản xuất bằng công nghệ lò chuyển (Basic Oxygen Furnace - BOF) chiếm tới 70%, công nghệ lò điện hồ quang (Electric Arc Furnace - EAF) chỉ chiếm gần 28%, một số ít còn lại (khoảng 2%) được luyện bằng công nghệ lò điện cảm ứng (Induction Furnace - IF). Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép như trên, nhưng ngược lại với thế giới do điều kiện thiếu gang lỏng.

Theo thống kê của Hiệp Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có 4 lò luyện thép BOF (lò thổi), trong đó có 2 lò công suất 25 tấn/mẻ và 2 lò công suất 35 tấn/mẻ, còn lại hầu hết là các lò điện hồ quang (EAF) (34 lò, công suất 10-120 tấn/mẻ ) và lò IF (38 lò, công suất 5-50 tấn/mẻ) [15] Trong phạm vi đề tài, nghiên cứu về xỉ thép được tạo ra từ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang tại các nhà máy thép ở khu công nghiệp Phú Mỹ, Bà Rịa Vũng Tàu. Quá trình hình thành xỉ thép từ lò điện hồ quang Công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt, thép phế liệu để luyện thép. Để tách các tạp chất có trong thép phế liệu đầu vào, -6- sử dụng vôi và một số chất trợ dung đưa vào lò luyện, quá trình nóng chảy trên 1.600oC sẽ làm cho xỉ nổi lên trên, thép lỏng nằm ở lớp dưới. Xỉ được tháo ra khỏi lò, được làm nguội và chuyển sang trạng thái rắn.

Khi nguội, xỉ được đưa tới bãi chứa và chuyển đến nhà máy xử lý và tái chế thành các sản phẩm có ích.3 Sơ đồ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang (EAF) [15] Do đó, xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép trong lò điện hồ quang [64]. Theo Bộ Công thương và Trung tâm sản xuất sạch hơn Việt Nam [13], xỉ thép là chất thải rắn chính của các nhà máy luyện thép (110-150 kg/tấn thép lỏng từ lò điện hồ quang và 10-30 kg/tấn từ lò thùng tinh luyện), nó có thể được xem như một loại đá nhân tạo, giống như đá tự nhiên, thành phần hoá học chủ yếu là CaO, FeO, SiO2 và các oxit khác như MgO, Al2O3, MnO. Xỉ thép có thể sử dụng để làm đường, san lấp, sản xuất xi măng. Tuy nhiên, trước khi sử dụng xỉ thép phải được xử lý như nghiền, sàng và phân loại kích thước.

-7- CÔNG NGHỆ XỬ LÝ XỈ THÉP Theo các báo cáo nghiên cứu khoa học về xỉ thép lò điện hồ quang của Heribert Motz Fehs [65], không có loại vật liệu nào có thành phần khoáng giống với lớp vỏ trái đất nhất như xỉ thép. Do đó, sau khi tiến hành một số giải pháp kỹ thuật đẩy nhanh quá trình lão hóa (ageing) xỉ thép như: kỹ thuật phun nước nóng ở nhiệt độ 100OC, hấp hơi hoặc để ngoài trời tự nhiên, xỉ thép sẽ trở thành vật liệu có ích sử dụng cho xây dựng, làm đường, xử lý chất thải, nông nghiệp,… và được xem là “đá nhân tạo”.4 Quy trình tái chế xỉ thép Sản phẩm xỉ thép sau khi được xử lý và phân loại được xem là đá nhân tạo với nhiều kích thước khác nhau, phục vụ cho các mục đích khác nhau.5 Sản phẩm xỉ thép với nhiều kích thước khác nhau Nhiều nơi trên thế giới đã xây dựng công nghệ xử lí xỉ thép rất hiện đại để tái chế và sử dụng xỉ thép.6 Công nghệ xử lý xỉ thép ở Slovenia Hình 1.7 Nhà máy tái chế xỉ thép lắp đặt đầu tiên tại Đài Loan [66] Công nghệ S3R (Stainless Steel Scrap Recovery) chủ yếu tách sắt trong xỉ thép có chứa nhiều sắt. Công ty S3R là một liên minh chiến lược của 3 công ty: RecCo BV (Tư vấn tái chế) có trụ sở tại Hà Lan, có bí quyết chuyên môn về kỹ thuật và quản lý việc thu hồi kim loại màu và kim loại màu từ xỉ; Công ty Hofung Technology, có trụ sở tại Bắc Kinh, Trung Quốc là một chuyên gia trong việc liên kết các nhu cầu của khách hàng Trung Quốc với các nhà cung cấp công nghệ và thiết bị chuyên dụng bên ngoài Trung Quốc; và cuối cùng là công ty Evergoed NV (Hà Lan).8 Quy trình xử lý xỉ thép tại Nhật Bản Hình 1.9 Nhà máy xử lý xỉ thép tại Thái Lan Hình 1.9 là công nghệ xử lý xỉ thép tại Thái Lan. Đây là công nghệ hoàn chỉnh để xử lý xỉ thép có nhiều sắt phế.

Sử dụng điện năng, tự động hóa. Tạo ra được nhiều kích cỡ hạt xỉ khác nhau theo yêu cầu mục đích khác nhau. CÁC KẾT QỦA NGHIÊN CỨU VỀ XỈ THÉP Ở NƯỚC NGOÀI Tính chất hóa học 1. Thành phần hoá học Thành phần hóa học của xỉ thép ở các nước khác nhau có những nét tương đồng nhưng cũng có những nét khác biệt do công nghệ luyện thép khác nhau.

Tahir Sofilić [67] đã tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm các đặc tính của xỉ thép để đánh giá khả năng dùng xỉ thép để thay thế một phần hay toàn bột cốt liệu - 10 - trong bê tông nhựa, kết quả cho thấy xỉ thép hoàn toàn có thể thay thế cho cốt liệu tự nhiên:  Thành phần hoá học chủ yếu của xỉ thép bao gồm: CaO: 33.  Xỉ không chứa thành phần có thể ảnh hưởng đến môi trường một cách có hại, do đó nó có thể được xử lý tại khu xử lý chất thải không nguy hại  Hàm lượng các hạt nhân phóng xạ có trong xỉ thép nhỏ hơn giới hạn tối đa cho phép Theo nghiên cứu của Ana Mladenović [44] , xỉ thép có thành phần hóa học chủ yếu gồm FexOy, CaO, SiO2 như Bảng 1.1 Thành phần hóa học trung bình của xỉ thép tại Slovenia [44] Thứ tự Thành phần Tỷ lệ (%) 1 FeO 30-40 2 CaO 20-35 3 SiO2 5-12 4 Fe2O3 6-9 5 Al2O3 5-7 6 MgO 4-12 7 Khác còn lại Các kết quả về thành phần hoá học của xỉ thép cũng được nhắc đến trong nghiên cứu của R. Alizadeh [68], thể hiện ở Bảng 1. Kết quả nghiên cứu cho thấy xỉ thép không những thích hợp để làm cốt liệu cho bê tông thường mà còn có thể dùng cho bê tông cường độ cao.2 Thành phần hóa học của xỉ thép Romania (đơn vị: %) [68] Thành phần Xỉ lò điện hồ quang Xỉ lò cao Xỉ thép của công ty Khuzestan SiO2 31-45 10-19 15.05 Fe, FeO, Fe2O3 0.08 - 11 - Thành phần Xỉ lò điện hồ quang Xỉ lò cao Xỉ thép của công ty Khuzestan Na2O 0.

Motz [65], thành phần hoá học của xỉ thép của một số nhà máy ở Đức có sự khác biệt nhỏ, thể hiện ở Bảng 1.3 Thành phần hoá học của các loại xỉ thép khác nhau ở Đức CaOtự do Al2O3 Fetổng MnO MgO P2O5 CaO SiO2 Thành phần Xỉ lò cao, thấp MgO 45–55 12–18 >3 >3 >5 <2 14-20 <10 Xỉ lò cao, cao MgO 42-50 12-15 <3 5-8 <5 <2 15-20 <10 Xỉ thép lò hồ quang 30-40 12-17 4-7 4-8 <6 <1.5 18-28 <3 điện, thấp MgO Xỉ thép lò hồ quang 25-35 10-15 4-7 8-15 <6 <1.5 20-29 <3 điện, cao MgO Theo Ivanka Netinger [69], đã so sánh thành phần hoá học của đá dolomite và hai loại xỉ thép được tái chế từ hai bãi chôn lấp ở thị trấn Sisak và Split, Croatia, kết quả thể hiện ở Bảng 1.4 Thành phần hoá học của xỉ thép và đá Dolomite ở Croatia Thành phần Đá dolomite Xỉ thép từ Sisak Xỉ thép từ Split SiO2 0,49 17,08 14,24 CaO 31,78 24,98 31,52 Al2O3 0,1 5,4 7,6 Fe2O3 0,1 25,45 25,74 MgO 20,85 10,58 7,42 MnO - 8,91 3,8 Na2O 0,01 0,12 0,13 K2O 0,01 0,13 0,08 SO32- - 0,25 0,44 S2- - 0,05 0,04 Trong nghiên cứu của Irem Zeynep Yildirim [70] ở Mỹ, thành phần hoá học của xỉ thép được thống kê trong Bảng 1.5 Thành phần hoá học của xỉ thép từ quá trình luyện thép cơ bản (BOF), lò điện hồ quang (EAF) và xỉ lò cao (Ladle slag) Loại Tác giả nghiên cứu CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO Fe2O3 Fetotal SO3 MnO TiO2 P2O5 Free CaO XT Das [71] BOF 47,9 12,2 1,2 0,8 26,3 - - 0,3 0,3 - 3,3 - Juckes [72] BOF 36,4-45,8 10,7-15,2 1-3,4 4,1-7,8 - - 19-24 0,1-0,2 2,7-4,3 - 1-1,5 2,5-12 Mahieux [73] BOF 47,5 11,8 2 6,3 - 22,6 - - 1,9 0,5 2,7 - Poh [74] BOF 52,2 10,8 1,3 5,04 17,2 10,1 - - 2,5 0,6 1,3 10,2 Shen [75] BOF 39,3 7,8 0,98 8,56 - 38,06 - - 4,2 0,9 - - Shi [77] BOF 30-55 8-20 1-6 5-15 10-35 - - 0,1-0,2 2-8 4-2 2-2 - Tossavainen [78] BOF 45 11,1 1,9 9,6 10,7 10,9 - - 3,1 - - - Waligora [79] EAF 47,7 13,3 3 6,4 - 24,4 - - 2,6 0,7 1,5 9,2 Xuequan [80] EAF 45-60 10-15 1-5 3-13 7-20 3-9 - - - - 1-4 - Barra [81] EAF 29,5 16,1 7,6 5 - 32,56 - 0,6 4,5 0.9 0-0,01 3,5-19 Tossavainen [78] Ladle 42,5 14,2 22,9 0,5 1,1 0,4 - 0,2 - - - - 13 - Theo tài liệu của Bộ Công thương và Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam, (2008) [13], tính chất hóa học của xỉ thép tại châu Âu được thống kê như ở Bảng 1.