Tổng quan nghiên cứu

Tại Việt Nam, lượng xỉ thép thải ra hàng năm ước tính khoảng 2 triệu tấn, trong khi đó việc tái chế và sử dụng loại phế liệu này vẫn còn rất hạn chế về mặt kinh tế và kỹ thuật. Xỉ thép, một sản phẩm phụ của quá trình luyện thép bằng lò hồ quang điện (EAF), chứa hàm lượng lớn các oxit như CaO tự do (>31%), MgO (>7%), FeO (35-50%) và các thành phần sắt khác. Tuy nhiên, tính thủy lực của xỉ thép thấp hơn nhiều so với xi măng Portland do hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng tái chế xỉ thép làm phụ gia khoáng hoạt tính trong sản xuất xi măng hỗn hợp, đồng thời đề xuất phương án nâng cao hoạt tính xỉ thép nhằm tăng tỷ lệ phối trộn trong xi măng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.

Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu xỉ thép lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, trong khoảng thời gian từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014. Việc tái chế xỉ thép không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải công nghiệp mà còn giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm chi phí sản xuất xi măng và nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành vật liệu xây dựng. Các chỉ số kỹ thuật và tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp được đánh giá trong các điều kiện bảo dưỡng bình thường và môi trường ăn mòn như sunfat cao, axit, nhằm xác định hàm lượng xỉ thép tối ưu và hiệu quả của phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết khoáng thủy lực của xi măng: Quá trình thủy hóa của xi măng và xỉ phụ thuộc vào sự hình thành các khoáng canxi silicat (C3S, C2S), aluminat (C3A) và aluminoferrit (C4AF). Xỉ thép có hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp nên hoạt tính thủy lực kém hơn xi măng Portland.
  • Mô hình biểu đồ pha hệ CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃: Dùng để phân tích thành phần hóa học và dự đoán sự hình thành các pha khoáng trong xỉ thép và xi măng hỗn hợp. Điểm eutectic của hệ này ở khoảng 1338°C, với thành phần khoáng chính gồm C3S, C2S, C3A và C4AF.
  • Khái niệm hoạt tính khoáng (pozzolanic reactivity): Đánh giá khả năng phản ứng thủy hóa của xỉ thép dựa trên tiêu chuẩn TCVN 6852-2001, xác định mức độ tạo cường độ và tính bền vững của xi măng hỗn hợp.
  • Cơ chế thủy hóa hai giai đoạn: Giai đoạn đầu là phản ứng thủy hóa clinker xi măng Portland, tạo ra Ca(OH)₂ và các sản phẩm hydrat; giai đoạn sau là sự hoạt hóa và phản ứng của xỉ thép với Ca(OH)₂ để tạo các khoáng hydrat phức tạp, tăng cường cường độ và độ bền.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu xỉ thép EAF được lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, Bà Rịa - Vũng Tàu. Các mẫu được phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp XRF và phân tích khoáng bằng XRD, IR, SEM.
  • Phương pháp phân tích: Nghiền xỉ thép đến kích thước trung bình 90 µm (độ mịn Blaine 3400 cm²/g). Phối trộn xỉ thép với xi măng Portland theo tỷ lệ 10-40% khối lượng, đồng thời phối trộn với xỉ lò cao (GBFS) để đánh giá tính chất cơ lý và độ bền trong các điều kiện bảo dưỡng khác nhau.
  • Thí nghiệm cơ lý: Đánh giá thời gian ninh kết, độ ổn định thể tích, cường độ nén ở các tuổi 3, 7, 28 và 60 ngày. Thử nghiệm trong môi trường ăn mòn gồm Na₂SO₄ 5%, MgSO₄ 5% và HCl 0,5M theo tiêu chuẩn ASTM C1012.
  • Xử lý nâng cao hoạt tính: Điều chỉnh thành phần hóa học của xỉ thép bằng cách phối trộn với đá vôi và bột nhôm hydroxit, nung chảy ở nhiệt độ trên 1300°C, sau đó làm nguội nhanh trong nước để tạo pha thủy tinh và khoáng có hoạt tính thủy lực cao hơn.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, phân tích thành phần, thí nghiệm phối trộn và xử lý nâng cao hoạt tính, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học và khoáng của xỉ thép: Xỉ thép EAF chứa hàm lượng CaO tự do khoảng 37-42%, MgO khoảng 5-6,5%, FeO và Fe₂O₃ chiếm tổng cộng trên 25%. Hàm lượng khoáng C3S và C2S thấp, trong khi C4AF chiếm tỷ lệ cao, dẫn đến hoạt tính thủy lực vừa phải theo tiêu chuẩn TCVN 6852-2001.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xỉ thép đến tính chất xi măng hỗn hợp: Khi phối trộn 20% xỉ thép vào xi măng Portland, cường độ nén của mẫu vữa đạt khoảng 85-90% so với mẫu chuẩn 100% xi măng Portland ở tuổi 28 ngày. Mẫu phối trộn 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao (GBFS) cho kết quả cường độ nén tương đương hoặc cao hơn mẫu chuẩn, đạt trên 95% ở tuổi 28 ngày.

  3. Tính ổn định thể tích và khả năng chống ăn mòn: Sự có mặt của xỉ thép làm tăng độ ổn định thể tích của vữa hỗn hợp so với xi măng Portland nguyên chất. Các mẫu thử trong môi trường Na₂SO₄ 5%, MgSO₄ 5% và HCl 0,5M cho thấy cường độ nén giảm không quá 15% so với môi trường nước trung tính, chứng tỏ khả năng kháng ăn mòn tốt hơn.

  4. Hiệu quả của phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính: Xỉ thép được nung chảy phối trộn với đá vôi và bột nhôm hydroxit, sau đó làm nguội nhanh trong nước, cho thấy sự xuất hiện các pha khoáng thủy lực như C3S, C2S và C4AF trong phổ XRD. Cường độ nén của mẫu xi măng hỗn hợp có xỉ thép xử lý tăng lên đến 200% so với mẫu làm nguội chậm thông thường ở tuổi 7 ngày, cho phép tăng tỷ lệ phối trộn xỉ thép trên 20% mà vẫn đảm bảo cường độ tương đương xi măng Portland.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy xỉ thép EAF có tiềm năng làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng hỗn hợp, tuy nhiên hoạt tính thủy lực của xỉ tự nhiên còn hạn chế do hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp và sự hiện diện của CaO tự do, MgO tự do có thể gây trương nở thể tích. Việc phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao GBFS giúp cải thiện tính chất cơ lý và độ bền của xi măng hỗn hợp nhờ sự bổ sung pha thủy tinh hoạt tính cao từ GBFS.

Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính bằng cách nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh mô phỏng công nghệ sản xuất xỉ lò cao hoạt tính đã thành công trong việc tạo ra các pha khoáng thủy lực có hoạt tính cao hơn, đồng thời giảm thiểu sự phân hủy khoáng do làm nguội chậm. Điều này giúp tăng cường khả năng phối trộn xỉ thép trong xi măng, góp phần giảm lượng clinker sử dụng, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO₂.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng xỉ thép làm phụ gia khoáng trong xi măng tại Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản, nơi mà tỷ lệ tái chế xỉ thép trong ngành xây dựng ngày càng được mở rộng. Việc áp dụng công nghệ xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép tại Việt Nam sẽ góp phần giải quyết bài toán xử lý chất thải công nghiệp, đồng thời phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh cường độ nén theo thời gian, biểu đồ ổn định thể tích và ảnh phổ XRD, SEM minh họa cấu trúc vi mô của xỉ thép trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phối trộn xỉ thép với tỷ lệ tối ưu 20% trong sản xuất xi măng hỗn hợp nhằm đảm bảo cường độ và độ bền phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xi măng và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Phát triển công nghệ xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép bằng phương pháp nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh để tăng khả năng phối trộn xỉ thép trên 20%, giảm lượng clinker sử dụng, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính. Thời gian nghiên cứu và ứng dụng: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghiệp.

  3. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng xỉ thép đầu vào và sản phẩm xi măng hỗn hợp nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm, bao gồm phân tích thành phần hóa học, khoáng và tính chất cơ lý. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm, nhà máy xi măng.

  4. Khuyến khích chính sách hỗ trợ và ưu đãi cho các dự án tái chế xỉ thép trong ngành vật liệu xây dựng nhằm thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện: ngắn hạn đến trung hạn. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước, bộ ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu Vô cơ: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tái chế xỉ thép làm phụ gia xi măng, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Tham khảo để áp dụng công nghệ phối trộn xỉ thép và xử lý nâng cao hoạt tính, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững: Hiểu rõ về tiềm năng và giải pháp xử lý xỉ thép, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ tái chế và giảm thiểu ô nhiễm.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghiệp thép: Nắm bắt xu hướng xử lý và tái chế xỉ thép, khai thác giá trị phụ gia khoáng, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và trách nhiệm xã hội.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép có thể thay thế bao nhiêu phần trăm clinker trong xi măng mà vẫn đảm bảo chất lượng?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ phối trộn xỉ thép khoảng 20% khối lượng xi măng là phù hợp, đảm bảo cường độ và độ bền tương đương xi măng Portland nguyên chất. Tỷ lệ phối trộn cao hơn cần xử lý nâng cao hoạt tính để duy trì chất lượng.

  2. Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép là gì?
    Phương pháp nung chảy phối liệu xỉ thép với đá vôi và bột nhôm hydroxit ở nhiệt độ trên 1300°C, sau đó làm nguội nhanh trong nước nhằm tạo pha thủy tinh và khoáng có hoạt tính thủy lực cao hơn, giúp tăng cường cường độ xi măng hỗn hợp.

  3. Xỉ thép có ảnh hưởng như thế nào đến tính ổn định thể tích của xi măng?
    Sự có mặt của xỉ thép làm tăng độ ổn định thể tích của vữa hỗn hợp so với xi măng Portland, giảm nguy cơ trương nở và nứt do các oxit tự do như CaO và MgO được ổn định trong quá trình phối trộn và xử lý.

  4. Khả năng chống ăn mòn của xi măng hỗn hợp có xỉ thép ra sao?
    Xi măng hỗn hợp có xỉ thép thể hiện khả năng kháng ăn mòn tốt hơn trong môi trường sunfat cao, axit và nước biển nhờ các sản phẩm thủy hóa từ xỉ giúp cố định vôi tự do và tăng tính bền vững của cấu trúc xi măng.

  5. Việc sử dụng xỉ thép trong sản xuất xi măng có lợi ích môi trường như thế nào?
    Tái chế xỉ thép giúp giảm lượng chất thải công nghiệp phải chôn lấp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm tiêu thụ clinker và năng lượng sản xuất xi măng, từ đó giảm phát thải khí CO₂ và ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Xỉ thép EAF tại Việt Nam có tiềm năng làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng hỗn hợp với tỷ lệ phối trộn khoảng 20% đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về cường độ và độ bền.
  • Phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao GBFS giúp cải thiện tính chất cơ lý và khả năng chống ăn mòn của xi măng hỗn hợp.
  • Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính bằng nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh tăng cường hoạt tính thủy lực của xỉ thép lên đến 200%, cho phép tăng tỷ lệ phối trộn trên 20%.
  • Việc tái chế xỉ thép góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng trong ngành vật liệu xây dựng.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ xử lý và phối trộn xỉ thép trong sản xuất xi măng tại các nhà máy trong vòng 1-5 năm tới, đồng thời xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng và đánh giá tác động môi trường để đưa sản phẩm ra thị trường.