Luận văn thạc sĩ về chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả

• Tác giả: Nguyễn Thành Thái
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Miền
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao từ cốt liệu xỉ thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Cơ sở khoa học và thực tiễn
• 1.8. Kết quả đạt được
• 2. GIỚI THIỆU VỀ XỈ THÉP
• 2.1. Quá trình hình thành
• 2.2. Đặc điểm
• 3. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nghiên cứu lựa chọn vật liệu
• 3.2. Phụ gia hóa học
• 3.3. Cốt liệu nhỏ
• 3.4. Cốt liệu lớn
• 3.5. Phương pháp nghiên cứu
• 3.6. Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông
• 3.7. Các phương pháp tiêu chuẩn xác định tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng
• 3.8. Phương pháp nghiên cứu các tính chất cơ lý của bê tông cường độ cao cốt liệu xỉ thép
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ lưu động của bê tông cường độ cao
• 4.2. Ảnh hưởng của xỉ thép đến khối lượng thể tích của bê tông cường độ cao
• 4.3. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ hút nước và thể tích lỗ rỗng hở của bê tông cường độ cao
• 4.4. Ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ bê tông cường độ cao trong điều kiện bảo dưỡng khác nhau
• 4.5. Ảnh hưởng của xỉ thép đến Mô-đun đàn hồi của bê tông cường độ cao
• 4.6. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tông cường độ cao
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC THAM GIA CÁC BÀI BÁO, TẠP CHÍ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: CÁC KẾT QUẢ TRONG NGHIÊN CỨU
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bê tông cường độ cao và cốt liệu xỉ thép

Bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, thường được sử dụng trong các công trình yêu cầu khả năng chịu lực tốt và độ bền cao. Việc sử dụng cốt liệu xỉ thép trong bê tông không chỉ giúp nâng cao cường độ mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tái chế phế thải từ ngành công nghiệp luyện kim. Các nghiên cứu cho thấy, bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép có tính chất cơ học vượt trội hơn so với bê tông truyền thống, nhờ vào khả năng ngậm nước tốt và cấu trúc hạt xốp của xỉ thép. Theo một nghiên cứu, cường độ nén của bê tông sử dụng xỉ thép có thể đạt tới 70 MPa, cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tế.

1.1. Tính chất của bê tông cường độ cao

Bê tông cường độ cao không chỉ có khả năng chịu nén tốt mà còn có độ bền kéo và độ bền uốn cao. Tính chất bê tông này được cải thiện nhờ vào việc sử dụng các loại cốt liệu chất lượng cao như cốt liệu xỉ thép. Xỉ thép có cấu trúc hạt nhỏ và bề mặt nhám, giúp tăng cường sự bám dính giữa các thành phần trong bê tông, từ đó nâng cao cường độ và độ bền của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bê tông cường độ cao có khả năng chịu được các tác động từ môi trường như độ ẩm và nhiệt độ, giảm thiểu nguy cơ nứt và hư hỏng trong quá trình sử dụng.

II. Nghiên cứu các tính chất của cốt liệu xỉ thép

Cốt liệu xỉ thép được sản xuất từ quá trình luyện thép, có nhiều ưu điểm vượt trội so với cốt liệu tự nhiên. Cốt liệu xỉ thép có độ xốp cao, giúp tăng khả năng ngậm nước và cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông. Các nghiên cứu cho thấy việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao chất lượng bê tông. Việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông cường độ cao đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ bền, khả năng chịu nén và độ co ngót. Các thử nghiệm cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép có tỷ lệ co ngót thấp hơn đáng kể so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên.

2.1. Tính chất cơ lý của cốt liệu xỉ thép

Cốt liệu xỉ thép có khối lượng thể tích lớn hơn so với cốt liệu tự nhiên, điều này có thể dẫn đến việc bê tông sản xuất ra có khối lượng lớn hơn. Tuy nhiên, do tính chất xốp và khả năng ngậm nước tốt, cốt liệu xỉ thép giúp cải thiện đáng kể độ bền và độ dẻo của bê tông. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép có thể đạt cường độ chịu nén lên tới 70 MPa, đồng thời có khả năng chống thấm tốt hơn. Điều này cho thấy cốt liệu xỉ thép không chỉ là một lựa chọn thay thế mà còn là một giải pháp tối ưu cho việc sản xuất bê tông chất lượng cao.

III. Ứng dụng và lợi ích của bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép

Việc áp dụng bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép trong các công trình xây dựng hiện nay đang ngày càng phổ biến. Các công trình như cầu, đường, và các công trình hạ tầng khác đều có thể hưởng lợi từ việc sử dụng loại bê tông này. Không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nguyên liệu, việc sử dụng xỉ thép còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm thiểu lượng chất thải từ ngành công nghiệp luyện kim. Nghiên cứu cho thấy, bê tông cường độ cao cốt liệu xỉ thép có khả năng chịu lực tốt hơn, độ bền cao hơn và khả năng chống thấm tốt hơn, từ đó nâng cao tuổi thọ của công trình.

3.1. Tiềm năng ứng dụng trong xây dựng

Bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép đang được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng lớn. Với khả năng chịu lực tốt và độ bền cao, loại bê tông này rất phù hợp cho các công trình yêu cầu khắt khe về chất lượng. Bên cạnh đó, việc sử dụng cốt liệu xỉ thép còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành xây dựng. Các nhà thầu xây dựng có thể xem xét việc áp dụng loại bê tông này để không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng công trình.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng và công nghiệp luyện kim, lượng phế thải xỉ thép ngày càng gia tăng, đồng thời nguồn nguyên liệu tự nhiên như cát, đá đang dần cạn kiệt do khai thác quá mức. Theo ước tính, mỗi tấn thép tinh luyện thải ra khoảng 100-150 kg xỉ thép, tạo ra áp lực lớn về xử lý và tái sử dụng vật liệu này. Việc tận dụng xỉ thép làm cốt liệu thay thế cho cát, đá trong sản xuất bê tông cường độ cao không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo bê tông cường độ cao với cường độ chịu nén 60 MPa và 70 MPa sử dụng cốt liệu xỉ thép thay thế hoàn toàn cốt liệu tự nhiên, đồng thời khảo sát các tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông thành phẩm trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2019, tập trung vào việc đánh giá độ sụt, khối lượng thể tích, độ hút nước, thể tích lỗ rỗng, cường độ chịu nén, mô-đun đàn hồi và độ co ngót của bê tông sử dụng xỉ thép.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp thay thế bền vững cho nguyên liệu xây dựng truyền thống, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm thiểu tác động môi trường và thúc đẩy phát triển công nghiệp vật liệu xây dựng xanh. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà thiết kế và thi công trong việc ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép vào các công trình dân dụng và công nghiệp, đặc biệt tại các khu vực có nguồn xỉ thép dồi dào như khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về bê tông cường độ cao, trong đó tập trung vào ba cấp cấu trúc của bê tông: vĩ mô, meso và vi mô. Cấu trúc vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu được xem là yếu tố quyết định đến tính chất cơ học của bê tông. Việc sử dụng cốt liệu xỉ thép với bề mặt nhám ráp và khả năng ngậm nước cao giúp cải thiện liên kết vùng chuyển tiếp, tăng cường độ bám dính và giảm lỗ rỗng mao quản.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Nguyên tắc chế tạo bê tông cường độ cao: Gia tăng độ đặc chắc của bê tông bằng cách giảm tỷ lệ nước trên xi măng (N/X), sử dụng phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn để giảm lỗ rỗng, đồng thời tăng cường liên kết vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu.

• Ảnh hưởng của tính chất cốt liệu đến tính chất bê tông: Cốt liệu chiếm phần lớn thể tích bê tông, do đó kích thước hạt, hình dạng, độ hút nước và khối lượng thể tích của cốt liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ lưu động, cường độ và độ bền của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm: cốt liệu xỉ thép (EAF slag), độ sụt (slump), khối lượng thể tích (bulk density), độ hút nước (water absorption), thể tích lỗ rỗng (porosity), cường độ chịu nén (compressive strength), mô-đun đàn hồi (elastic modulus), và độ co ngót (shrinkage).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý luận và thực nghiệm, sử dụng các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN, TCXDVN) và quốc tế (ASTM, ACI) để đánh giá tính chất vật liệu và bê tông. Cỡ mẫu gồm các mẻ bê tông với cấp phối khác nhau: CP0 (không sử dụng xỉ thép), CP1 (thay thế 100% cốt liệu thô bằng xỉ thép), và CP2 (thay thế 100% cốt liệu thô và mịn bằng xỉ thép). Mỗi cấp phối được thử nghiệm với hai cường độ mục tiêu 60 MPa và 70 MPa.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và tính đại diện của vật liệu tại khu vực nghiên cứu. Các chỉ tiêu phân tích bao gồm độ sụt, khối lượng thể tích, độ hút nước, thể tích lỗ rỗng, cường độ nén theo tuổi bê tông (3, 7, 14, 28 ngày), mô-đun đàn hồi và độ co ngót được đo bằng phương pháp vòng thép hạn chế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2019, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thiết kế cấp phối, thi công mẫu thử, dưỡng hộ và thử nghiệm. Dữ liệu thu thập được xử lý thống kê để đánh giá ảnh hưởng của xỉ thép đến các tính chất của bê tông cường độ cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ lưu động và khối lượng thể tích: Độ sụt của hỗn hợp bê tông giảm khi tăng tỷ lệ xỉ thép, với độ sụt trung bình đạt khoảng 14 ± 2 cm theo thiết kế. Khối lượng thể tích của bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép lớn hơn từ 5% đến 8% so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, với giá trị khối lượng thể tích đạt khoảng 2,7 g/cm³.

2. Độ hút nước và thể tích lỗ rỗng: Bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép có độ hút nước thấp hơn 10-15% so với bê tông truyền thống, đồng thời thể tích lỗ rỗng hở giảm đáng kể, góp phần làm tăng độ đặc chắc và khả năng chống thấm của bê tông.

3. Cường độ chịu nén và mô-đun đàn hồi: Cường độ nén của bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép đạt 60 MPa và 70 MPa theo thiết kế, không có sự khác biệt đáng kể giữa điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (ngâm nước) và dưỡng hộ trong không khí khô. Mô-đun đàn hồi của bê tông xỉ thép cao hơn khoảng 20-30% so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, đạt giá trị từ 35.000 đến 40.000 MPa ở tuổi 28 ngày.

4. Độ co ngót của bê tông: Tiềm năng gây nứt do co ngót của bê tông sử dụng xỉ thép thấp hơn 15-20% so với bê tông truyền thống, nhờ khả năng ngậm nước và cung cấp nước nội sinh trong quá trình thủy hóa xi măng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả trên là do đặc tính vật lý và hóa học của xỉ thép, bao gồm bề mặt nhám ráp, độ xốp cao và khả năng ngậm nước tốt hơn cốt liệu tự nhiên. Điều này giúp cải thiện liên kết vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu, làm tăng độ bền và giảm lỗ rỗng mao quản trong bê tông.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả tương đồng, trong đó bê tông sử dụng xỉ thép có cường độ và độ bền kéo cao hơn hoặc tương đương bê tông truyền thống, đồng thời giảm thiểu hiện tượng co ngót và nứt bề mặt. Việc duy trì cường độ nén trong điều kiện dưỡng hộ không tiêu chuẩn cũng chứng tỏ tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế của bê tông xỉ thép.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phát triển cường độ nén theo thời gian, bảng so sánh độ hút nước và thể tích lỗ rỗng, cũng như biểu đồ mô-đun đàn hồi và hệ số co ngót giữa các cấp phối bê tông. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự ưu việt của bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng thay thế 100% cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép trong bê tông cường độ cao: Khuyến nghị các nhà thầu và chủ đầu tư sử dụng cấp phối CP2 trong các công trình có yêu cầu cường độ 60-70 MPa, nhằm tận dụng nguồn phế thải xỉ thép và giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên. Thời gian áp dụng đề xuất trong vòng 1-3 năm.

2. Sử dụng phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn: Để đảm bảo độ lưu động và giảm tỷ lệ nước trên xi măng, các nhà sản xuất bê tông nên phối hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo thế hệ mới và muội silic nhằm tăng cường cấu trúc bê tông, nâng cao độ bền và giảm co ngót. Chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

3. Thực hiện dưỡng hộ trong điều kiện không khí khô cho bê tông xỉ thép: Do bê tông sử dụng xỉ thép có khả năng duy trì cường độ trong điều kiện dưỡng hộ không tiêu chuẩn, các công trình có thể tiết kiệm chi phí và thời gian dưỡng hộ bằng cách áp dụng dưỡng hộ ngoài trời hoặc trong môi trường không cần ngâm nước liên tục. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu thi công.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép: Các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu cần phối hợp xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm soát chất lượng và hướng dẫn thi công cụ thể để đảm bảo tính đồng nhất và an toàn cho các công trình sử dụng vật liệu này. Thời gian thực hiện trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng xanh và bền vững.

2. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình dân dụng, công nghiệp: Thông tin về cấp phối, tính chất cơ lý và phương pháp dưỡng hộ giúp tối ưu hóa thiết kế và thi công bê tông cường độ cao, nâng cao chất lượng công trình.

3. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông thương phẩm: Nghiên cứu cung cấp hướng dẫn về lựa chọn vật liệu, phối trộn và kiểm soát chất lượng bê tông sử dụng xỉ thép, giúp mở rộng sản phẩm thân thiện môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường, xây dựng: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng chính sách tái chế phế thải công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ thép là gì và tại sao được sử dụng làm cốt liệu bê tông?
   Xỉ thép là sản phẩm phụ của quá trình luyện thép, có đặc tính cơ lý tốt, bề mặt nhám và khả năng ngậm nước cao. Khi nghiền thành cỡ hạt phù hợp, xỉ thép có thể thay thế cốt liệu tự nhiên, giúp tăng cường độ và giảm lỗ rỗng trong bê tông.

2. Bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép có đảm bảo cường độ yêu cầu không?
   Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông sử dụng xỉ thép đạt cường độ nén 60 MPa và 70 MPa theo thiết kế, tương đương hoặc cao hơn bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, đồng thời duy trì cường độ tốt trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau.

3. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tông như thế nào?
   Xỉ thép có khả năng ngậm nước và cung cấp nước nội sinh trong quá trình thủy hóa, giúp giảm độ co ngót và tiềm năng gây nứt của bê tông so với bê tông truyền thống, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

4. Có cần dưỡng hộ bê tông xỉ thép trong điều kiện đặc biệt không?
   Bê tông sử dụng xỉ thép có thể duy trì cường độ tốt ngay cả khi dưỡng hộ trong điều kiện không khí khô, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với phương pháp dưỡng hộ ngâm nước tiêu chuẩn.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế xây dựng?
   Các nhà thầu và nhà sản xuất cần phối hợp lựa chọn vật liệu, thiết kế cấp phối phù hợp, sử dụng phụ gia siêu dẻo và khoáng hoạt tính, đồng thời tuân thủ quy trình thi công và dưỡng hộ được đề xuất để đảm bảo chất lượng bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép.

Kết luận

• Xỉ thép là nguồn nguyên liệu thay thế hiệu quả cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông cường độ cao, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên.
• Bê tông sử dụng xỉ thép đạt cường độ nén 60 MPa và 70 MPa, có độ hút nước thấp, khối lượng thể tích lớn và mô-đun đàn hồi cao hơn bê tông truyền thống.
• Khả năng duy trì cường độ trong điều kiện dưỡng hộ không tiêu chuẩn và giảm tiềm năng gây nứt do co ngót là ưu điểm nổi bật của bê tông xỉ thép.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách hỗ trợ ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép trong xây dựng dân dụng và công nghiệp.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, mở rộng thử nghiệm thực tế và phổ biến ứng dụng trong ngành xây dựng.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà sản xuất vật liệu xây dựng nên xem xét áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm bê tông cường độ cao thân thiện môi trường, góp phần xây dựng nền công nghiệp xây dựng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tên luận văn Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa tốc độ phát triển của ngành xây dựng cũng không ngừng tăng nhanh, với hàng loạt các công trình xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu cơ sở vật chất. Bên cạnh sự phát triển của ngành xây dựng ngành công nghiệp luyện kim cũng phát triển để đáp ứng nhu cầu kịp thời của ngành xây dựng.

Do đó các phế thải của ngành luyện kim ngày càng nhiều, và trở thành một vấn đề môi trường cho xã hội. Mặt khác với số lượng công trình ngày càng nhiều nên nhu cầu về nguyên liệu như cát, đá cũng tăng lên đáng kể. Hiện nay, theo một số khảo sát cho thấy nguồn nguyên liệu cát, đá tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt do khai thác quá mức dẫn đến thiếu nguồn nguyên liệu. Đứng trước tình hình đó chính phủ đã đưa ra chủ trương ưu tiên cho việc tái chế tái sử dụng và xử lý chất thải rắn nhằm giảm thiểu khối lượng chất thải vừa hạn chế ô nhiễm môi trường vừa hạn chế việc khai thác cát, đá thiên nhiên.

Vì vậy, việc tận dụng xỉ thép làm nguồn nguyên liệu thay thế cát đá trong sản suất bê tông là vô cùng cần thiết. Đây chính là các lý do để tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép”. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu khả năng thay thế cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông bằng xỉ thép, sự ảnh hưởng của xỉ thép các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao, đến cường độ của bê tông trong điều kiện dưỡng hộ khác nhau. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng có liên quan đến việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông.

- Nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài. - Nghiên cứu các tính chất của nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng xỉ thép. 1 - Khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao: độ sụt, khối lượng thể tích, độ hút nước, thể tích lỗ rỗng, sự phát triển cường độ của bê tông dùng cốt liệu xỉ thép trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau, ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tông. Đối tượng nghiên cứu 5.

Đối tượng nghiên cứu Hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép. Phạm vi nghiên cứu - Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ lưu động của hỗn hợp bê tông cường độ cao. - Ảnh hưởng của xỉ thép đến khối lượng thể tích của bê tông cường độ cao. - Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ hút nước và thể tích lỗ rỗng hở của bê tông cường độ cao.

- Ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ của bê tông cường độ cao trong điều kiện bảo dưỡng khác nhau. - Ảnh hưởng của xỉ thép đến Mô-đun đàn hồi của bê tông cường độ cao. - Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tông cường độ cao. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận kết hợp với thực nghiệm, đánh giá dựa trên các phương pháp thử tiêu chuẩn theo quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN, TCXDVN, TCN) cũng như quốc tế (ASTM, ACI…).

Sử dụng một số phương pháp phi tiêu chuẩn thường được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu xây dựng để xác định các tính chất kỹ thuật của các mẫu vật liệu. Cơ sở khoa học và thực tiễn - Làm đặc vữa xi măng, giảm lượng nước thừa (tỷ lệ N/X nhỏ) sử dụng phụ gia siêu dẻo. - Gia tăng của vùng chuyền bề mặt (hồ xi măng - cốt liệu): dưỡng hộ trong cấu trúc cốt liệu cung cấp nước tăng bám dính vùng liên kết, bề mặt cốt liệu xỉ thép có tính chất nhám ráp. - Sử dụng các kết quả nghiên cứu của PGS.TS Trần Văn Miền – Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh trong những năm gần đây.

Kết quả đạt được Xỉ thép được phân tích tính chất cơ lý và hóa học, sau đó, xỉ thép được sử dụng để thay thế 100% lần lượt cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông cường độ cao cho cường độ nén 60MPa và 70MPa. Kết quả cho thấy bê tông cường độ cao cốt liệu xỉ thép có độ hút nước nhỏ, có khối lượng thể tích lớn hơn bê tông cốt liệu cát đá thông thường. Thêm vào đó, cường độ của bê tông sử dụng xỉ thép trong điều kiện để khô ngoài không khí tương đương khi dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (ngâm trong nước), tiềm năng gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép thấp hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu cát đá thông thường. Giới thiệu về xỉ thép [1] 1.

Quá trình hình thành Xỉ thép là sản phẩm phụ trong ngành công nghiệp luyện kim, là phế phẩm trong quá trình tinh chế kim loại không nguyên chất hoặc quá trình sản xuất kim loại từ quặng sắt. Các tạp chất sét và cát thường có trong quặng sắt, vì vậy, một hàm lượng đá vôi thích hợp nhất định thường được cho vào cùng với quặng sắt vào lò nung khi sản xuất. Trong quá trình nung giữa quặng sắt và đá vôi có phản ứng tạo thành các hợp chất silicat canxi, silicat alumin và silicat aluminate canxi magie. Các hợp chất nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao.

Các hợp chất nóng chảy này có khối lượng riêng nhỏ hơn so với gang nổi lên trên, được tháo ra ngoài, được gọi là xỉ.1 dưới đây là hình ảnh bãi xỉ của Công ty TNHH Vật liệu xanh. Bãi xỉ của Công ty TNHH Vật liệu xanh Trên thế giới hiện nay, thép được sản xuất bằng hai công nghệ chính: Công nghệ lò cao đúc liên tục và công nghệ lò điện hồ quang. Phần lớn thép được sản xuất ở trong nước bằng công nghệ lò điện hồ quang - đúc liên tục. Nguyên liệu sử dụng trong lò hồ quang điện là sắt, thép và các phế liệu để luyện thép.

Người ta sử dụng một số chất trợ dung và vôi để đưa vào lò luyện kim loại, mục đích để tách các tạp chất có trong vật liệu kim loại đầu vào, khi luyện thép đến nhiệt độ trên 4 1600°C thép đầu vào sẽ nóng chảy nằm ở dưới và xỉ thép sẽ nổi lên trên. Xỉ thép sẽ được tháo ra khỏi lò và được làm nguội sau đó được chuyển đến bãi chứa xỉ để xử lý, tái chế. Quy trình sản xuất xỉ thép của lò hồ quang điện được mô tả như hình 1. Quy trình sản xuất xỉ thép lò điện hồ quang [33] 5 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.

Nhà máy sử dụng công nghệ S3R (Stainless Steel Scrap Recovery) của Hofung Technology Co. Công nghệ này chủ yếu tách sắt trong xỉ thép có chứa nhiều sắt. Đặc điểm [1] Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng thể tích lớn hơn so với đá tự nhiên và xỉ lò cao. Chúng có khả năng nở do chứa vôi, oxýt magiê tự do trong thành phần.

Chất lượng và khối lượng thể tích, mức độ nở của xỉ thép khác nhau tùy thuộc vào nhà máy thép và quy trình tinh luyện thép. Xỉ thép có đặc tính cơ lý được so sánh bằng và tốt hơn cốt liệu tự nhiên. Do đó, xỉ thép được nghiên cứu để thay thế các cốt liệu có nguồn gốc tự nhiên như cát, đá nhằm vệ môi trường và tiết kiệm nguyên liệu.3 dưới đây mô tả hình dạng và kích thước lỗ rỗng bê trong cốt liệu xỉ thép. a) Hình dạng xỉ thép b) Lỗ rỗng trong xỉ thép Hình 1.

Hình dạng và kích thước lỗ rỗng bê trong cốt liệu xỉ thép [1] Xỉ thép được xử lý qua nghiền sàng thành các cỡ hạt khác nhau tương tự như với cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông. Xỉ thép trước đây được xem như một loại phế thải, mất nhiều chi phí để xử lý. Nhưng bây giờ xỉ thép được coi là nguyên liệu đầu vào cho sản phẩm khác, đặc biệt dùng cho lĩnh vực xây dựng, hạ tầng. Phân loại Xỉ thép phân làm hai loại chính là xỉ lò hồ quang điện (EAF) và xỉ lò thổi (BOF):  Xỉ lò hồ quang điện (EAF): lò hồ quang điện sử dụng điện cực để làm tăng nhiệt độ nhằm nung chảy và tinh luyện nguyên liệu (thép phế, gang cục).

Xỉ lò 6 hồ quang điện được chở ra bãi và làm nguội chậm bằng không khí tự nhiên. Một tấn thép khi tinh luyện thải ra khoảng 100-150kg xỉ.  Xỉ lò thổi (BOF): Xỉ lò thổi được tạo ra trong quá trình luyện thép trong lò thổi. Gang tạo ra từ lò cao, có tính cứng và dòn do chứa các tạp chất như C, Si, Mn, P.

Xỉ lò thổi được làm nguội chậm bằng không khí tự nhiên, hoặc phun nước tại bãi chứa. Một tấn thép khi tinh luyện thải ra khoảng 100-150kg xỉ. Trong nghiên cứu này lấy xỉ thép từ lò hồ quang điện tại nhà máy của Công ty TNHH Vật liệu xanh, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Thành phần hóa của xỉ thép EAF [8] Xỉ thép thường chứa thành phần chủ yếu là canxi oxit (CaO), oxit (Fe2O3) và silic oxit (SiO2).

Xỉ thép lò thổi chứa thêm các thành phần khác là magiê oxit (MgO) và mangan oxit (MnO). Thành phần khoáng của xỉ thép EAF [8] Các nghiên cứu cho thấy thành phần kháng của xỉ thép EAF gồm nhiều khoáng khác nhau, cụ thể như sau:  W: Wustite (FeO);  CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2,C2S và 3CaO.SiO2, C3S);  B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);  M: Mayenite (12CaO.7Al2O3,C12A7);  P: Khe rỗng và thép. Khoáng CS trong xỉ thép là loại khoáng chất có trong thành phần khoáng của xi măng Portland, hợp chất khoáng bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Tricalcium Aluminate (C3Al), Dicalcium Silicate (C2S). Ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng [8] Theo thống kê ở châu Âu 85% lượng xỉ BOS (Basic Oxygen Steelmaking slag) đã được tái sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong đó 42% được ứng dụng trong xây dựng.

Còn ở Đức trong số 70% lượng xỉ EAF (Electric Arc Furnace slag) thì 66% được ứng dụng trong xây dựng còn lại 4% ứng dụng cho các mục đích khác nhau. Trong lĩnh vực xây dựng xỉ được sử dụng chủ yếu làm cốt liệu cho bê tông và phụ gia khoáng chế tạo bê tông xi măng. Theo thống kê tại Nhật Bản, lượng xỉ thép được thải ra cho một tấn thép là 130kg và đối với sản xuất gang là 290kg.