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.