Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng xi măng trong ngành xây dựng Việt Nam gia tăng mạnh mẽ theo tiến trình đô thị hóa và phát triển hạ tầng. Theo Quyết định số 1488/QĐ-TTg, nhu cầu xi măng cả nước đạt 54 đến 55 triệu tấn vào năm 2011 và dự báo chạm mốc 113 đến 115 triệu tấn vào năm 2030, buộc các đơn vị sản xuất phải nhập khẩu khoảng 4 triệu tấn clinker mỗi năm. Trong khi đó, ngành công nghiệp luyện thép tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thải ra lượng xỉ rắn rất lớn, dao động từ 110 kg đến 180 kg trên mỗi tấn phôi thép. Với sản lượng phôi toàn tỉnh đạt khoảng 1,25 triệu tấn mỗi năm tại các nhà máy lớn như Thép Miền Nam, Thép Phú Mỹ và Thép Việt, lượng xỉ phát sinh thực tế ước tính từ 376 tấn đến 616 tấn mỗi ngày. Khối lượng chất thải khổng lồ này chủ yếu bị đổ đống hoặc đem chôn lấp tại bãi rác tập trung Tóc Tiên, gây lãng phí quỹ đất và ô nhiễm nguồn nước mặt ngập mặn.

Nhằm hiện thực hóa mục tiêu tái chế 70% chất thải rắn theo Quyết định số 798/QĐ-TTg và Nghị định số 59/2007/NĐ-CP, đề tài tập trung nghiên cứu tận dụng hạt xỉ lò điện luyện thép nghiền mịn làm phụ gia khoáng hoạt tính thay thế một phần xi măng trong bê tông xi măng mặt đường ô tô. Mục tiêu cụ thể là xác định tỷ lệ thay thế tối ưu từ 10% đến 15% cho các mác bê tông 25 MPa, 30 MPa và 35 MPa, đánh giá chỉ tiêu cường độ nén, kéo uốn và độ chống thấm. Nghiên cứu triển khai thực nghiệm trong năm 2011 kết hợp thi công thí điểm tuyến đường thực tế tại xã Mỹ Xuân, huyện Tân Thành. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp giảm 10% đến 15% lượng clinker tiêu thụ, cắt giảm tới 44% lượng khí thải carbon dioxide so với sản xuất xi măng truyền thống và tiết kiệm chi phí vật liệu làm đường từ 5% đến 8%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thể tích tuyệt đối kết hợp phương pháp tính toán cấp phối bê tông Bôlomay – Ckramkaep từ Liên bang Nga. Nguyên lý cốt lõi xác định tổng thể tích tuyệt đối của các vật liệu cấu thành bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu mịn và cốt liệu thô trong 1 mét khối bê tông đặc chắc bằng đúng 1000 lít. Mối quan hệ giữa tỷ lệ nước trên xi măng và cường độ chịu nén 28 ngày được hiệu chỉnh theo các hệ số chất lượng vật liệu tiêu chuẩn.

Song song đó, đề tài vận dụng thuyết phản ứng thủy hóa thứ cấp của phụ gia khoáng puzolanic và xỉ lò luyện kim. Hạt xỉ thép sau khi nấu chảy ở nhiệt độ 1400°C đến 1600°C sở hữu thành phần hóa học giàu canxi oxit (30% đến 50%), silic đioxit (28% đến 38%) và nhôm oxit (8% đến 24%). Các khoáng hoạt tính như ghilenit, akemanit và merwinit trong xỉ nghiền mịn phản ứng dần với canxi hydroxit tự do sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng poóc lăng, tạo nên các hợp chất canxi silicat hydrat (C-S-H) thứ cấp bền vững. Cơ chế này củng cố cấu trúc vi mô của đá xi măng, lấp đầy các mao quản rỗng và cải thiện sức kháng mỏi của tấm bê tông theo tiêu chuẩn thiết kế mặt đường cứng 22 TCN 233-1995.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vật liệu phục vụ nghiên cứu được tuyển chọn kỹ lưỡng bao gồm: xi măng Holcim PCB40 có khối lượng riêng 3,10 g/cm3 và thời gian đông kết kết thúc 179 phút; cát vàng Tân Châu có mô đun độ lớn 2,20 và độ hút nước 0,38%; đá dăm Hóa An có đường kính hạt lớn nhất 20 mm và khối lượng riêng 2,781 g/cm3; xỉ hạt lò điện từ Nhà máy Thép Miền Nam được sấy khô và nghiền mịn bằng bộ cối chày Proctor đạt cỡ hạt lọt sàng 0,075 mm theo TCVN 4030:2003.

Quy trình thực nghiệm áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng có đối chứng chặt chẽ. Tổng cỡ mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm gồm 189 mẫu nén lập phương kích thước 15x15x15 cm (135 mẫu có phụ gia xỉ, 45 mẫu đối chứng thông thường và 9 mẫu kiểm tra hiện trường) được theo dõi qua 5 mốc thời gian: 7, 14, 28, 60 và 90 ngày tuổi theo TCVN 3118:1993. Đồng thời, 75 mẫu dầm kích thước 15x15x60 cm được đúc để thử nghiệm cường độ kéo khi uốn tại 28 và 60 ngày tuổi theo TCVN 3119:1993. Lý do lựa chọn các mốc thí nghiệm kéo dài đến 90 ngày nhằm phản ánh chính xác quy luật phát triển cường độ muộn của phụ gia khoáng xỉ, khắc phục hiện tượng đánh giá sai lệch nếu chỉ căn cứ vào tuổi sớm 7 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm cơ lý cho thấy tốc độ phát triển cường độ của bê tông sử dụng phụ gia khoáng xỉ thép mang tính chất chậm ở giai đoạn đầu nhưng bứt phá mạnh mẽ ở độ tuổi dài ngày. Tại 7 ngày tuổi, mẫu bê tông mác 30 MPa sử dụng 10%, 12% và 15% xỉ chỉ đạt cường độ nén lần lượt là 22,13 MPa, 20,45 MPa và 18,90 MPa, thấp hơn khoảng 10% đến 22% so với mẫu bê tông đối chứng không dùng xỉ. Tuy nhiên, đến 60 ngày tuổi, mẫu 30 MPa chứa 10% và 12% xỉ đã đạt mức 35,13 MPa và 34,80 MPa, tương đương 98% đến 100% cường độ mẫu đối chứng tiêu chuẩn. Đến 90 ngày tuổi, các cấp phối xỉ 10% và 12% duy trì độ tăng trưởng ổn định, bù đắp hoàn toàn độ hụt ban đầu.

Về khả năng chịu kéo khi uốn của bê tông mặt đường mác 35 MPa ở 60 ngày tuổi, mẫu sử dụng 10% xỉ đạt giá trị suy giảm không đáng kể (chỉ chênh lệch 2% so với mẫu đối chứng), trong khi mẫu 12% xỉ chênh lệch khoảng 9%. Ngược lại, cấp phối thay thế 15% xỉ bộc lộ sự suy giảm cường độ uốn rõ rệt lên đến 16%. Đáng chú ý nhất là chỉ tiêu chống thấm nước theo TCVN 3116:1993: các tổ mẫu sử dụng 10% và 12% phụ gia xỉ mác 30 MPa đều xuất sắc đạt cấp chống thấm B12, vượt trội hơn mẫu bê tông thông thường vốn chỉ đạt cấp B10 dưới áp lực nước tiêu chuẩn.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng cường độ sớm ở 7 ngày tuổi phát triển chậm bắt nguồn từ việc lượng clinker ban đầu bị cắt giảm, khiến hàm lượng ion canxi hòa tan trong dung dịch lỗ rỗng chưa đủ kích hoạt màng thủy tinh bao quanh hạt xỉ. Khi quá trình thủy hóa xi măng giải phóng nhiều canxi hydroxit tự do, phản ứng pozzolanic thứ cấp mới bùng phát mạnh mẽ từ sau 28 ngày, liên tục sinh ra khoáng C-S-H lấp đầy các vi mao quản có kích thước từ 20 nm đến 50 nm. Điều này lý giải vì sao cấu trúc đá xi măng trở nên đặc sít vượt bậc, nâng cấp chống thấm từ B10 lên B12.

Dữ liệu thí nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua biểu đồ đường biểu diễn động học phát triển cường độ nén từ 7 đến 90 ngày và bảng so sánh ma trận tương quan giữa tỷ lệ thay thế phụ gia với cường độ kéo uốn. Các phát hiện này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế tại Nhật Bản và Đức, nơi xỉ lò cao và xỉ lò điện hồ quang được ứng dụng đến 42% trong xây dựng hạ tầng cảng biển và móng công trình tải trọng lớn. Tỷ lệ thay thế lý tưởng 10% đến 12% xỉ nghiền mịn đã chứng minh khả năng duy trì độ bền uốn của mặt đường giao thông nông thôn mà không làm suy giảm các tiêu chuẩn an toàn chịu lực.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thúc đẩy việc áp dụng phụ gia xỉ thép vào thực tiễn xây dựng mặt đường ô tô, các giải pháp mang tính chiến lược và lộ trình cụ thể được đề xuất:

  • Ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật cơ sở về thiết kế cấp phối bê tông xi măng mặt đường bổ sung 10% đến 12% xỉ thép nghiền mịn, do Sở Giao thông Vận tải phối hợp với Sở Xây dựng tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thực hiện trong giai đoạn 2024–2025 nhằm chuẩn hóa quy trình kiểm soát độ sụt từ 3 cm đến 4 cm.
  • Xây dựng dây chuyền chế biến, sấy khô và nghiền mịn xỉ thép với công suất 150.000 tấn/năm đặt tại Khu xử lý chất thải tập trung Tóc Tiên, do các nhà máy luyện thép liên danh đầu tư trước năm 2026 nhằm bảo đảm hạt xỉ đạt độ mịn qua sàng 0,075 mm trên 95%.
  • Áp dụng chính sách miễn giảm 100% phí bảo vệ môi trường đối với khối lượng chất thải rắn (mức phí 40.000 VNĐ/tấn) cho các doanh nghiệp thu gom và tái chế xỉ thép làm vật liệu hạ tầng giao thông, do UBND tỉnh ban hành trong vòng 12 tháng tới.
  • Quy định bắt buộc kéo dài thời gian bảo dưỡng ẩm liên tục lên tối thiểu 14 đến 21 ngày đối với các đoạn tuyến đường bê tông dùng phụ gia xỉ, do các ban quản lý dự án cấp huyện giám sát 100% trên công trường để đảm bảo phản ứng thủy hóa muộn diễn ra triệt để.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu cung cấp nền tảng lý luận và thực nghiệm giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình giao thông: Ứng dụng trực tiếp bảng thành phần cấp phối bê tông mác 25, 30 và 35 MPa bổ sung 10% đến 12% xỉ hạt để tính toán kết cấu áo đường cứng theo tiêu chuẩn 22 TCN 233-1995 cho các khu vực ngập mặn.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và xây dựng: Tham khảo các luận cứ khoa học để xây dựng chính sách quản lý 340 đến 600 tấn xỉ thải phát sinh mỗi ngày, hoàn thiện quy hoạch kinh tế tuần hoàn cấp tỉnh.
  • Chủ đầu tư trạm trộn bê tông và nhà máy sản xuất vật liệu: Tối ưu hóa chi phí sản xuất, hạ giá thành 1 mét khối bê tông thương phẩm từ 6% đến 9% bằng cách thay thế một phần clinker đắt đỏ bằng phế phẩm công nghiệp.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng: Sử dụng nguồn số liệu 189 mẫu nén và 75 mẫu uốn làm tư liệu học thuật phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về vi cấu trúc bê tông phụ gia khoáng.

Câu hỏi thường gặp

Xỉ thải từ các nhà máy luyện thép có chứa kim loại nặng gây độc hại cho môi trường xung quanh hay không? Xỉ thép được tháo ra từ lò luyện ở nhiệt độ cực cao từ 1400°C đến 1600°C nên toàn bộ tạp chất hữu cơ và chất bay hơi đều bị tiêu hủy hoàn toàn. Các kim loại nằm dưới dạng phức silicat trơ bền vững, kết quả phân tích hóa học cho thấy không phát hiện cadmi hay thủy ngân rò rỉ ra nguồn nước ngầm.

Tỷ lệ thay thế xỉ thép vào bê tông xi măng làm mặt đường ô tô bao nhiêu phần trăm là đạt hiệu quả kỹ thuật tối ưu? Tỷ lệ thay thế tối ưu dao động từ 10% đến 12% khối lượng xi măng. Ở tỷ lệ này, bê tông mác 30 MPa đạt cấp chống thấm B12 và cường độ nén 60 ngày đạt 35,13 MPa, trong khi mức thay thế 15% làm suy giảm cường độ kéo uốn tới 16%.

Tại sao cường độ của bê tông có phụ gia xỉ thép ở 7 ngày tuổi lại thấp hơn bê tông xi măng thông thường? Bản chất của hạt xỉ thép là phụ gia khoáng thủy hóa chậm. Ở giai đoạn 7 ngày đầu, clinker xi măng chưa giải phóng đủ lượng canxi hydroxit để phá vỡ màng thụ động của xỉ, khiến phản ứng puzolanic chưa diễn ra mạnh mẽ cho đến sau 28 ngày tuổi.

Bê tông sử dụng phụ gia khoáng xỉ thép có phù hợp cho các tuyến đường ven biển hoặc vùng đất nhiễm phèn hay không? Rất phù hợp. Nhờ cấu trúc vi mô dày đặc đạt cấp chống thấm B12, bê tông phụ gia xỉ ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của ion sunfat và clo, đặc biệt thích hợp cho nền đường ngập mặn tại vịnh Gành Rái và đảo Long Sơn.

Việc ứng dụng phụ gia xỉ thép nghiền mịn mang lại lợi ích kinh tế cụ thể như thế nào cho dự án giao thông? Giải pháp giúp giảm 10% đến 15% lượng xi măng tiêu thụ, tiết kiệm chi phí xử lý chôn lấp 40.000 VNĐ cho mỗi tấn xỉ thải và hạ giá thành vật liệu bê tông mặt đường khoảng 5% đến 8% trên mỗi mét vuông hoàn thiện.

Kết luận

  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của việc nghiền mịn xỉ thải lò điện Bà Rịa – Vũng Tàu làm phụ gia khoáng hoạt tính thay thế 10% đến 12% xi măng trong bê tông mặt đường ô tô.
  • Nâng cao độ đặc chắc của cấu trúc đá xi măng, nâng cấp chống thấm từ B10 lên B12 và bảo đảm cường độ nén mác 30 MPa đạt 35,13 MPa ở 60 ngày tuổi.
  • Mở ra lời giải triệt để cho bài toán xử lý 376 đến 616 tấn xỉ thải mỗi ngày, giảm thiểu phát thải 44% khí nhà kính trong chuỗi sản xuất vật liệu.
  • Định hướng mở rộng nghiên cứu sang bê tông cường độ cao trên 40 MPa và khảo sát độ bền xâm thực mỏi dưới tác động xe tải nặng trong giai đoạn 2025–2027.
  • Kêu gọi các đơn vị quản lý hạ tầng và nhà thầu xây dựng chủ động ứng dụng vật liệu xanh từ xỉ thép để tối ưu hóa ngân sách và thúc đẩy công trình bền vững.