Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến và quan trọng trong các công trình dân dụng và công nghiệp trên toàn thế giới. Theo ước tính, ngành bê tông cung ứng hàng năm từ 8 đến 12 tỷ tấn sản lượng, trong khi khai thác cốt liệu như đá vôi và cát tăng nhanh, gây áp lực lớn lên tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Tại Việt Nam, nhu cầu xây dựng tăng cao dẫn đến tình trạng khan hiếm cát vàng, giá thành tăng và khai thác cát trái phép gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và địa tầng sông ngòi. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu thay thế cát trong bê tông là cấp thiết nhằm giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng xỉ thép – một phế phẩm công nghiệp chiếm khoảng 15-25% sản lượng thép luyện – để thay thế một phần cát trong hỗn hợp bê tông. Việt Nam hiện có hơn 30 nhà máy luyện thép, với sản lượng thép dự kiến đạt khoảng 18 triệu tấn vào năm 2025, tương ứng với khoảng 1-1,5 triệu tấn xỉ thép thải ra mỗi năm. Việc tận dụng nguồn xỉ thép này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn có tiềm năng cải thiện tính chất cơ học của bê tông.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của việc thay thế một phần cát bằng xỉ thép trong cấp phối bê tông đến các chỉ tiêu cơ lý như cường độ chịu nén, chịu kéo, chịu uốn và modul đàn hồi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bê tông cấp B20, với các tỷ lệ thay thế xỉ thép lần lượt là 20%, 40% và 60% theo khối lượng cát, thực hiện tại phòng thí nghiệm với nguyên liệu lấy từ các nhà máy luyện thép và mỏ cát, đá tại các địa phương trong nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm áp lực khai thác tài nguyên và nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu xây dựng và bê tông cốt liệu thay thế, bao gồm:

  • Lý thuyết cấu trúc bê tông: Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của bê tông, đặc biệt là vai trò của cốt liệu mịn như cát và vật liệu thay thế.
  • Mô hình cấp phối bê tông: Sử dụng phương pháp tra bảng kết hợp thực nghiệm để xác định thành phần cấp phối bê tông phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo độ sụt, cường độ và tính công tác.
  • Khái niệm vật liệu pozzolanic: Xỉ thép chứa các khoáng chất tương tự xi măng Portland như Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông.
  • Tính chất cơ lý của xỉ thép: Bao gồm khối lượng riêng cao hơn đá tự nhiên 20-25%, độ pH kiềm (10-11), độ xốp 31-45%, và khả năng chịu mài mòn, chịu thời tiết tốt, ảnh hưởng đến tính ổn định và độ bền của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông được chế tạo trong phòng thí nghiệm với nguyên liệu gồm xỉ thép lấy từ nhà máy luyện thép Phú Mỹ 1 (Bà Rịa - Vũng Tàu), cát vàng và đá dăm từ các mỏ địa phương. Cỡ mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, gồm mẫu lăng trụ Ø10x20 cm để xác định cường độ chịu nén và kéo gián tiếp, mẫu lăng trụ Ø15x30 cm để đo modul đàn hồi, và mẫu hình chữ nhật 10x10x40 cm để xác định cường độ chịu uốn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế cấp phối bê tông B20 theo phương pháp tra bảng kết hợp thực nghiệm, với các tỷ lệ thay thế cát bằng xỉ thép lần lượt 20%, 40%, 60%.
  • Giảm hàm lượng xi măng tương ứng 5%, 10%, 15% để đánh giá ảnh hưởng đồng thời của xỉ thép và xi măng đến tính chất bê tông.
  • Thí nghiệm đo độ sụt hỗn hợp bê tông theo TCVN 3016:1993 để đánh giá tính công tác.
  • Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén theo TCVN 5574-2012, cường độ chịu uốn theo TCVN 6355:1998, cường độ chịu kéo gián tiếp theo phương pháp ép chẻ.
  • Phân tích dữ liệu bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và bậc hai để xác định tỷ lệ thay thế tối ưu.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian dưỡng hộ mẫu từ 7 đến 90 ngày, đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Cỡ mẫu thí nghiệm đảm bảo tính đại diện và độ chính xác, với số lượng mẫu đủ để kiểm soát sai số không vượt quá 15%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thép đến cường độ chịu nén: Khi thay thế cát bằng xỉ thép ở mức 40%, cường độ chịu nén của bê tông đạt giá trị cao nhất, vượt khoảng 10-15% so với bê tông truyền thống không sử dụng xỉ. Tuy nhiên, khi hàm lượng xỉ thép vượt quá 40%, cường độ chịu nén giảm mạnh, giảm khoảng 20% ở mức 60% thay thế.

  2. Cường độ chịu kéo và uốn: Tương tự cường độ nén, cường độ chịu kéo khi uốn và kéo gián tiếp của bê tông cũng đạt giá trị tối ưu tại tỷ lệ thay thế 40%, tăng khoảng 12-18% so với bê tông chuẩn. Khi vượt quá tỷ lệ này, các chỉ tiêu này giảm rõ rệt, cho thấy sự mất ổn định trong cấu trúc bê tông.

  3. Modul đàn hồi: Modul đàn hồi của bê tông sử dụng xỉ thép thay thế cát tăng nhẹ ở mức 40% thay thế, đạt khoảng 5-7% so với bê tông truyền thống, góp phần cải thiện khả năng chịu biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên, modul đàn hồi giảm khi tỷ lệ xỉ vượt quá 40%.

  4. Ảnh hưởng của giảm hàm lượng xi măng: Việc giảm xi măng từ 5% đến 15% trong cấp phối có xu hướng làm giảm cường độ bê tông, nhưng khi kết hợp với tỷ lệ xỉ thép thay thế 40%, cường độ vẫn duy trì ở mức chấp nhận được, cho thấy khả năng tiết kiệm xi măng mà không ảnh hưởng lớn đến chất lượng bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng cường độ bê tông ở tỷ lệ thay thế 40% là do xỉ thép có thành phần khoáng chất pozzolanic tương tự xi măng, giúp tăng cường phản ứng thủy hóa và cải thiện cấu trúc vi mô của bê tông. Ngoài ra, kích thước hạt và tính chất cơ lý của xỉ thép giúp tăng độ kết dính và giảm độ rỗng trong bê tông.

Khi tỷ lệ xỉ vượt quá 40%, sự giản nở thể tích do calcium và magnesium oxides trong xỉ thép gây ra hiện tượng nứt và giảm tính liên kết, làm giảm cường độ bê tông. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng tỷ lệ thay thế tối ưu thường không vượt quá 40-50%.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của Wei Wu và cộng sự (2010) về hiệu quả tối ưu của tỷ lệ thay thế xỉ thép dưới 40%. Đồng thời, việc giảm hàm lượng xi măng kết hợp với xỉ thép giúp giảm chi phí và tác động môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bê tông bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ xỉ thép và các chỉ tiêu cường độ, modul đàn hồi, giúp trực quan hóa xu hướng tăng giảm và xác định tỷ lệ tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ thay thế xỉ thép 40% trong cấp phối bê tông B20 nhằm tối ưu hóa cường độ chịu nén, chịu kéo và uốn, đồng thời giảm chi phí nguyên liệu và bảo vệ môi trường. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và nhà sản xuất bê tông.

  2. Kết hợp giảm hàm lượng xi măng từ 5-10% khi sử dụng xỉ thép để tiết kiệm nguyên liệu và giảm phát thải CO2 trong sản xuất xi măng, đảm bảo chất lượng bê tông không bị ảnh hưởng đáng kể. Thời gian áp dụng: trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất xi măng và bê tông.

  3. Xây dựng quy trình xử lý và phân loại xỉ thép chuẩn hóa nhằm đảm bảo tính ổn định thể tích và kích thước hạt phù hợp cho bê tông, giảm thiểu hiện tượng giản nở và nứt. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà máy luyện thép và đơn vị cung cấp vật liệu xây dựng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng mở rộng xỉ thép trong các cấp phối bê tông khác nhau, đặc biệt bê tông cường độ cao và bê tông nhẹ, nhằm đa dạng hóa nguồn vật liệu thay thế cát. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý khai thác cát và khuyến khích sử dụng vật liệu tái chế, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

  2. Các nhà thầu và doanh nghiệp sản xuất bê tông: Tham khảo để áp dụng công nghệ thay thế cát bằng xỉ thép, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm bê tông.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng mới, đào tạo sinh viên và nghiên cứu khoa học.

  4. Các nhà máy luyện thép và đơn vị xử lý phế thải công nghiệp: Hướng dẫn tận dụng hiệu quả nguồn xỉ thép thải ra, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo giá trị kinh tế từ phế phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép là gì và tại sao có thể thay thế cát trong bê tông?
    Xỉ thép là phế phẩm từ quá trình luyện thép, chứa các khoáng chất tương tự xi măng như CaO, SiO2, FeOx. Với tính chất cơ lý tốt và kích thước hạt phù hợp, xỉ thép có thể thay thế một phần cát trong bê tông, giúp cải thiện cường độ và giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên.

  2. Tỷ lệ thay thế xỉ thép tối ưu trong bê tông là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thay thế 40% theo khối lượng cát là tối ưu, giúp tăng cường độ chịu nén, kéo và uốn của bê tông. Tỷ lệ vượt quá 40% có thể làm giảm chất lượng bê tông do hiện tượng giản nở thể tích.

  3. Việc sử dụng xỉ thép có ảnh hưởng đến chi phí sản xuất bê tông không?
    Việc thay thế cát bằng xỉ thép giúp giảm chi phí nguyên liệu do xỉ thép là phế phẩm giá rẻ hơn cát tự nhiên. Đồng thời, giảm hàm lượng xi măng cũng góp phần tiết kiệm chi phí và giảm phát thải môi trường.

  4. Xỉ thép có gây ảnh hưởng xấu đến môi trường khi sử dụng trong bê tông không?
    Xỉ thép được xử lý và phân loại kỹ lưỡng trước khi sử dụng, loại bỏ các tạp chất độc hại. Việc sử dụng xỉ thép trong bê tông giúp giảm lượng phế thải công nghiệp và hạn chế khai thác cát, góp phần bảo vệ môi trường.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại bê tông khác không?
    Kết quả nghiên cứu chủ yếu áp dụng cho bê tông cấp B20, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể mở rộng nghiên cứu cho các cấp bê tông khác, đặc biệt bê tông cường độ cao hoặc bê tông nhẹ, tùy theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ thay thế xỉ thép 40% trong cấp phối bê tông B20 là tối ưu, giúp tăng cường độ chịu nén, kéo, uốn và modul đàn hồi so với bê tông truyền thống.
  • Việc kết hợp giảm hàm lượng xi măng từ 5-10% khi sử dụng xỉ thép vẫn đảm bảo chất lượng bê tông, góp phần tiết kiệm nguyên liệu và giảm phát thải môi trường.
  • Xỉ thép có tính chất cơ lý và hóa học phù hợp để sử dụng làm cốt liệu thay thế cát, đồng thời giúp giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý phế thải công nghiệp hiệu quả.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi tỷ lệ thay thế 40% xỉ thép trong sản xuất bê tông, đồng thời xây dựng quy trình xử lý và phân loại xỉ thép chuẩn hóa để đảm bảo chất lượng bê tông.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các cấp bê tông khác, phát triển công nghệ xử lý xỉ thép và triển khai thực tế trong các dự án xây dựng nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường trong ngành xây dựng.