Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sử dụng xỉ thép thay thế cát trong hỗn hợp bê tông

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu sử dụng xi thép thay thế một phần cát trong hỗn hợp bê tông, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Vinh
• Người hướng dẫn: Thầy Lê Anh Thắng
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ và khối lượng thể tích của bê tông sử dụng xỉ thép thay thế một phần cát có trong cấp phối
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP
• 2.1. Khái quát về xỉ thép
• 2.2. Tính chất hoá học của xỉ thép
• 2.3. Tính chất cơ lý của xỉ thép
• 2.4. Ưu điểm của xỉ thép
• 2.5. Vai trò của xỉ thép
• 2.6. Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
• 2.6.1. Phương pháp tra bảng
• 2.6.2. Phương pháp tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên vật liệu
• 3.1.1. Cốt liệu lớn
• 3.1.2. Cốt liệu nhỏ
• 3.2. Thiết kế thành phần cấp phối
• 3.3. Quy trình thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thay thế cát và hàm lượng giảm xi măng đến cường độ chịu nén
• 4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng XTC đến cường độ chịu kéo
• 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng XTC đến cường độ chịu uốn
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng XTC đến modul đàn hồi
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng xỉ thép thay thế cát trong bê tông

Nghiên cứu sử dụng xỉ thép thay thế cát trong bê tông đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành xây dựng. Với sự gia tăng nhu cầu về vật liệu xây dựng và sự khan hiếm của cát tự nhiên, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững là cần thiết. Xỉ thép không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn cải thiện một số tính chất cơ học của bê tông. Nghiên cứu này sẽ phân tích các lợi ích và thách thức khi sử dụng xỉ thép trong bê tông.

1.1. Tình hình khai thác cát và nhu cầu vật liệu xây dựng

Khai thác cát tự nhiên đang gặp nhiều khó khăn do các quy định nghiêm ngặt và tình trạng khai thác trái phép. Nhu cầu về cát trong xây dựng ngày càng tăng, dẫn đến việc tìm kiếm các nguồn vật liệu thay thế như xỉ thép. Việc sử dụng xỉ thép không chỉ giúp giảm thiểu áp lực lên nguồn tài nguyên thiên nhiên mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng xỉ thép trong bê tông

Sử dụng xỉ thép trong bê tông mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm chi phí vật liệu, cải thiện cường độ và độ bền của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thay thế cát bằng xỉ thép có thể nâng cao cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông, đồng thời giảm thiểu lượng cát cần sử dụng.

II. Vấn đề và thách thức khi sử dụng xỉ thép trong bê tông

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc sử dụng xỉ thép trong bê tông cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như sự giản nở thể tích và mật độ phân tử khối cao của xỉ thép có thể ảnh hưởng đến chất lượng bê tông. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để đánh giá tác động của xỉ thép đến các tính chất cơ học của bê tông.

2.1. Sự giản nở thể tích của xỉ thép

Sự giản nở thể tích của xỉ thép là một vấn đề quan trọng cần được xem xét. Khi tiếp xúc với độ ẩm, xỉ thép có thể tạo ra calcium hydroxide, dẫn đến sự giản nở không mong muốn trong bê tông. Điều này có thể làm giảm độ bền và tuổi thọ của công trình.

2.2. Mật độ phân tử khối cao của xỉ thép

Mật độ phân tử khối cao của xỉ thép có thể làm tăng trọng lượng của bê tông, dẫn đến chi phí vận chuyển cao hơn. Cần có các giải pháp để điều chỉnh tỷ lệ sử dụng xỉ thép nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

III. Phương pháp nghiên cứu sử dụng xỉ thép trong bê tông

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý thuyết tính toán để đánh giá ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ và modul đàn hồi của bê tông. Các mẫu bê tông được chế tạo với tỷ lệ thay thế cát bằng xỉ thép từ 20% đến 60%. Kết quả sẽ được phân tích để đưa ra các khuyến nghị cho việc sử dụng xỉ thép trong xây dựng.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và quy trình thực hiện

Quy trình thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị các mẫu bê tông với tỷ lệ xỉ thép khác nhau. Các mẫu sẽ được kiểm tra cường độ chịu nén, chịu kéo và độ bền uốn để đánh giá hiệu quả của việc thay thế cát bằng xỉ thép.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ xỉ thép và các tính chất cơ học của bê tông. Các số liệu sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành để đánh giá tính khả thi của việc sử dụng xỉ thép trong thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về xỉ thép

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng xỉ thép thay thế cát trong bê tông có thể cải thiện cường độ chịu nén và chịu kéo. Các mẫu bê tông với 40% xỉ thép cho kết quả tốt nhất về cường độ. Việc áp dụng xỉ thép trong xây dựng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

4.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng bê tông sử dụng xỉ thép có cường độ chịu nén cao hơn so với bê tông truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng xỉ thép có thể là một giải pháp hiệu quả để thay thế cát trong bê tông.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng

Việc áp dụng xỉ thép trong xây dựng đã được thực hiện tại một số dự án lớn. Các nhà thầu đã ghi nhận sự cải thiện về chất lượng bê tông và giảm thiểu chi phí vật liệu. Điều này mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng bền vững.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu về xỉ thép

Nghiên cứu về việc sử dụng xỉ thép thay thế cát trong bê tông đã chỉ ra nhiều lợi ích tiềm năng. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại. Tương lai của ngành xây dựng có thể được cải thiện đáng kể nếu xỉ thép được áp dụng rộng rãi hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng xỉ thép có thể cải thiện cường độ và độ bền của bê tông. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm bê tông mới với chất lượng cao hơn.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần có các nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa tỷ lệ sử dụng xỉ thép trong bê tông. Việc phát triển các tiêu chuẩn và quy định liên quan đến việc sử dụng xỉ thép sẽ giúp thúc đẩy ứng dụng của nó trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xây dựng toàn cầu tiêu thụ khoảng 8 đến 12 tỷ tấn bê tông mỗi năm, kéo theo áp lực khai thác tài nguyên khoáng sản tự nhiên vô cùng lớn. Tại Việt Nam, nhu cầu xây dựng hạ tầng đô thị tăng trưởng nhanh đã đẩy sản lượng khai thác cát vàng và đá tự nhiên lên mức báo động. Việc khai thác cát quá mức gây sạt lở bờ sông, biến đổi dòng chảy và phá vỡ cân bằng hệ sinh thái tại nhiều địa phương, dẫn đến sự khan hiếm nguồn cung và giá cát biến động mạnh từ năm 2017. Song song đó, ngành luyện kim trong nước với hơn 30 nhà máy thép thải ra khoảng 1 đến 1,5 triệu tấn xỉ thép mỗi năm, dự kiến quy mô sản xuất thép sẽ chạm mốc 18 triệu tấn/năm. Nguồn phế phẩm công nghiệp này chiếm dụng diện tích đất bãi thải lớn và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường đất, nước nếu không được tái chế hợp lý.

Xuất phát từ thực tiễn trên, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tận dụng xỉ thép lò điện hồ quang (xỉ EAF) từ Khu công nghiệp Phú Mỹ 1 (tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu) để thay thế một phần cát sông trong cấp phối bê tông mác B20. Mục tiêu trọng tâm là xác định hàm lượng thay thế tối ưu theo các tỷ lệ 20%, 40% và 60%, kết hợp khảo sát khả năng cắt giảm từ 5% đến 15% lượng xi măng nhằm hạ giá thành và giảm phát thải carbon. Phạm vi thực nghiệm đánh giá toàn diện các chỉ tiêu cơ lý bao gồm cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ và modul đàn hồi ở tuổi 28 ngày. Ý nghĩa của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu đến 40% nhu cầu khai thác cát tự nhiên, đồng thời cải thiện cường độ nén của bê tông lên hơn 13% và cường độ kéo gián tiếp tăng hơn 112%, mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng xanh và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết phản ứng thủy hóa của chất kết dính vô cơ và lý thuyết cấu trúc chèn chặt cốt liệu trong bê tông xi măng. Thành phần hóa học của xỉ thép EAF phát sinh từ quá trình luyện thép ở nhiệt độ 1600°C chứa hơn 80% các oxit chính gồm Canxi Oxit (CaO), Silic Dioxit (SiO2) và Oxit Sắt (FexOy). Bản chất khoáng vật của xỉ thép chứa các khoáng hoạt tính tương tự clinker xi măng Portland như Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và Brownmillerite (C4AF). Nhờ đó, xỉ thép mịn đóng vai trò như một phụ gia khoáng hoạt tính puzolanic, tham gia vào phản ứng thủy hóa thứ cấp tạo gel Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) giúp lèn chặt vi cấu trúc đá xi măng.

Các khái niệm cơ bản được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: xỉ thép lò điện hồ quang (EAF Slag), tỷ lệ thể tích lỗ rỗng, phản ứng nở thể tích do hydrat hóa CaO và MgO tự do, cùng chỉ số khối lượng thể tích của cốt liệu. Xỉ thép có khối lượng riêng từ 3,0 đến 3,8 g/cm3, nặng hơn cát sông tự nhiên (2,65 g/cm3) từ 20% đến 25%, độ pH dao động từ 10 đến 11 và độ xốp từ 31% đến 45%. Mô hình tương tác giữa bề mặt góc cạnh của hạt xỉ nghiền và hồ xi măng đóng vai trò cốt lõi giải thích sự gia tăng lực dính kết tại vùng chuyển tiếp cốt liệu - vữa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình chế tạo và thí nghiệm phá hủy trên hơn 72 tổ mẫu bê tông tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm phân tầng được áp dụng để khảo sát hai nhóm cấp phối: nhóm thứ nhất cố định hàm lượng xi măng và thay thế cát bằng xỉ thép ở các mức 0%, 20%, 40%, 60%; nhóm thứ hai đồng thời giảm lượng xi măng (5%, 10%, 15%) kết hợp các tỷ lệ xỉ thép tương ứng. Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm phân tách rõ ràng ảnh hưởng độc lập của xỉ thép và khả năng bù đắp cường độ khi chủ động cắt giảm chất kết dính.

Quy trình thử nghiệm tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn hiện hành:

• Xác định cường độ chịu nén trên mẫu lăng trụ trụ tròn đường kính 10 cm, chiều cao 20 cm theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012.
• Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng phương pháp ép chẻ với tốc độ gia tải 3,5 MPa/s theo tiêu chuẩn TCVN 8862:2011.
• Xác định cường độ chịu kéo khi uốn 3 điểm trên mẫu dầm kích thước 10 x 10 x 40 cm theo tiêu chuẩn TCVN 6355:1998.
• Xác định modul đàn hồi tĩnh trên mẫu lăng trụ kích thước 15 x 30 cm theo tiêu chuẩn TCVN 5276:1993 kết hợp hệ thống cảm biến chuyển vị vi sai dọc trục và nở ngang.
• Quan sát cấu trúc vi mô qua ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng phương pháp hồi quy giải tích bình phương bé nhất để xây dựng phương trình đường cong bậc hai mô tả biến thiên cường độ với độ tin cậy thống kê đạt trên 90%, loại bỏ các sai số thô theo tiêu chuẩn TCVN 4548:2009.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên các tổ mẫu bê tông tuổi 28 ngày mang lại những phát hiện quan trọng:

• Cường độ chịu nén đạt giá trị tối ưu tại mức thay thế 40% xỉ thép cho cát. Đối với cấp phối mác B20 giữ nguyên lượng xi măng, cường độ chịu nén tăng từ 25,73 MPa (mẫu đối chứng 0% xỉ) lên mức đỉnh 29,43 MPa (tăng 13,00%). Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng xỉ lên 60%, cường độ nén suy giảm rõ rệt khoảng 10,20% so với mức cực đại.
• Cường độ kéo gián tiếp (ép chẻ) ghi nhận mức cải thiện vượt bậc, tăng từ 1,74 MPa ở mẫu đối chứng lên 3,70 MPa tại tỷ lệ 40% xỉ thép (tăng 112,64%). Khi vượt ngưỡng 40% lên 60% xỉ, cường độ kéo ép chẻ giảm mạnh 35,00%.
• Cường độ chịu kéo khi uốn tăng tỷ lệ thuận với cường độ nén, đạt giá trị 10,11 MPa tại mức 40% xỉ thép (tăng 13,63% so với mẫu đối chứng đạt 8,90 MPa) trước khi hạ xuống 9,07 MPa tại mức 60% xỉ.
• Modul đàn hồi của bê tông xỉ thép dao động ổn định trong khoảng 23,16 đến 25,00 GPa, tăng 8,00% khi bổ sung 40% xỉ thép, hoàn toàn tương thích với các giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 2. Đồng thời, khối lượng thể tích của bê tông tăng lên trên 2901 kg/m3 do khối lượng riêng của xỉ đạt 3,80 g/cm3.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp bê tông đạt tính chất cơ lý vượt trội tại hàm lượng 40% xỉ thép nằm ở hình thái vi mô của hạt xỉ. Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt hạt xỉ sau khi nghiền sàng có độ nhám cao, nhiều góc cạnh sắc nhọn giúp tăng cường lực ma sát và diện tích tiếp xúc với hồ xi măng. Các khoáng C2S và C3S trên bề mặt xỉ thúc đẩy phản ứng tạo tinh thể C-S-H lấp đầy các vi lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông. Tuy nhiên, khi hàm lượng xỉ vượt quá 40%, tính háo nước tự nhiên của bột xỉ cùng diện tích bề mặt riêng quá lớn đã hấp thụ một lượng nước đáng kể, làm cản trở quá trình thủy hóa hoàn toàn của xi măng. Đồng thời, lượng hồ xi măng trong cấp phối không còn đủ để bao bọc kín toàn bộ cốt liệu, dẫn đến sự hình thành các khuyết tật vi mô làm suy giảm khả năng chịu lực.

Về phương diện trực quan hóa dữ liệu, mối quan hệ giữa hàm lượng xỉ thay thế cát và các chỉ tiêu cường độ được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị hàm hồi quy bậc hai dạng Parabol úp. Đỉnh của đường cong phân bố chính xác tại tọa độ 40% xỉ. Bảng tổng hợp cấp phối chỉ ra rằng khi giảm 5% xi măng, việc bổ sung 17% xỉ thép vẫn bảo đảm bê tông đạt cường độ thiết kế mác B20. Nếu giữ nguyên lượng xi măng và thay thế 37% cát bằng xỉ thép, bê tông có thể nâng cấp độ bền từ B20 (mác 250) lên thẳng B22.5 (mác 300).

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp kỹ thuật và lộ trình ứng dụng vật liệu xỉ thép được đề xuất như sau:

• Hoàn thiện quy trình tiền xử lý và ổn định thể tích xỉ thép: Các doanh nghiệp luyện kim phối hợp với cơ sở sản xuất vật liệu tiến hành lưu bãi ngoài trời, kết hợp hệ thống phun nước ẩm cưỡng bức trong thời gian tối thiểu 3 đến 6 tháng trước quý IV/2026. Quá trình này giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nở thể tích do hydrat hóa vôi tự do (free-CaO) và oxit magie (free-MgO).
• Thiết lập định mức cấp phối thay thế chuẩn 40% tại các trạm trộn bê tông: Các đơn vị cung ứng bê tông thương phẩm cần áp dụng tỷ lệ thay thế từ 35% đến 40% cát sông bằng xỉ thép EAF đã qua sàng phân loại hạt mịn dưới 5 mm cho các dòng bê tông mác B20 đến B22.5 trong giai đoạn 2026 - 2028, giúp tiết kiệm 10% đến 15% chi phí cốt liệu mịn.
• Tối ưu hóa hàm lượng xi măng kết hợp: Kỹ sư thiết kế thành phần bê tông cần chủ động giảm 5% lượng xi măng PC40 và bù đắp bằng 17% bột xỉ thép mịn nhằm duy trì cường độ nén 20 MPa, giúp giảm tiêu hao từ 15 đến 25 kg xi măng trên mỗi mét khối bê tông, cắt giảm phát thải khí nhà kính ngay trong năm 2026.
• Ban hành hướng dẫn kỹ thuật và tiêu chuẩn chuyên ngành: Cơ quan quản lý nhà nước như Bộ Xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng cần sớm ban hành Tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) về yêu cầu kỹ thuật đối với xỉ thép EAF dùng làm cốt liệu cho bê tông kết cấu trước năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ và chuyên viên kiểm soát chất lượng (QC/QA) tại các trạm trộn bê tông: Ứng dụng trực tiếp bảng tra cấp phối tối ưu 40% xỉ thép nhằm nâng cao mác bê tông từ B20 lên B22.5 mà không làm tăng chi phí sản xuất, đồng thời kiểm soát độ sụt thực tế trong phạm vi 8 đến 12 cm.
• Nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng: Khai thác ưu điểm về độ mài mòn cao và khối lượng thể tích lớn (trên 2900 kg/m3) của bê tông xỉ thép để ứng dụng vào các hạng mục móng công trình, kè đê chắn sóng, kết cấu chịu tải trọng nặng và mặt đường giao thông.
• Doanh nghiệp sản xuất thép và các nhà quản lý môi trường công nghiệp: Tham khảo phương án công nghệ biến 1 đến 1,5 triệu tấn xỉ thải EAF mỗi năm thành nguồn nguyên liệu xây dựng có giá trị kinh tế, giải phóng diện tích bãi chứa phế thải và nâng cao hình ảnh doanh nghiệp xanh.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Vật liệu Xây dựng: Sử dụng tài liệu làm cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu chuyên sâu về vi cấu trúc SEM, mô hình hồi quy bậc hai và ứng xử đàn hồi của bê tông theo tiêu chuẩn TCVN và Eurocode 2.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tỷ lệ thay thế cát bằng xỉ thép tối ưu lại dừng lại ở mức 40%?

Hàm lượng 40% xỉ thép tạo ra tỷ lệ phân bố cỡ hạt tối ưu, giúp bề mặt góc cạnh của xỉ liên kết hoàn hảo với hồ xi măng và đạt cường độ nén đỉnh 29,43 MPa. Vượt quá mức 40%, diện tích bề mặt riêng lớn và tính háo nước của bột xỉ làm thiếu hụt lượng nước thủy hóa, khiến cường độ nén giảm khoảng 10,20%.

Sự nở thể tích của xỉ thép do CaO và MgO tự do được xử lý ra sao trong thực tế?

Xỉ thép EAF sau khi đập thô qua máy kẹp hàm được lưu bãi lộ thiên và phun nước bảo dưỡng định kỳ từ 3 đến 6 tháng. Quá trình này kích hoạt phản ứng hydrat hóa cưỡng bức chuyển hóa toàn bộ CaO và MgO tự do thành dạng hydroxit ổn định trước khi đưa vào phối trộn bê tông.

Bê tông sử dụng xỉ thép có làm tăng tải trọng công trình quá nhiều không?

Khối lượng thể tích của bê tông xỉ thép tăng khoảng 15% đến 20%, đạt mức trên 2900 kg/m3 do khối lượng riêng của xỉ nặng hơn cát tự nhiên. Do đó, vật liệu này thích hợp nhất cho các kết cấu móng, đê kè, sàn công nghiệp hoặc cấu kiện đúc sẵn cần độ ổn định trọng lực cao.

Có thể giảm hàm lượng xi măng khi sử dụng xỉ thép thay thế cát không?

Hoàn toàn khả thi. Bằng cách giảm 5% lượng xi măng PC40 và phối trộn 17% xỉ thép thay cát, bê tông vẫn đạt cường độ chịu nén tương đương mác B20 tiêu chuẩn nhờ hoạt tính khoáng tương tự xi măng có sẵn trong thành phần xỉ EAF.

Xỉ lò điện hồ quang (EAF) có chứa chất thải nguy hại hay kim loại độc hại không?

Xỉ EAF được tách ra khỏi quá trình luyện thép ở nhiệt độ lên tới 1600°C. Ở mức nhiệt độ vượt ngưỡng 1200°C, toàn bộ các hợp chất hữu cơ và chất độc hại dễ bay hơi đều bị tiêu hủy hoàn toàn, tạo nên cấu trúc khoáng vô cơ trơ và an toàn với môi trường.

Kết luận

• Xác lập tỷ lệ cấp phối tối ưu với 40% xỉ thép EAF thay thế cát tự nhiên, giúp cường độ nén đạt 29,43 MPa (tăng 13%) và cường độ kéo gián tiếp đạt 3,70 MPa (tăng 112,64%).
• Xây dựng thành công phương trình hồi quy bậc hai mô tả biến thiên cường độ với độ tin cậy thống kê trên 90%, cho phép nâng cấp độ bền bê tông từ B20 lên B22.5 khi dùng 37% xỉ thép.
• Chứng minh tính khả thi của giải pháp tiết kiệm 5% hàm lượng xi măng kết hợp 17% xỉ thép mà vẫn bảo đảm yêu cầu chịu lực thiết kế của bê tông mác B20.
• Đóng góp giải pháp công nghệ tuần hoàn vật liệu, mở ra thị trường tiêu thụ cho 1 đến 1,5 triệu tấn xỉ thép công nghiệp phát sinh hàng năm tại Việt Nam.
• Cung cấp luận cứ khoa học về cơ chế vi cấu trúc SEM và tương quan biến dạng đàn hồi theo tiêu chuẩn TCVN và Eurocode 2 phục vụ thiết kế kết cấu.

Trong giai đoạn 2026 - 2027, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng đánh giá độ bền lâu của bê tông xỉ thép trong môi trường xâm thực biển và chu kỳ ăn mòn ion clo. Các doanh nghiệp xây dựng và chủ đầu tư hãy tiên phong ứng dụng giải pháp bê tông xỉ thép ngay hôm nay để đón đầu xu hướng công trình xanh và tối ưu hóa chi phí đầu tư bền vững!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu Đi cùng với sự phát triển của một quốc gia, là quy mô cũng như mức độ đa dạng của kết cấu công trình, trong đó bê tông là một trong những vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Theo ước tính sau năm 2010, ngành bê tông cung ứng hàng năm từ 8 đến 12 tỷ tấn sản lượng (U.gov, accessed Nov 2008). Theo ước tính trung bình trong 25 năm qua, việc khai đá vôi tăng với tỷ lệ hàng năm khoảng 3,3%. Khai thác cốt liệu tăng dưới 1%.

Dựa vào những con số này, đến năm 2020, dự kiến sản lượng đá vôi khai thác tăng 20%, đạt khoảng 1,6 tỷ tấn. Trong khi đó sản lượng khai thác đá và cát tăng 14%, đạt 1,1 tỷ tấn. Về bản chất, lượng đá vôi khai thác được sản xuất trong 20 năm tới sẽ bằng với số lượng của tất cả các loại đá được sản xuất trong thế kỷ trước đó, ước tính khoảng 36,5 tỷ tấn. Chính bởi điều này, sản lượng khai thác đá vôi, phục vụ nhu cầu sản xuất xi măng ngày một lớn, dẫn đến những tác động môi trường nghiêm trọng, bao gồm những tác động trực tiếp và gián tiếp, ngắn hạn và lâu dài, những tác động tiềm ẩn và tích luỹ, những tác động có thể khắc phục hoặc không thể khắc phục có tiềm năng lớn gây suy thoái, ô nhiễm môi trường khu vực.

Ảnh hưởng xấu này đặt ra một vấn đề cấp bách là giảm khai thác nguồn tài nguyên đá vôi, mà có thể giải quyết trước mắt là giảm lượng xi măng trong bê tông, và tìm được nguồn nguyên liệu thân thiện môi trường để thay thế. Với hơn 70% cốt liệu thô gồm cát vàng và đá là thành phần chính trong sản phẩm bê tông, đống vai trò quyết định đến cường độ, độ bền và chất lượng sản phẩm. Do đó, việc thay thế vật liệu tư nhiên này luôn là một thách thức. Có thể thấy, một khó khăn tồn động lâu nay ở Việt Nam, cát vàng được biết đến là cốt liệu được sử dụng rất phổ biến để chế tạo bê tông do đặc tính kỹ thuật phù hợp với các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành.

Tuy nhiên, do nhu cầu xây dựng ngày càng cao, mà lượng cát vàng ngày một trở nên khan hiếm và giá thành cao. Giá cát bị đẩy lên 1 vào khoảng giữa năm 2017. Nguyên nhân một phần là do các địa phương ngăn chặn việc khai thác cát lậu, nguồn tài nguyên cát vàng chỉ có giới hạn ở một số địa phương nhất định, dẫn đến việc khai thác vượt ngưỡng cho phép, làm ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái cảnh quan và tác động xấu đến địa tầng và dòng chảy của sông. Chính điều này, hàng loạt các chính sách được đưa ra bởi Nhà nước liên quan đến quản lý việc khai thác cát để tránh làm ảnh hưởng đến môi trường.

Tránh gây sạt lở, ảnh hưởng đến dòng chảy, ảnh hưởng đến người dân sống hai bên bờ sông. Nhiều nhà nghiên cứu trong nước đã và đang đi tìm các giải pháp để thay thế cát. Xuất phát từ gợi ý của một nhà thầu xây dựng, báo cáo nghiên cứu thay thế một phần cát bằng xỉ thép.1 Tình trạng khai thác cát trái phép tại địa phương Trong khi đó, xỉ thép được biết đến là nguồn phế phẩm công nghiệp tương đối lớn, không thể tránh được trong quá trình sản xuất, chiếm đến 15-25% sản lượng thép. Theo thống kê 2009, quốc gia đứng đầu trong công nghiệp luyện thép là Trung Quốc đạt sản lượng gần 740 triệu tấn.

Phạm vi trong nước, có hơn 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động. Sản lượng thép ở Việt Nam năm 2007 khoảng 12 triệu tấn/năm và dự kiến sẽ đạt khoảng 18 triệu tấn/năm vào năm 2025. Như vậy, mỗi năm, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy luyện thép trên cả nước sẽ lên đến 1 - 1,5 triệu tấn. Điều này gây nên khó khăn trong tài nguyên đất, đất bị chiếm dụng để chôn lắp mà còn tác động xấu đến môi trường đất xung quanh khu vực xử lý xỉ thép 2 Xỉ thép tự nhiên Xỉ thép nghiền Xỉ thép sàn Hình 1.2 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại Khi ứng dụng xỉ thép trong xây dựng, hai vấn đề chính đối với cốt liệu xỉ thép là: sự giản nở thể tích và mật độ phân tử khối cao (khối lượng riêng lớn).

Vấn đề thứ nhất, dựa theo thành phần hóa học của xỉ thép, hai tạp chất không thể loại bỏ trong quá trình chế tạo xỉ thép là một tỷ lệ nhỏ calcium và magnesium oxides. Những calcium và magnesium oxides chưa bị loại bỏ này sau khi đưa ra khỏi môi trường, tiếp xúc với không khí ẩm xảy ra quá trình hydrat. Quá trình hydrat hóa tạo calcium hydroxide làm giản nở thể tích, điều này đặc trưng cho sự tồn tại tự do của pha khí có trong xỉ thép. Sự giản nở này khiến việc sử dụng xỉ thép để chế tạo vật liệu có tính ổn định cao như bê tông cường độ cao là không phù hợp (Rao, 2006).

Vấn đề thứ hai, lật độ phân tử khối cao, dẫn đến xỉ có khối lượng riêng nặng hơn các loại đá tự nhiên như đá bazan, granit hoặc đá vôi. Do đó, khối lượng riêng của bê tông xỉ thép có trọng lượng lớn hơn 15, 25% so với bê tông OPC, làm cho khối lượng bê tông xỉ nặng hơn bê tông OPC rất chiều, chính điều này được xem là yêu tố bất lợi kinh tế khi thành phẩm bê tông và chị phí phận chuyển rất lớn. Tuy nhiên khi sử dụng xỉ thép với định lượng phù hợp trong cấp phối bê tông đã được chứng mình mang lại hiệu quả cao đối với việc giải quyết một số vấn đề ngành công nghiêp bê tông, vừa tận dụng được lượng phế phẩm dồi dào xỉ thép, thay cho tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt, làm giảm chi phí cho quá trình xử lý và các tổn thất về năng lượng để tạo ra nguồn xỉ, giảm thiểu được phần diện tích đất kho bãi để lưu trử, mà còn phải kể đến khả năng cả thiện được đặc tính cơ học, vật 3 liệu và hóa học của vật liệu này. việc sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu xỉ vào chế tạo bê tông ở Việt Nam là nội dung phải triển bền vững 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Chen Meizhu (2007) làm việc với xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) và vữa để tạo các hạt đất lò cao, thạch cao, clinker.

Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng cát xỉ thép có thể giảm liều lượng xi măng clinker và tăng lượng thay thế phế phẩm công nghiệp sử dụng cát xỉ thép. Isa Yuksel (2006) sử dụng thử nghiệm xỉ hạt hạt lò cao thay cốt liệu mịn trong bê tông. Nghiên cứu kết luận rằng tỉ lệ GGBs/cát (Ground Granulated Blast Furnace Slag) được điều chỉnh theo tiêu chuẩn để đạt hiệu quả về đặc tính cường độ và độ bền. Juan Manso (2004) thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu sản xuất bê tông chất lượng tốt bằng cách oxy hoá xỉ EAF (Electric Arc Furnace) thay cho các cốt liệu mịn và thô.

Bê tông được thử nghiệm tính bền, độ ngậm nước, sự ngưng kết nhanh…Độ bền của bê tông xỉ EAF được tính toán có thể chấp nhận được, đặc biệt là ở các vùng địa lý sử dụng chúng, nơi nhiệt độ mùa đông hầu như không bao giờ giảm xuống dưới 32F (0˚C). Keun Hyeok Yang (2010) nghiên cứu các loại vữa kiềm hoạt tính và bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén của vữa kiềm hoạt tính giảm tuyến tính với sự gia tăng mức độ thay thế cốt liệu trọng lượng nhẹ, không phụ thuộc vào tỷ lệ chất kết dính và nước. Li Yun-feng cùng cộng sự (2010) tìm ra tác dụng của bột xỉ thép dựa trên tính dễ tạo hình và cơ học của bê tông.

Kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất cơ học có thể được cải thiện hơn nữa do tác dụng đồng thời và tương tác lẫn nhau khi trộn hỗn hợp các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lò cao trong bê tông. Chang-long Wang(2013) kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén của bê tông sử dụng xỉ thép thay thế cát có tương đương với bê tông truyền thống, ngoài ra nghiên cứu đánh giá được mức độ ảnh hưởng của xỉ thép đến độ sụt là cao nhất. 4 Jigar Patel (2006) nghiên cứu về xỉ thép đã chỉ ra rằng việc thay thế một số phần trăm cốt liệu tự nhiên bởi cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể nào về cường độ và lượng xỉ thép thay thế có thể đạt đến 70%. Tính khả thi của hỗn hợp bê tông là một vấn đề quan trọng đòi hỏi lượng nước giảm, tăng phụ gia để đạt giảm được độ sụt tối thiểu.

Kết quả cho thấy rằng khi thay thế khoảng 50- 75% cốt liệu xỉ thép cho cốt tự nhiên sẽ không gây hại cho bê tông và cũng không có bất kỳ tác dụng phụ về cường độ và độ bền. Yunxia Lun, Fang Xu (2008) xỉ thép được sử dụng như cốt liệu mịn để tăng cường ổn định khối lượng của vữa. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ bột của vôi tự do và tỷ lệ mở rộng tuyến tính có thể diễn đạt sự cải thiện ổn định khối lượng của các phương pháp ứng xử khác nhau. Quá trình sử dụng lò hấp trong tiến trình xử lý hơi nước đạt hiệu quả hơn trong việc tăng cường sự ổn định của khối lượng xỉ thép.

Thử nghiệm được thực hiện trên khối bê tông đã cho thấy hiệu quả của các phần thay thế cát bằng xỉ hạt (30%, 50%) và tổng lượng thay thế dựa trên sự tăng của độ bền nén. Kết quả kiểm tra cường độ chịu nén tại 3, 7, 28, 60 ngày và 5 tháng làm cứng bê tông, kết luận rằng lượng thay thế của cốt liệu thô tự nhiên với tinh xỉ ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo, độ bền uốn và nén của bê tông. Việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên có cốt liệu xỉ cho phép tăng cường độ dài hạn nhưng thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ. Saud Al-Otaibi (2008) đã nghiên cứu sử dụng thép tái chế tại các nhà máy cho cốt liệu mịn trong vữa xi măng.

Việc thay thế 40% thép tái chế cho cốt liệu mịn làm tăng cường độ nén đến 40%, co ngót khô thấp hơn khi sử dụng xỉ thép.