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.