Tổng quan nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng thúc đẩy ngành luyện kim tăng trưởng vượt bậc, kéo theo lượng chất thải rắn phát sinh rất lớn. Trung bình mỗi tấn thép phôi sản xuất bằng công nghệ lò điện hồ quang phát sinh khoảng 120 đến 150 kg xỉ thép. Tại trung tâm luyện kim Bà Rịa – Vũng Tàu, với sản lượng phôi thép đạt 3,75 triệu tấn mỗi năm, khối lượng xỉ thép lò điện thải ra ước tính lên tới 412.500 tấn mỗi năm. Riêng Nhà máy Thép Việt và Nhà máy Thép Miền Nam thải ra lần lượt khoảng 300 tấn và 400 tấn xỉ mỗi ngày, khiến lượng xỉ tích lũy tại các bãi chứa sau năm 2014 vượt ngưỡng 900.000 tấn.

Song song với áp lực xử lý chất thải rắn, ngành xây dựng đang đối mặt với sự cạn kiệt nghiêm trọng nguồn cốt liệu tự nhiên. Các mỏ đá lớn tại Đông Nam Bộ dần hết hạn khai thác, điển hình như mỏ Hóa An đóng cửa từ cuối năm 2011, mỏ Tân Đông Hiệp chỉ còn trữ lượng 1.302 m3 đến cuối năm 2013, và cụm mỏ Phước Vĩnh, Tân Mỹ có tổng trữ lượng khai thác hạn chế khoảng 7.042 m3 đến năm 2016. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết mâu thuẫn giữa sự tích tụ chất thải công nghiệp và sự thiếu hụt tài nguyên khoáng sản tự nhiên.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu các tính chất cơ lý, hóa học, khoáng vật của cốt liệu xỉ lò điện nhằm đánh giá khả năng thay thế đá tự nhiên với tỷ lệ từ 20% đến 100% trong chế tạo bê tông xi măng mác 40 MPa. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 01/2014 đến tháng 06/2014 tại Thành phố Hồ Chí Minh và Bà Rịa – Vũng Tàu. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc hiện thực hóa định hướng tái chế 70% đến 75% chất thải rắn công nghiệp theo chính sách môi trường quốc gia, đồng thời giảm giá thành sản xuất bê tông từ 10% đến 15% và kéo dài tuổi thọ khai thác tài nguyên tự nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy hóa xi măng poóc lăng và cơ học vật liệu composite nền xi măng. Cơ chế đóng rắn của bê tông dựa trên động học phản ứng thủy hóa của các khoáng silicate canxi chính bao gồm alite ($C_3S$) và belite ($C_2S$), tạo thành mạng lưới tinh thể $C-S-H$ quyết định cường độ chịu lực. Vùng tiếp xúc chuyển tiếp giữa nền đá xi măng và bề mặt cốt liệu là yếu tố then chốt chi phối độ bền cơ học và độ đặc chắc của cấu trúc vi mô.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm:

  • Xỉ thép lò điện hồ quang (EAF Slag): Phụ phẩm nhân tạo giàu sắt, canxi và silic, hình thành trong quá trình nấu chảy thép phế liệu ở nhiệt độ trên 1600°C.
  • Cốt liệu xỉ (Đá xỉ và cát xỉ): Sản phẩm sau khi đập nghiền, phân loại hạt từ 4,75 mm đến 19 mm đối với đá xỉ và dưới 9 mm đối với cát xỉ.
  • Vùng tiếp xúc pha (Interfacial Transition Zone - ITZ): Miền ranh giới vi mô giữa bề mặt hạt xỉ thô và vữa xi măng đóng rắn.
  • Độ ổn định thể tích: Khả năng chống trương nở của cốt liệu khi các oxit tự do như canxi oxit và magie oxit phản ứng thủy hóa trong môi trường ẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm sử dụng xỉ lò điện từ hai đơn vị sản xuất lớn là Công ty Thép Miền Nam và Công ty Thép Việt, được gia công đập nghiền và ủ ẩm tại Công ty Vật Liệu Xanh. Xi măng sử dụng là xi măng Nghi Sơn PCB40 có khối lượng riêng 3,09 g/cm3 và diện tích bề mặt riêng Blaine đạt 3930 cm2/g. Cốt liệu tự nhiên đối chứng gồm đá dăm 5x20 mm và cát nghiền khai thác tại mỏ Tân Đông Hiệp kết hợp cát sông Tân Vạn.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập gồm 6 tổ hợp cấp phối: mẫu đối chứng chuẩn dùng 100% đá tự nhiên và 5 cấp phối thay thế đá xỉ với các tỷ lệ lần lượt 20%, 40%, 60%, 80%, 100% kết hợp 10% cát xỉ mịn. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện cơ lý theo tiêu chuẩn TCVN 7572 và ASTM C33.

Các phương pháp phân tích chuyên sâu được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng:

  • Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) và nhiễu xạ tia X (XRD) xác định thành phần nguyên tố oxit và cấu trúc pha khoáng vật.
  • Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) phân tích vi cấu trúc lỗ rỗng và miền tiếp xúc ITZ tại 90 ngày tuổi.
  • Phương pháp thử nghiệm cơ lý tiêu chuẩn (TCVN 3118, TCVN 3119, ASTM C131) kiểm tra cường độ nén, cường độ kéo uốn, độ mài mòn Los Angeles và độ bền sunfat $Na_2SO_4$.

Toàn bộ quá trình chuẩn bị nguyên liệu, đúc mẫu, bảo dưỡng thủy nhiệt và thử nghiệm diễn ra theo dòng thời gian chuẩn hóa từ ngày 20/01/2014 đến ngày 20/06/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chỉ tiêu cơ lý vượt trội của cốt liệu xỉ EAF: Đá xỉ sở hữu khối lượng riêng đạt 3,33 g/cm3, cao hơn 24,25% so với đá vôi tự nhiên (2,68 g/cm3). Độ cứng theo thang Mohs đạt cấp 7. Cường độ nén dập trong xi lanh quy về mác đá dăm đạt 140 MPa với tỷ lệ vỡ vụn chỉ 8,1% đến 8,5%. Độ mài mòn va đập Los Angeles của xỉ Thép Việt đạt 17,31% và xỉ Thép Miền Nam đạt 19,53%, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng khống chế 25% của cốt liệu loại 1 theo tiêu chuẩn ngành 22 TCN 249-1998.

  2. Đặc tính hỗn hợp bê tông tươi ổn định: Hỗn hợp bê tông sử dụng phụ gia giảm nước Grace D100 duy trì độ sụt tiêu chuẩn 100 mm mà không xuất hiện hiện tượng phân tầng hay tách nước. Khối lượng thể tích của bê tông tươi tăng dần theo hàm lượng xỉ, vượt mốc 2500 kg/m3 ở tỷ lệ thay thế 100% đá xỉ, xếp vào nhóm bê tông nặng cường độ cao.

  3. Sự phát triển cường độ chịu nén và chịu uốn: Ở tuổi 7 ngày, tất cả các tổ hợp cấp phối đều đạt và vượt mác thiết kế 40 MPa. Đến 28 ngày, cường độ nén của bê tông xỉ đạt từ 48,5 MPa đến 55,9 MPa. Đặc biệt, cường độ chịu uốn ở tuổi 28 ngày của các mẫu dùng cốt liệu xỉ cao hơn mẫu đối chứng từ 15,3% đến 21,8%, dao động từ 7,8 MPa đến 8,9 MPa.

  4. Độ bền môi trường và cấu trúc vi mô vững chắc: Độ giãn nở thể tích trong môi trường nước nóng 70°C và hơi ẩm 75°C kiểm soát ở mức 0,14%, triệt tiêu nguy cơ nứt nẻ do oxit tự do. Độ chống thấm đạt cấp B8 đến B12 theo TCVN 3116.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp cường độ uốn và độ bám dính của bê tông xỉ tăng cao nằm ở hình thái bề mặt thô ráp, nhiều góc cạnh và cấu trúc lỗ rỗng dạng tổ ong của hạt xỉ EAF. Khi trộn với vữa xi măng, khoáng alite ($C_3S$ chiếm 64,5%) và belite ($C_2S$ chiếm 10,7%) trong xi măng Nghi Sơn giải phóng lượng lớn tinh thể portlandite hydrat hóa, thẩm thấu sâu vào các hốc rỗng bề mặt hạt xỉ, tạo thành chốt ngàm cơ học cực kỳ bền vững.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, phát hiện này tương đồng với kết luận của Anastasiou và Papayianni (2006) khi ghi nhận cường độ 28 ngày tăng 21% cùng vùng tiếp xúc ITZ đồng nhất. Nghiên cứu của Abdulaziz (1996) tại Ả Rập Xê Út cũng xác nhận mô đun đàn hồi và độ bền kéo khi bửa của bê tông xỉ thép vượt trội so với sỏi cuội tự nhiên.

Dữ liệu phát triển cường độ cơ học được thể hiện trực quan qua đồ thị đường biểu diễn gia tăng ứng suất nén từ 3 ngày (34,6 MPa), 7 ngày (42,8 MPa), 28 ngày (52,5 MPa) đến 90 ngày (55,9 MPa). Đồng thời, biểu đồ cột so sánh độ hao mòn mài mòn thể hiện rõ sự suy giảm khối lượng mất mát của tổ hợp 100% xỉ thấp hơn 32% so với tổ hợp đá dăm tự nhiên, khẳng định khả năng làm việc bền bỉ trong môi trường ma sát cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuẩn hóa quy trình xử lý và ủ ẩm xỉ thép: Yêu cầu các nhà máy luyện cán thép và đơn vị chế biến chất thải rắn thực hiện nghiêm ngặt quy trình làm nguội nhanh bằng nước, sàng tuyển tách tạp chất sắt tự do bằng băng tải từ, và ủ ẩm lộ thiên liên tục từ 3 đến 6 tháng. Giải pháp này giúp thủy hóa hoàn toàn lượng canxi oxit và magie oxit tự do, đưa độ giãn nở thể tích về dưới 0,14% trước quý II/2025.

  2. Ứng dụng cấp phối thay thế 40% đến 60% đá xỉ trong bê tông thương phẩm: Khuyến nghị các trạm trộn bê tông tại khu vực Đông Nam Bộ áp dụng tỷ lệ thay thế từ 40% đến 60% đá xỉ kết hợp 10% cát xỉ để sản xuất bê tông mác 40 MPa và 50 MPa. Mục tiêu hạ giá thành vật liệu đầu vào từ 12% đến 15% trên mỗi mét khối bê tông, triển khai đồng bộ trong giai đoạn 2024–2026.

  3. Xây dựng Tiêu chuẩn Quốc gia cho cốt liệu xỉ lò điện: Đề nghị Bộ Xây dựng phối hợp với Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành TCVN quy định chi tiết các chỉ tiêu cơ lý, độ ổn định hóa học và phương pháp kiểm định xỉ EAF dùng cho bê tông xi măng trước năm 2026, hướng tới mục tiêu tái chế 80% xỉ thép công nghiệp.

  4. Triển khai thí điểm các công trình hạ tầng chịu tải trọng nặng: Giao Sở Giao thông Vận tải và các chủ đầu tư hạ tầng cảng biển ứng dụng bê tông xỉ vào thi công 50 km mặt đường giao thông khu công nghiệp, bãi chứa container và bờ kè chắn sóng thủy lợi chịu mài mòn mặn trong giai đoạn 2025–2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ vật liệu và giám đốc kỹ thuật trạm trộn bê tông: Tiếp cận công thức thiết kế cấp phối tối ưu mác 40 MPa, tính toán chính xác lượng phụ gia hóa học và kiểm soát độ sụt 100 mm nhằm tiết kiệm 10% chi phí nguyên liệu.

  2. Chủ doanh nghiệp luyện cán thép và đơn vị xử lý môi trường: Nắm bắt quy trình công nghệ nghiền phân loại kích cỡ hạt 4,75–19 mm và phương pháp ổn định hóa xỉ EAFs quy mô 300 đến 400 tấn mỗi ngày để thương mại hóa sản phẩm phụ phẩm công nghiệp.

  3. Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Vật liệu vô cơ: Khai thác tập dữ liệu thực nghiệm phân tích phổ XRD, ảnh chụp SEM miền tiếp xúc 90 ngày tuổi và cơ chế tương tác kiềm - silic để mở rộng nghiên cứu sang bê tông tự lèn và bê tông tính năng siêu cao.

  4. Cán bộ quản lý nhà nước tại Sở Xây dựng và Sở Tài nguyên Môi trường: Sử dụng số liệu khoa học để hoạch định chính sách cấp phép khai thác khoáng sản, giảm áp lực khai thác tại các mỏ đá tự nhiên và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn theo định hướng giảm phát thải ròng.

Câu hỏi thường gặp

Cốt liệu xỉ lò điện EAF có gây nứt vỡ bê tông do hiện tượng trương nở thể tích không?
Không xảy ra hiện tượng nứt vỡ nếu xỉ được xử lý đúng kỹ thuật. Các oxit tự do như canxi oxit và magie oxit dễ gây nở thể tích đã được thủy hóa hoàn toàn qua quá trình phun nước và ủ ẩm lộ thiên từ 1 đến 6 tháng. Kết quả thử nghiệm gia nhiệt ở 75°C ghi nhận độ giãn nở chỉ 0,14%, hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn kỹ thuật.

Bê tông sử dụng 100% đá xỉ có làm gia tăng tải trọng công trình quá mức không?
Khối lượng riêng của xỉ EAF là 3,33 g/cm3 khiến khối lượng thể tích bê tông tươi đạt trên 2500 kg/m3, nặng hơn bê tông thường khoảng 8% đến 12%. Đặc tính này là lợi thế vượt trội đối với các công trình cản trọng lực như đê chắn sóng, bến cảng, móng máy nặng hoặc tấm cản bức xạ, nhưng cần tính toán tải trọng phù hợp khi dùng cho khung nhà cao tầng.

Khả năng chịu mài mòn của bê tông cốt liệu xỉ lò điện đạt mức độ nào?
Khả năng chống mài mòn của bê tông xỉ cao hơn bê tông đá tự nhiên từ 25% đến 30%. Nhờ cốt liệu xỉ có độ cứng Mohs đạt cấp 7 và độ hao mòn Los Angeles chỉ từ 17,31% đến 19,53%, bề mặt bê tông hạn chế tối đa sự bong tróc khi chịu ma sát bánh xe tải trọng lớn.

Việc thay thế đá tự nhiên bằng cốt liệu xỉ có làm suy giảm cường độ chịu nén 28 ngày không?
Cường độ không những không suy giảm mà còn tăng trưởng ổn định. Ở tuổi 28 ngày, mẫu bê tông sử dụng cốt liệu xỉ đạt cường độ nén từ 48,5 MPa đến 55,9 MPa, vượt mác thiết kế 40 MPa nhờ liên kết vi cấu trúc ITZ cực kỳ đặc chắc giữa nền vữa xi măng và bề mặt nhám của hạt xỉ.

Thành phần oxit sắt cao trong xỉ lò điện có gây rỉ sét phá hủy cốt thép bên trong bê tông không?
Sắt trong xỉ EAF tồn tại dưới dạng hợp chất oxit sắt FeO (35,5% đến 40,1%) và $Fe_2O_3$ liên kết bền vững trong khoáng Wustite và Brownmillerite. Dung dịch chiết xuất từ cốt liệu duy trì môi trường kiềm pH từ 8,2 đến 11,5, kết hợp hàm lượng ion clo dưới 0,01%, tạo màng thụ động bảo vệ cốt thép an toàn tuyệt đối khỏi ăn mòn điện hóa.

Kết luận

  • Luận văn chứng minh tính khả thi tuyệt đối của việc thay thế từ 20% đến 100% đá tự nhiên bằng cốt liệu xỉ lò điện EAF trong sản xuất bê tông xi măng mác 40 MPa.
  • Cốt liệu xỉ sở hữu độ cứng Mohs cấp 7, độ mài mòn Los Angeles đạt 17,31% đến 19,53% và cường độ nén dập 140 MPa, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 7570 cho cốt liệu bê tông.
  • Cường độ chịu nén 28 ngày đạt từ 48,5 MPa đến 55,9 MPa và cường độ chịu uốn tăng từ 15,3% đến 21,8% nhờ cấu trúc vi mô vùng tiếp xúc ITZ liên kết chặt chẽ.
  • Đóng góp quan trọng vào việc giải quyết bãi thải 900.000 tấn xỉ thép tại Bà Rịa – Vũng Tàu và bù đắp lượng thiếu hụt cốt liệu khi các mỏ đá Đông Nam Bộ đóng cửa.
  • Các bước tiếp theo cần tập trung hoàn thiện tiêu chuẩn ngành trước năm 2026 và mở rộng quy mô thử nghiệm thực địa cho 100 km đường giao thông nông thôn và công trình thủy lợi ven biển.

Các chủ đầu tư hạ tầng, doanh nghiệp sản xuất bê tông và nhà máy luyện kim hãy chủ động hợp tác chuyển giao công nghệ xử lý xỉ EAF để tối ưu hóa chi phí và kiến tạo ngành xây dựng xanh bền vững.