Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Theo Quy hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đoạn 2007 – 2015 có xét đến năm 2025, sản lượng xỉ thép phát sinh tại Việt Nam đạt trung bình 0,5 – 1,0 triệu tấn/năm. Riêng tại khu vực phía Nam (tập trung chủ yếu tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu với công suất luyện thép 4 – 5 triệu tấn/năm), khối lượng xỉ thép thải ra ước tính từ 0,3 – 0,5 triệu tấn/năm và có thể lên tới gần 1 triệu tấn/năm khi các nhà máy hoạt động tối đa công suất. Việc lưu trữ khối lượng xỉ khổng lồ này đòi hỏi diện tích bãi chứa lớn và chi phí quản lý cao.
Về mặt pháp lý và chính sách, Quyết định số 12/2006/QĐ-BTNMT ngày 08/9/2006 của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho phép nhập khẩu xỉ hạt nhỏ từ quá trình luyện thép (Mã HS: 2618 00 00) làm vật liệu xây dựng; Nghị định 59/2007/NĐ-CP, Quyết định 2149/QĐ-TTg, Quyết định 567/QĐ-TTg và Quyết định 798/QĐ-TTg đều nhấn mạnh việc ưu tiên tái chế, tận dụng phế thải công nghiệp làm vật liệu xây dựng không nung và hạn chế chôn lấp. Tiêu chuẩn TCVN 6705:2009 cũng xếp xỉ thép vào nhóm chất thải rắn công nghiệp thông thường không nguy hại.
Trong khi nguồn cốt liệu đá tự nhiên dùng cho xây dựng công trình giao thông ngày càng cạn kiệt, việc nghiên cứu tái chế xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) tại Bà Rịa – Vũng Tàu làm móng đường ô tô trở thành nhu cầu cấp thiết. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: ở Việt Nam chưa có công trình nào đánh giá toàn diện, có hệ thống các chỉ tiêu cơ lý, hóa học, môi trường của xỉ thép EAF sau tái chế; chưa thiết lập các giải pháp phối trộn, gia cố xi măng để khắc phục nhược điểm cấp phối hạt của xỉ; đồng thời thiếu các nghiên cứu thực nghiệm hiện trường có theo dõi, quan trắc dài hạn để đưa ra quy trình thiết kế và thi công hoàn chỉnh.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các đặc tính cơ lý, hóa học và mức độ an toàn môi trường của xỉ thép tái chế từ các nhà máy sản xuất thép bằng công nghệ lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu.
- Nghiên cứu các giải pháp cải thiện thành phần cấp phối hạt của xỉ thép bằng việc phối trộn với cát mịn hoặc đá mi, kết hợp gia cố xi măng nhằm nâng cao khả năng chịu lực để làm lớp móng đường ô tô.
- Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên đoạn đường thực tế tại hiện trường (Quốc lộ 55, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu), theo dõi sự thay đổi mô đun đàn hồi và độ chặt sau thời gian khai thác (từ năm 2013 đến năm 2018).
- Đề xuất các kết cấu áo đường mềm và bán cứng sử dụng lớp móng xỉ thép (nguyên chất hoặc gia cố) cho các cấp đường khác nhau, xây dựng chỉ dẫn tính toán và quy trình công nghệ thi công, nghiệm thu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Xỉ thép phát sinh từ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang (EAF) tại các nhà máy thép thuộc Khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (như Nhà máy Thép Việt, Thép Phú Mỹ) được xử lý, sàng tuyển qua dây chuyền tái chế của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh; xi măng Poóc lăng hỗn hợp PCB40; phụ gia phối trộn gồm cát mịn và đá mi.
- Phạm vi không gian: Các nhà máy luyện thép và cơ sở tái chế xỉ thép tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu; phòng thí nghiệm chuyên ngành đường bộ (Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ III, LAS-XD 313); hiện trường đoạn thử nghiệm trên tuyến Quốc lộ 55 đi qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
- Phạm vi thời gian: Luận án được thực hiện và bảo vệ năm 2019, số liệu theo dõi thực nghiệm hiện trường được thu thập từ tháng 10/2013 đến tháng 12/2018 (5 năm khai thác).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Xỉ thép được xem là "nham thạch nhân tạo" (artificial magma) hình thành từ quá trình tách tạp chất nóng chảy ở nhiệt độ trên 1.600°C. Trên thế giới, công nghệ sản xuất thép BOF chiếm 70%, EAF chiếm 28% và IF chiếm khoảng 2%. Nhiều quốc gia đã nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép ở quy mô lớn:
- Tình hình sử dụng: Theo Hiệp hội Xỉ thép Nippon (2016), Nhật Bản sản xuất 14,1 triệu tấn xỉ thép và đạt tỷ lệ tái sử dụng 98,4% (chủ yếu làm đường). Tại Châu Âu (Euroslag, 2010), lượng xỉ thép đạt 21,8 triệu tấn với tỷ lệ tái sử dụng 87% (48% dùng trong xây dựng đường). Tại Mỹ (USGS, 2013), sản lượng xỉ thép đạt 7,8 triệu tấn, trong đó 49,7% làm móng đường và 16% làm cốt liệu bê tông asphalt. Tại Trung Quốc, sản lượng năm 2013 đạt 100 triệu tấn nhưng tỷ lệ tái sử dụng chỉ đạt 29,5%.
- Nghiên cứu về thành phần hóa học và khoáng vật: Tahir Sofilić (Croatia) xác định thành phần CaO trong xỉ khoảng 33% và chứng minh không chứa chất phóng xạ vượt ngưỡng. Ana Mladenović (Slovenia) chỉ ra thành phần FeO (30–40%), CaO (20–35%), SiO2 (5–12%), Fe2O3 (6–9%), Al2O3 (5–7%), MgO (4–12%). R. Alizadeh (Romania), H. Motz (Đức), Ivanka Netinger (Croatia), Irem Zeynep Yildirim (Mỹ) cùng các tác giả Das, Juckes, Mahieux, Poh, Shen, Shi, Tossavainen, Waligora, Xuequan, Barra đã xác định các pha khoáng chính gồm Wustite (FeO), Calcium Silicates ($C_2S, C_3S$), Brownmillerite ($C_4AF$), Mayenite ($C_{12}A_7$), Dicalcium ferrite ($C_2F$), Magnesiowustite.
- Nghiên cứu tính chất cơ lý và móng đường: Gurmel (Anh), V. Maruthachalam (Ấn Độ), Maslehuddin (Ả Rập Xê Út), Lykoudis (Hy Lạp - ứng dụng trên cao tốc Egnatia) chứng minh xỉ thép có độ hao mòn Los Angeles thấp (13–15%), khối lượng riêng cao (3,2–3,6 g/cm³), góc nội ma sát lớn (40–45°). Weiguo Shen (Trung Quốc) nghiên cứu xỉ thép gia cố tro bay và phosphogypsum làm móng đường có cường độ nén 28 ngày đạt 8,36 MPa, cường độ ép chẻ 0,82 MPa, mô đun đàn hồi đạt 1.987 MPa. Asi (Canada) khẳng định tỷ lệ thay thế 25% xỉ thép trong bê tông nhựa cho kết quả tối ưu. Ebenezer Akin Oluwasola ghi nhận việc sử dụng xỉ thép làm móng dưới tại Chile và Ý. Các ứng dụng khác được ghi nhận tại Thái Lan (cao tốc Chonburi, Quốc lộ 1, Quốc lộ 32), Caroni (Venezuela), đường đua Indianapolis Motor Speedway (Mỹ).
Các hướng nghiên cứu trong nước
- Công văn 31/BXD-VLXD (2011) của Bộ Xây dựng khẳng định xỉ thép EAF sau tuyển từ có hoạt tính khoáng tương tự xi măng mác thấp, cần lưu ý xử lý CaO và MgO tự do để kiểm soát độ nở.
- Công ty TNHH Vật Liệu Xanh gửi mẫu kiểm tra độc tính tại phòng thí nghiệm VILAS, chứng minh các hàm lượng kim loại nặng (Pb, Cd, Cr, As, Hg, Ni...) đều thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy định tại QCVN 07:2009/BTNMT.
- Trần Hữu Bằng (2011) nghiên cứu dùng 10–15% xỉ thép làm phụ gia khoáng trong bê tông xi măng. Nhóm tác giả tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2012) nghiên cứu xỉ thép thay thế cốt liệu lớn trong bê tông xi măng.
- Nguyễn Văn Du (2014) và nhóm nghiên cứu Trần Văn Miền - Công ty Lê Phan (2011) nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu bê tông asphalt, ghi nhận độ ổn định nhiệt và thương số Marshall cao hơn đá dăm thông thường.
- Đề tài cấp Bộ GTVT do TS. Nguyễn Quốc Hiển chủ nhiệm (2012–2015) bước đầu đánh giá khả năng dùng xỉ thép làm móng đường nhưng mới dừng lại ở quy mô nhỏ và kiến nghị áp dụng cho đường cấp thấp hoặc nội bộ.
- Bộ Xây dựng ban hành Quyết định số 430/QĐ-BXD (2017) hướng dẫn kỹ thuật sử dụng xỉ gang, xỉ thép, chỉ ra xỉ thép có chỉ số CBR lên đến 300, góc nội ma sát 40–45°, độ trương nở thể tích có thể lên tới 10% nếu không được phong hóa hoặc xử lý lão hóa bằng nhiệt ẩm.
Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết
Luận án kế thừa các nghiên cứu cơ bản về thành phần hóa khoáng và cơ lý, đồng thời giải quyết các hạn chế trước đó:
- Đánh giá tính chất xỉ thép EAF sau dây chuyền tái chế hiện đại tại Bà Rịa – Vũng Tàu bằng phương pháp thống kê thực nghiệm và kiểm định Grubbs loại bỏ số liệu ngoại lai.
- Xử lý triệt để bài toán thiếu hụt hạt mịn trong đường cong cấp phối của xỉ thép thông qua việc phối trộn tối ưu với cát mịn (tỷ lệ 80/20) hoặc đá mi (tỷ lệ 70/30) kết hợp gia cố xi măng (4–6%).
- Khảo sát thực tế dài hạn trong 5 năm trên đường đang khai thác (QL55), cung cấp dữ liệu kiểm định thống kê $t$-Test về mô đun đàn hồi và độ chặt.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Lý thuyết hình thành cường độ vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ: Sự thủy hóa của xi măng tạo ra gel C-S-H lấp đầy lỗ rỗng, kết hợp với các hạt khoáng $C_2S, C_3S, C_4AF$ có sẵn trên bề mặt xỉ thép đã qua xử lý phong hóa, hình thành cấu trúc khung chịu lực bán cứng có mô đun đàn hồi cao và khả năng chống cắt trượt lớn.
- Nguyên lý cấp phối hạt liên tục: Tối ưu hóa độ đặc chắc của hỗn hợp vật liệu hạt bằng cách bù đắp phần hạt nhỏ bị thiếu hụt trong xỉ thép nghiền bằng cát mịn hoặc đá mi, đảm bảo đường bao cấp phối nằm trong giới hạn quy định cho vật liệu móng đường theo TCVN 8859:2011 và 22TCN 211-06 / 22TCN 274-01.
- Lý thuyết thiết kế kết cấu áo đường mềm và bán cứng: Xác định ứng suất, độ võng đàn hồi và hệ số lớp tương đương ($a_2, a_3$) theo tiêu chuẩn AASHTO và quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập và phân tích mẫu: Lấy mẫu xỉ thép EAF tại dây chuyền chế biến của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (KCN Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu). Sử dụng tiêu chuẩn ASTM E178 (Grubbs' Test) để kiểm tra và loại bỏ các giá trị dị biệt/ngoại lai, xác định hàm phân bố xác suất của các chỉ tiêu cơ lý.
- Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm:
- Xác định các chỉ tiêu vật lý: khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ hút nước, thành phần hạt, độ hao mòn Los Angeles (ASTM C131), độ nén đập trong xi lanh, hàm lượng hạt thoi dẹt (BS 812).
- Phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) và kiểm tra thôi nhiễm môi trường theo QCVN 07:2009/BTNMT.
- Đúc mẫu hình trụ kích thước chuẩn, dưỡng hộ ẩm và kiểm tra các chỉ tiêu cơ học: cường độ chịu nén một trục không nở hông ($R_n$), cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ech}$), mô đun đàn hồi nén tĩnh ($E$) ở các mốc tuổi 7, 14 và 28 ngày.
- Phân tích đa nhân tố bằng biểu đồ Pareto và phân tích phương sai để xác định ảnh hưởng của hàm lượng xi măng (XM), thời gian bảo dưỡng (Tuổi) và tương tác $XM \times Tuổi$.
- Phương pháp thực nghiệm hiện trường và thống kê phân tích:
- Thi công 2 loại kết cấu áo đường thử nghiệm có tầng móng sử dụng xỉ thép trên Quốc lộ 55 (tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu).
- Đo độ chặt bằng phương pháp rót cát (TCVN 8864:2011).
- Đo mô đun đàn hồi hiện trường bằng cần đo võng Benkelman hoặc thiết bị tải trọng va đập FWD tại các thời điểm: tháng 10/2013 (nghiệm thu ban đầu) và tháng 12/2018 (sau 5 năm khai thác).
- Phân tích kiểm định so sánh cặp 2-Sample $t$-Test ở khoảng tin cậy 95% (95% CI) để đánh giá độ suy giảm hoặc gia tăng cường độ của kết cấu móng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về xỉ thép và sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô
Chương 1 tổng hợp bức tranh toàn cảnh về công nghệ luyện thép, quá trình phát sinh xỉ và các nghiên cứu trong nước, quốc tế. Tại Việt Nam năm 2018 có 4 lò BOF, 34 lò EAF và 38 lò IF. Xỉ thép EAF phát sinh từ 110–150 kg/tấn thép lỏng.
Bảng tổng hợp thành phần hóa học điển hình của xỉ thép từ các nguồn nghiên cứu quốc tế:
| Thành phần hóa học |
Xỉ thép Slovenia [44] |
Xỉ thép Sisak, Croatia [69] |
Xỉ thép EAF Châu Âu [13] |
Xỉ lò BOF (Das) [71] |
| $\text{CaO}$ (%) |
20 – 35 |
24,98 |
25 – 45 |
47,9 |
| $\text{SiO}_2$ (%) |
5 – 12 |
17,08 |
10 – 18 |
12,2 |
| $\text{FeO} / \text{Fe}_2\text{O}3 / \text{Fe}{\text{tổng}}$ (%) |
30 – 40 ($\text{FeO}$) |
25,45 ($\text{Fe}_2\text{O}_3$) |
10 – 32 ($\text{Fe}_{\text{tổng}}$) |
26,3 ($\text{FeO}$) |
| $\text{Al}_2\text{O}_3$ (%) |
5 – 7 |
5,40 |
3 – 8 |
1,2 |
| $\text{MgO}$ (%) |
4 – 12 |
10,58 |
4 – 13 |
0,8 |
| $\text{MnO}$ (%) |
- |
8,91 |
4 – 12 |
0,3 |
| $\text{P}_2\text{O}_5$ (%) |
- |
- |
- |
3,3 |
Về mặt cơ lý, các công trình quốc tế cho thấy xỉ thép có các chỉ tiêu vượt trội so với đá tự nhiên: khối lượng riêng từ 3,2 – 3,6 g/cm³ (cao hơn đá vôi khoảng 17–25%), độ hao mòn Los Angeles từ 13 – 15%, độ bền băng giá cao, khả năng chống mài mòn tốt. Tuy nhiên, xỉ thép chứa vài phần trăm vôi tự do ($\text{CaO}{\text{free}}$) và magiê tự do ($\text{MgO}{\text{free}}$) có thể gây trương nở thể tích (lên tới 10% nếu ngâm nước lâu ngày) nên bắt buộc phải qua quy trình lão hóa (ủ ẩm ngoài trời từ 3–6 tháng hoặc xử lý nhiệt ẩm bằng hơi nước $100^\circ\text{C}$).
Chương 2: Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý, hóa của xỉ thép sau khi tái chế
Chương 2 tập trung khảo sát nguồn xỉ thép EAF tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu qua quy trình xử lý nghiền, sàng, tuyển từ tách sắt của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh. Số liệu thí nghiệm được sàng lọc qua tiêu chuẩn ASTM E178 để loại trừ các điểm ngoại lai.
Bảng so sánh chỉ tiêu cơ lý giữa xỉ thép EAF tái chế tại Bà Rịa – Vũng Tàu và cấp phối đá dăm (CPĐD) theo tiêu chuẩn TCVN 8859:2011:
| Chỉ tiêu thí nghiệm |
Tiêu chuẩn thử nghiệm |
Xỉ thép EAF BRVT |
Yêu cầu CPĐD Loại 1 (TCVN 8859:2011) |
| Khối lượng riêng ($g/cm^3$) |
TCVN 7572-4:2006 |
3,35 – 3,58 |
2,60 – 2,75 (tham chiếu) |
| Khối lượng thể tích xốp ($kg/m^3$) |
TCVN 7572-6:2006 |
1.650 – 1.820 |
1.400 – 1.600 |
| Độ hút nước (%) |
TCVN 7572-4:2006 |
1,8 – 2,4 |
$\le 2,0$ |
| Độ hao mòn Los Angeles ($LA$, %) |
TCVN 7572-12:2006 |
14,2 – 16,8 |
$\le 35$ |
| Độ nén đập trong xi lanh (%) |
TCVN 7572-11:2006 |
11,5 – 13,2 |
$\le 20$ |
| Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) |
TCVN 7572-13:2006 |
7,2 – 9,8 |
$\le 15$ |
| Chỉ số CBR ngâm nước 4 ngày (%) |
TCVN 8821:2011 |
180 – 240 |
$\ge 100$ |
| Độ trương nở thể tích (%) |
ASTM D4792 |
0,8 – 1,5 |
$\le 2,0$ |
Kết quả phân tích thành phần hóa học của xỉ thép EAF Bà Rịa – Vũng Tàu cho thấy: hàm lượng $\text{CaO}$ dao động từ 27,4 – 38,0%, $\text{SiO}2$ từ 13,7 – 19,1%, $\text{Fe}{\text{tổng}}$ từ 20,5 – 34,7%, $\text{Al}_2\text{O}3$ từ 5,3 – 7,25%, $\text{MgO}$ từ 5,1 – 8,7%, hàm lượng vôi tự do $\text{CaO}{\text{free}} < 2%$. Kết quả phân tích thành phần nguy hại theo QCVN 07:2009/BTNMT cho thấy các chỉ tiêu chì ($\text{Pb}$), cadimi ($\text{Cd}$), asen ($\text{As}$), thủy ngân ($\text{Hg}$), crom hóa trị 6 ($\text{Cr}^{6+}$) đều không phát hiện hoặc nằm dưới ngưỡng cho phép nhiều lần, khẳng định xỉ thép hoàn toàn an toàn đối với môi trường đất và nguồn nước ngầm.
Tuy nhiên, phân tích thành phần hạt cho thấy xỉ thép sau khi nghiền sàng đơn thuần bị thiếu hụt hàm lượng hạt mịn lọt qua sàng 0,075 mm và 0,425 mm so với đường bao cấp phối móng đường tiêu chuẩn, đòi hỏi phải phối trộn thêm phụ gia hạt mịn.
Chương 3: Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật xỉ thép gia cố xi măng làm móng đường ô tô
Để tối ưu hóa thành phần hạt và nâng cao cường độ của lớp móng, tác giả nghiên cứu 3 giải pháp vật liệu sử dụng xi măng PCB40 làm chất liên kết:
- Giải pháp 1 (XT): Xỉ thép nguyên bản gia cố xi măng (hàm lượng xi măng thay đổi 3%, 4%, 5%, 6%).
- Giải pháp 2 (XC): Hỗn hợp xỉ thép (80%) + cát mịn (20%) gia cố xi măng (3%, 4%, 5%, 6%).
- Giải pháp 3 (XD): Hỗn hợp xỉ thép (70%) + đá mi (30%) gia cố xi măng (3%, 4%, 5%, 6%).
Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ nén ($R_n$), ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi tĩnh ($E$) ở tuổi 7 ngày và 28 ngày:
| Giải pháp phối trộn |
Tỷ lệ XM (%) |
$R_n$ - 7 ngày (MPa) |
$R_n$ - 28 ngày (MPa) |
$R_{ech}$ - 28 ngày (MPa) |
$E$ - 28 ngày (MPa) |
| Xỉ thép nguyên chất (XT) |
3% |
2,45 |
3,82 |
0,38 |
1.450 |
|
4% |
3,60 |
5,40 |
0,52 |
1.820 |
|
5% |
4,85 |
7,10 |
0,68 |
2.250 |
|
6% |
5,90 |
8,65 |
0,81 |
2.680 |
| XT (80%) + Cát mịn (20%) (XC) |
3% |
2,80 |
4,35 |
0,44 |
1.620 |
|
4% |
4,10 |
6,20 |
0,59 |
2.050 |
|
5% |
5,50 |
8,15 |
0,76 |
2.510 |
|
6% |
6,70 |
9,80 |
0,92 |
2.950 |
| XT (70%) + Đá mi (30%) (XD) |
3% |
3,15 |
4,90 |
0,49 |
1.780 |
|
4% |
4,65 |
6,95 |
0,66 |
2.240 |
|
5% |
6,20 |
9,10 |
0,84 |
2.760 |
|
6% |
7,45 |
10,85 |
1,02 |
3.200 |
Phân tích phương sai và biểu đồ Pareto chỉ ra rằng hàm lượng xi măng đóng vai trò chi phối lớn nhất đến sự phát triển cường độ chịu nén ($R_n$), tiếp theo là thời gian dưỡng hộ (Tuổi) và tác động tương tác $XM \times Tuổi$. Cả ba giải pháp đều cho cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi vượt các yêu cầu tối thiểu đối với lớp móng gia cố xi măng theo 22TCN 211-06 và 22TCN 274-01. Trong đó, giải pháp phối trộn đá mi (XD) và phối trộn cát mịn (XC) cho độ đặc chắc cao hơn và cường độ vượt trội từ 15–25% so với mẫu chỉ dùng xỉ thép nguyên bản (XT). Hàm lượng xi măng tối ưu được kiến nghị trong khoảng 4% đến 6% theo khối lượng.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường sử dụng xỉ thép làm lớp móng và đề xuất các kết cấu mặt đường ô tô sử dụng xỉ thép
Chương 4 kiểm chứng các kết quả phòng thí nghiệm trên công trình thực tế và xây dựng hệ thống tính toán kết cấu áo đường.
Thực nghiệm hiện trường trên Quốc lộ 55 (Bà Rịa – Vũng Tàu)
Đoạn thử nghiệm được thiết kế gồm 2 loại kết cấu áo đường có sử dụng xỉ thép làm móng:
- Kết cấu Loại 1: Bê tông nhựa chặt (dày 12 cm gồm BTN C12.5 dày 5 cm và BTN C19 dày 7 cm) + Móng trên bằng cấp phối xỉ thép loại 1 gia cố 4% xi măng dày 15 cm + Móng dưới bằng cấp phối xỉ thép tự nhiên dày 20 cm + Nền đất đắp sỏi đỏ lu lèn đạt $K \ge 0,98$.
- Kết cấu Loại 2: Bê tông nhựa chặt (dày 12 cm) + Móng trên bằng cấp phối đá dăm loại 1 gia cố 4% xi măng dày 15 cm + Móng dưới bằng cấp phối đá dăm loại 2 dày 20 cm (đối chứng).
Bảng tổng hợp kết quả đo kiểm tra độ chặt và mô đun đàn hồi hiện trường:
| Vị trí kiểm tra |
Độ chặt lu lèn ($K$) |
Mô đun đàn hồi $E_{\text{ht}}$ (10/2013) (MPa) |
Mô đun đàn hồi $E_{\text{ht}}$ (12/2018) (MPa) |
Kết quả kiểm định 2-Sample $t$-Test |
| Nền cấp phối sỏi đỏ ($K \ge 0,98$) |
0,985 – 0,992 |
42,5 – 45,0 |
43,1 – 45,8 |
Không có sự khác biệt có ý nghĩa ($p > 0,05$) |
| Lớp móng dưới cấp phối xỉ thép |
0,990 – 1,010 |
280 – 310 |
320 – 345 |
$E$ tăng nhẹ do tự đóng rắn thứ cấp |
| Lớp móng trên xỉ thép gia cố 4% XM |
- |
1.850 – 2.100 |
2.050 – 2.250 |
Cường độ ổn định, không nứt gãy phản áp |
| Mặt đường BTN trên móng xỉ thép |
- |
340 – 365 |
355 – 380 |
Tăng trưởng 4,1 – 4,5% sau 5 năm ($p < 0,05$) |
| Mặt đường BTN trên móng đá dăm |
- |
325 – 345 |
315 – 330 |
Giảm nhẹ 3,0 – 4,3% sau 5 năm |
Phân tích kiểm định thống kê $t$-Test ở độ tin cậy 95% sau 5 năm khai thác khẳng định kết cấu áo đường sử dụng móng xỉ thép giữ được độ ổn định cơ học cao, không xuất hiện hiện tượng nứt trồi hay suy giảm khả năng chịu lực dưới tác động của xe tải nặng.
Đề xuất kết cấu mặt đường ô tô sử dụng xỉ thép
Tác giả đề xuất 3 nhóm kết cấu ứng dụng xỉ thép:
- Đường giao thông nông thôn / cấp thấp: Lớp mặt láng nhựa hoặc bê tông xi măng mỏng kết hợp móng bằng cấp phối xỉ thép tự nhiên dày 15–20 cm.
- Đường ô tô thông thường (Cấp III, Cấp II): Tầng mặt bê tông nhựa 2 lớp dày 10–12 cm; móng trên bằng cấp phối xỉ thép + đá mi (hoặc cát mịn) gia cố 4–5% xi măng dày 15–18 cm; móng dưới bằng cấp phối xỉ thép tự nhiên dày 18–25 cm.
- Đường cao tốc: Mặt đường bê tông nhựa dày 15–18 cm; móng trên bằng xỉ thép phối trộn đá mi gia cố 5% xi măng dày 18–20 cm; móng dưới bằng cấp phối xỉ thép loại 1 dày 25 cm trên lớp đáy áo đường xử lý xỉ thép.
Thông số tính toán quy đổi hệ số lớp móng theo tiêu chuẩn AASHTO: hệ số lớp móng dưới làm bằng xỉ thép hạt $a_3 = 0,14 – 0,16$ (tương đương $\text{CBR} \ge 150%$); hệ số lớp móng trên xỉ thép gia cố xi măng $a_2 = 0,20 – 0,24$ (ứng với $E = 2.000 – 2.500\text{ MPa}$).
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về lý luận và khoa học
- Chứng minh bằng thực nghiệm khoa học rằng xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) sau quá trình tái chế và kiểm soát trương nở hoàn toàn có thể thay thế cốt liệu đá tự nhiên làm vật liệu lớp móng áo đường ô tô.
- Thiết lập hệ thống dữ liệu toàn diện về tương quan giữa hàm lượng xi măng (3–6%), tuổi bảo dưỡng (7–28 ngày) và các chỉ tiêu cường độ ($R_n, R_{ech}, E$) của hỗn hợp xỉ thép nguyên bản và hỗn hợp xỉ thép phối trộn cát mịn/đá mi.
- Xác lập cơ sở khoa học về hiệu quả tự đóng rắn tăng cường theo thời gian của xỉ thép nhờ hoạt tính khoáng silicat kiềm khi kết hợp với xi măng và nước.
Đóng góp về mặt thực tiễn
- Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu nhằm khắc phục tính thiếu mịn của xỉ thép: xỉ thép/cát mịn (80/20) hoặc xỉ thép/đá mi (70/30) kết hợp với 4–6% xi măng PCB40.
- Cung cấp dữ liệu thực nghiệm hiện trường có giá trị kiểm chứng cao trong 5 năm khai thác (2013–2018) trên Quốc lộ 55, chứng minh tính ổn định của mặt đường móng xỉ thép.
- Đề xuất các mẫu kết cấu áo đường cụ thể cho đường cao tốc, đường ô tô tiêu chuẩn và đường giao thông nông thôn; biên soạn chỉ dẫn kỹ thuật về lựa chọn thông số tính toán, quy trình rải, lu lèn và kiểm soát chất lượng móng xỉ thép.
- Góp phần giải quyết bài toán môi trường tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, giải phóng hàng triệu tấn chất thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên mỏ đá tự nhiên và giảm giá thành xây dựng công trình giao thông.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Đối tượng xỉ thép nghiên cứu tập trung chủ yếu vào nguồn xỉ lò điện hồ quang (EAF) từ các nhà máy thuộc khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu (sử dụng công nghệ tái chế của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh), chưa mở rộng khảo sát đối với nguồn xỉ từ các công nghệ luyện thép khác (như lò BOF, lò IF) tại các địa phương khác ở miền Bắc và miền Trung.
- Đoạn thử nghiệm hiện trường mới triển khai trên một đoạn tuyến Quốc lộ 55, điều kiện địa chất công trình và khí hậu mang tính đặc thù của vùng Đông Nam Bộ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm đối với các nguồn xỉ thép lò BOF và lò IF từ các khu liên hợp gang thép khác trên toàn quốc.
- Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế chống ăn mòn hóa học của nước rỉ có tính kiềm từ lớp móng xỉ thép đối với hệ thống thoát nước ngầm và cáp viễn thông chôn dưới lòng đường.
- Hoàn thiện việc xây dựng bộ Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) chuyên biệt cho công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp móng đường ô tô sử dụng xỉ thép gia cố xi măng.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Công trình Giao thông, Kỹ thuật Xây dựng và Vật liệu Xây dựng: Cung cấp phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm, phân tích thống kê xử lý số liệu (Grubbs test, phân tích Pareto, kiểm định $t$-Test) và phương pháp đúc mẫu, thí nghiệm nén ép chẻ, đo mô đun đàn hồi.
- Các cơ quan quản lý nhà nước, chủ đầu tư và kỹ sư thiết kế đường bộ: Cung cấp thông số cơ lý chuẩn xác ($E, R_n, R_{ech}, a_2, a_3, \text{CBR}$) và các sơ đồ kết cấu áo đường mẫu để áp dụng trực tiếp vào các dự án giao thông sử dụng vật liệu tái chế.
- Doanh nghiệp luyện kim và đơn vị xử lý chất thải rắn: Cung cấp quy trình công nghệ tái chế, xử lý lão hóa xỉ thép và định hướng thương mại hóa sản phẩm xỉ hạt làm vật liệu xây dựng giao thông.
Câu hỏi thường gặp
1. Nguồn xỉ thép được sử dụng trong nghiên cứu này có xuất xứ từ đâu và sử dụng công nghệ luyện thép nào?
Nghiên cứu sử dụng xỉ thép được phát sinh từ công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang (EAF) tại các nhà máy sản xuất thép ở Khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (như Nhà máy Thép Việt, Thép Phú Mỹ) và được xử lý qua dây chuyền nghiền, sàng, tuyển từ tái chế của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh.
2. Xỉ thép EAF có độc hại đối với môi trường và nguồn nước ngầm hay không?
Theo kết quả phân tích tại các phòng thí nghiệm đạt chuẩn VILAS đối chiếu với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 07:2009/BTNMT và TCVN 6705:2009, các thành phần kim loại nặng nguy hại ($\text{Pb, Cd, Cr, As, Hg, Ni...}$) trong xỉ thép EAF Bà Rịa – Vũng Tàu đều không phát hiện hoặc nằm sâu dưới ngưỡng nguy hại. Xỉ thép được phân loại là chất thải rắn công nghiệp thông thường không nguy hại.
3. Nhược điểm chính về thành phần hạt của xỉ thép nghiền là gì và luận án đã khắc phục bằng cách nào?
Nhược điểm chính của xỉ thép sau khi nghiền sàng đơn thuần là thiếu hụt các dải hạt mịn (hạt lọt sàng 0,075 mm và 0,425 mm) dẫn đến đường bao cấp phối không liên tục. Luận án đã khắc phục bằng cách phối trộn xỉ thép với cát mịn theo tỷ lệ 80/20 hoặc với đá mi theo tỷ lệ 70/30, kết hợp gia cố 4–6% xi măng PCB40 để tạo ra hỗn hợp móng có độ đặc chắc và cường độ tối ưu.
4. Kết quả quan trắc đoạn đường thử nghiệm trên Quốc lộ 55 sau 5 năm khai thác cho thấy điều gì?
Kết quả kiểm tra mô đun đàn hồi hiện trường từ tháng 10/2013 đến tháng 12/2018 qua kiểm định thống kê $t$-Test với độ tin cậy 95% cho thấy kết cấu mặt đường bê tông nhựa trên lớp móng xỉ thép duy trì cường độ rất ổn định, mô đun đàn hồi mặt đường có xu hướng tăng nhẹ (tăng 4,1 – 4,5%) do quá trình tự đóng rắn thứ cấp của khoáng xỉ thép và xi măng, không xuất hiện hiện tượng biến dạng hoặc nứt phản áp.
Kết luận
Luận án của tác giả Mai Hoàng Hà (2019) đã giải quyết toàn diện vấn đề cơ sở khoa học và thực tiễn của việc tái chế xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu làm vật liệu móng đường ô tô. Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng kết hợp theo dõi dài hạn 5 năm trên Quốc lộ 55, tác giả đã khẳng định tính an toàn môi trường, xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa xỉ thép với cát mịn (80/20) hoặc đá mi (70/30) gia cố 4–6% xi măng, đồng thời đề xuất các sơ đồ kết cấu áo đường cùng chỉ dẫn kỹ thuật thi công hoàn chỉnh. Công trình đóng góp tích cực vào việc sử dụng nguồn vật liệu tái chế bền vững, bảo vệ môi trường và giải quyết bài toán khan hiếm cốt liệu tự nhiên trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam.
