Tổng quan luận án

Công nghiệp luyện kim tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực phía Nam tập trung tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, ghi nhận sự gia tăng nhanh chóng về sản lượng thép. Theo Quy hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đoạn 2007 – 2015 có xét đến năm 2025, công suất luyện thép tại khu vực phía Nam đạt từ 4 đến 5 triệu tấn phôi/năm, phát thải lượng xỉ thép xấp xỉ 1 triệu tấn/năm. Riêng trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, khối lượng xỉ thép phát sinh trung bình hàng năm từ 0,3 đến 0,5 triệu tấn. Việc lưu trữ khối lượng xỉ thép lớn đòi hỏi quỹ đất rộng lớn và chi phí quản lý cao, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ phát sinh bụi gây ảnh hưởng môi trường xung quanh nếu không có phương án tái chế thích hợp.

Cơ sở pháp lý tại Việt Nam đã có các quy định tạo điều kiện cho việc tái sử dụng phụ phẩm công nghiệp:

  • 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 không chứa chất nguy hại làm vật liệu xây dựng (Mã HS: 2618 00 00).
  • Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 09/4/2007 của Chính phủ và Quyết định số 2149/QĐ-TTg ngày 17/12/2009 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 quy định ưu tiên tái chế, tái sử dụng chất thải rắn thông thường.
  • Quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28/4/2010 và Quyết định số 798/QĐ-TTg ngày 25/5/2011 của Thủ tướng Chính phủ đặt mục tiêu tận dụng tối đa phế thải công nghiệp làm vật liệu xây dựng không nung và tái chế 70% chất thải rắn thông thường.
  • Tiêu chuẩn TCVN 6705:2009 phân loại xỉ thép vào nhóm chất thải rắn công nghiệp thông thường không nguy hại.

Trong bối cảnh nguồn cốt liệu đá tự nhiên phục vụ xây dựng hạ tầng giao thông ngày càng cạn kiệt, khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: ở Việt Nam chưa có công trình nào đánh giá toàn diện, đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp móng đường ô tô sử dụng xỉ thép lò điện hồ quang tái chế; đồng thời thiếu các giải pháp thực nghiệm để cải thiện thành phần hạt và nâng cao khả năng chịu tải của móng đường cấp cao bằng vật liệu xỉ thép gia cố chất liên kết vô cơ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Nghiên cứu các tính chất cơ, lý, hóa của xỉ thép sau khi tái chế từ các nhà máy sản xuất thép theo công nghệ lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu để phục vụ làm vật liệu móng đường ô tô.
  2. Nghiên cứu các giải pháp cải thiện thành phần cấp phối và chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép thông qua phối trộn cốt liệu phụ (cát mịn, đá mi) kết hợp gia cố xi măng nhằm nâng cao khả năng chịu tải của kết cấu móng đường ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các chỉ tiêu cơ lý, hóa học, môi trường của xỉ thép EAF tái chế; các hỗn hợp xỉ thép nguyên bản, xỉ thép phối trộn cát mịn (tỷ lệ 80/20) và xỉ thép phối trộn đá mi (tỷ lệ 70/30) gia cố xi măng; các thông số thiết kế kết cấu áo đường ô tô.
  • Phạm vi không gian: Nguồn xỉ thép thu gom tại các nhà máy luyện thép thuộc khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (qua dây chuyền xử lý của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh) và đoạn đường thực nghiệm hiện trường trên tuyến Quốc lộ 55 (đoạn qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu).
  • Phạm vi thời gian: Các thí nghiệm trong phòng và thi công đoạn thử nghiệm hiện trường được triển khai từ năm 2013, tiến hành đo đạc, theo dõi và kiểm tra đánh giá lại sau 5 năm khai thác vào tháng 12 năm 2018 (luận án hoàn thành năm 2019).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp hệ thống nghiên cứu quốc tế và trong nước về công nghệ xử lý, đặc tính vật liệu và ứng dụng xỉ thép trong công trình giao thông:

Về nghiên cứu quốc tế:

  • Công nghệ sản xuất và xử lý: Heribert Motz Fehs phân tích bản chất xỉ thép lò hồ quang điện (EAF), chỉ ra cấu trúc khoáng tương đồng lớp vỏ trái đất và đề xuất các giải pháp kỹ thuật thúc đẩy quá trình lão hóa (ageing) như phun nước nóng 100°C, hấp hơi nước hoặc ủ ngoài trời để ổn định thể tích thành "đá nhân tạo". Các công nghệ xử lý hiện đại được ghi nhận tại Slovenia, Nhật Bản, Thái Lan, Đài Loan và công nghệ S3R (liên minh giữa RecCo BV - Hà Lan, Hofung Technology - Bắc Kinh và Evergoed NV - Hà Lan) chuyên tách thu hồi sắt phế trong xỉ.
  • Thành phần hóa học và khoáng vật: Tahir Sofilić (Croatia) xác định thành phần chính của xỉ gồm CaO (33%), FexOy, SiO2 và chứng minh xỉ không chứa thành phần nguy hại môi trường. Ana Mladenović (Slovenia) phân tích thành phần FeO (30-40%), CaO (20-35%), SiO2 (5-12%). R. Alizadeh phân tích xỉ lò EAF và xỉ lò cao tại Romania. Ivanka Netinger (Croatia) so sánh hóa học giữa đá dolomite và xỉ thép tại bãi Sisak và Split. Irem Zeynep Yildirim (Mỹ) tổng hợp dữ liệu thành phần hóa học xỉ BOF, EAF và Ladle slag từ hàng loạt tác giả: Das, Juckes, Mahieux, Poh, Shen, Shi, Tossavainen, Waligora, Xuequan, Barra. Cấu trúc khoáng vật xỉ thép được nhiều tác giả (Luxan, Manso, Nicolae, Qian, Reddy, Tsakiridis, Wachsmuth) nhận diện gồm: Wustite (FeO), Calcium Silicates (C2S, C3S), Brownmillerite (C4AF), Mayenite (C12A7).
  • Tính chất cơ lý và ứng dụng móng/mặt đường: Gurmel (Anh) khảo sát xỉ thép Teesport và Port Talbot; V. Maruthachalam (Ấn Độ) so sánh cơ lý xỉ thép với đá vôi tự nhiên; Maslehuddin ghi nhận khối lượng thể tích xỉ thép cao hơn đá vôi khoảng 17%; Lykoudis (Hy Lạp) công bố kết quả thảm bê tông nhựa dùng cốt liệu xỉ thép dày 2,5 cm trên tuyến cao tốc Egnatia trị giá 5,9 tỷ Euro. Weiguo Shen (Trung Quốc) nghiên cứu xỉ thép gia cố tro bay và phosphogypsum làm móng đường, đạt cường độ chịu nén 2,86 MPa (7 ngày) và 8,36 MPa (28 ngày), mô đun đàn hồi đạt 1987 MPa theo tiêu chuẩn JTJ014-97. Asi và cộng sự (Canada) đề xuất tỷ lệ thay thế 25% cốt liệu xỉ thép trong bê tông nhựa; Thái Lan đưa xỉ thép vào các tuyến cao tốc Chonburi, Quốc lộ 1, Quốc lộ 32 từ năm 2000. Dữ liệu từ Hiệp hội Xỉ thép Nippon (Nhật Bản), Hiệp hội Xỉ thép Châu Âu và Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) ghi nhận tỷ lệ tái sử dụng xỉ thép làm móng đường và bê tông asphalt đạt từ 48% đến trên 90%.

Về nghiên cứu trong nước:

  • Khung kỹ thuật quản lý: Công văn số 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, có khả năng đóng rắn khi thủy hóa. Quyết định số 430/QĐ-BXD (2017) của Bộ Xây dựng ban hành chỉ dẫn kỹ thuật xác định các chỉ tiêu của xỉ thép (khối lượng thể tích 3,2-3,6 g/cm3, góc nội ma sát 40-45°, CBR lên đến 300, độ nở do CaO/MgO tự do). Kết quả kiểm tra mẫu xỉ Phú Mỹ và Thép Việt đối chiếu QCVN 07:2009/BTNMT cho thấy hàm lượng kim loại nặng (Pb, Cd, As, Hg, Cr6+...) đều nằm dưới ngưỡng nguy hại.
  • Các công trình chuyên sâu: Trần Hữu Bằng (2011) ứng dụng xỉ thép nghiền làm phụ gia khoáng 10-15% cho bê tông xi măng; các nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Trần Văn Miền, Lương Thanh Chương) khảo sát cốt liệu lớn cho bê tông; Nguyễn Văn Du nghiên cứu xỉ thép trong bê tông asphalt; Đề tài cấp Bộ GTVT do TS. Nguyễn Quốc Hiển chủ nhiệm (2012-2015, nghiệm thu mức B) bước đầu thử nghiệm tái chế xỉ lò làm móng đường cấp thấp.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình tại Việt Nam trước đây chủ yếu dừng lại ở việc thay thế cốt liệu cho bê tông nhựa, bê tông xi măng hoặc khảo sát đơn lẻ một vài chỉ tiêu cơ lý cơ bản. Luận án của NCS Mai Hồng Hà định vị việc giải quyết khoảng trống thực nghiệm: xây dựng hệ thống chỉ tiêu cơ lý, hóa học đầy đủ của xỉ thép EAF tái chế tại Bà Rịa – Vũng Tàu; nghiên cứu giải pháp phối trộn với cát mịn và đá mi nhằm khắc phục đường cấp phối hạt; tối ưu hóa hàm lượng xi măng gia cố (4-6%); đồng thời kiểm chứng độ bền vững và mô đun đàn hồi thông qua đoạn đường thực nghiệm hiện trường trên Quốc lộ 55 qua 5 năm khai thác (2013-2018), từ đó xây dựng các kết cấu móng áo đường chuẩn hóa theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06, 22TCN 274-01 và AASHTO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên các cơ sở lý thuyết và nguyên lý vật liệu xây dựng đường ô tô:

  • Lý thuyết hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ: Sự thủy hóa của xi măng kết hợp với các khoáng silicat canxi (C2S, C3S) có sẵn trong xỉ thép tạo ra mạng lưới gel C-S-H (calcium silicate hydrate), liên kết các hạt cốt liệu thô và mịn thành khối đồng nhất có khả năng chịu nén, uốn và mô đun đàn hồi cao.
  • Lý thuyết cấp phối tối ưu: Đường bao cấp phối liên tục theo nguyên lý Fuller/Bolomey, kết hợp xỉ thép với cốt liệu hạt mịn (cát mịn, đá mi) để chèn lấp lỗ rỗng giữa các hạt xỉ thô, tăng diện tích tiếp xúc và nâng cao độ chặt của lớp móng.
  • Lý thuyết tính toán kết cấu áo đường: Phương pháp tính toán đàn hồi nhiều lớp theo Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 (thiết kế áo đường mềm), 22TCN 274-01 (thiết kế mặt đường mềm có lớp móng gia cố chất liên kết vô cơ) và hướng dẫn thiết kế AASHTO Guide for Design of Pavement Structures (thông qua các hệ số lớp kết cấu a2, a3).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ xử lý số liệu:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lý thống kê: Sử dụng tiêu chuẩn ASTM E178 (Grubbs' Test) để kiểm tra và loại bỏ các số liệu ngoại lai; kiểm định phân phối chuẩn (Normality Test); phân tích phương sai (ANOVA) và biểu đồ Pareto đánh giá mức độ ảnh hưởng của các nhân tố chính (hàm lượng xi măng, thời gian bảo dưỡng) và hiệu ứng tương tác đến cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi ($E$); sử dụng kiểm định 2-Sample t-Test so sánh sự khác biệt mô đun đàn hồi trên hiện trường giữa các thời điểm đo đạc.
  • Phương pháp thí nghiệm trong phòng:
    • Thí nghiệm cơ lý xỉ thép: Khối lượng riêng, khối lượng thể tích xốp, khối lượng thể tích khô/bão hòa theo TCVN 7572-4:2006, TCVN 7572-6:2006; độ mài mòn Los Angeles theo TCVN 7572-12:2006 (ASTM C131); thành phần hạt theo TCVN 7572-2:2006; chỉ số CBR và độ trương nở theo ASTM D4792/JIS A 5015.
    • Thí nghiệm hỗn hợp gia cố xi măng: Chế tạo mẫu trụ đường kính và chiều cao 15 cm; xác định cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ chịu ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi nén tĩnh ($E$) ở các mốc tuổi bảo dưỡng 7, 14, 28 ngày.
  • Phương pháp thí nghiệm và quan trắc hiện trường: Đo độ chặt lu lèn bằng phương pháp rót cát (TCVN 8864:2011); đo mô đun đàn hồi bằng cần Benkelman và tấm ép tĩnh đường kính 33 cm (TCVN 8861:2011, 22TCN 211-06) tại các lớp kết cấu áo đường trên Quốc lộ 55 vào tháng 10/2013 và tháng 12/2018.

Nguồn dữ liệu và tư liệu:

  • Mẫu xỉ thép lấy từ dây chuyền nghiền sàng phân loại của nhà máy tái chế xỉ thép thuộc Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (xử lý nguồn xỉ lò EAF từ các nhà máy luyện thép tại KCN Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu gồm Nhà máy Thép Việt, Thép Pomina, Thép Vinakyoei).
  • Xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40, cát mịn và đá mi khai thác thương mại tại khu vực Đông Nam Bộ.
  • Số liệu đo đạc thực tế từ hiện trường đoạn thử nghiệm Quốc lộ 55 do Ban Quản lý dự án, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ III và Phòng Thí nghiệm Kiểm định Công trình LAS-XD 313 phối hợp thực hiện.

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 hệ thống hóa các khái niệm, quy trình hình thành xỉ từ lò điện hồ quang (EAF), trong đó xỉ được tạo ra ở nhiệt độ trên 1.600°C với các chất trợ dung như vôi để tách tạp chất khỏi thép lỏng (chiếm 110-150 kg/tấn thép từ EAF). Luận án phân tích công nghệ lão hóa đẩy nhanh quá trình ổn định thể tích (hấp hơi, phun nước nóng) để biến xỉ thải thành vật liệu "đá nhân tạo".

Tác giả tổng kết các kết quả nghiên cứu quốc tế về thành phần oxit ($CaO, Fe_xO_y, SiO_2, Al_2O_3, MgO$), thành phần khoáng và cơ lý (khối lượng thể tích cao hơn đá tự nhiên 15-25%, độ hao mòn Los Angeles từ 13-15%, góc nội ma sát $40-45^\circ$). Chương này cũng điểm lại các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng xỉ thép trên thế giới (ASTM D2940, JIS A 5015, BS EN 13242) và các quy định của Việt Nam (QCVN 07:2009/BTNMT, Quyết định 430/QĐ-BXD). Từ việc phân tích thực trạng lượng xỉ thải tồn đọng lớn tại Bà Rịa – Vũng Tàu và những thiếu hụt trong nghiên cứu thực nghiệm lớp móng đường trong nước, chương 1 xác lập mục tiêu, đối tượng, phương pháp và khung nghiên cứu tổng thể của đề tài.

Chương 2: Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý, hóa của xỉ thép sau khi tái chế

Chương 2 tập trung phân tích thực trạng công nghiệp luyện thép tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Thống kê từ Ban Quản lý các KCN tỉnh cho thấy có 13 doanh nghiệp với 18 dự án luyện cán thép được cấp phép, tổng công suất gần 4 triệu tấn phôi/năm và hơn 9 triệu tấn thép cán/năm trên diện tích hơn 500 hecta (Bảng 2.1).

Tác giả áp dụng phương pháp quy chuẩn lấy mẫu và xử lý thống kê loại bỏ số liệu ngoại lai theo tiêu chuẩn Grubbs (ASTM E178), xác định hàm phân bố chuẩn cho các chỉ tiêu cơ lý và hóa học của xỉ thép EAF tái chế từ Công ty TNHH Vật Liệu Xanh.

Bảng tổng hợp đặc tính hóa học và cơ lý của xỉ thép nghiên cứu:

Chỉ tiêu phân tích Giá trị thí nghiệm xỉ thép EAF Cấp phối đá dăm / Quy chuẩn đối chiếu
Thành phần hóa học chính (%)
- $CaO$ 25,44 – 42,51 % –
- $Fe_{total} / Fe_2O_3 / FeO$ 19,16 – 40,32 % –
- $SiO_2$ 13,01 – 19,11 % –
- $Al_2O_3$ 5,31 – 9,59 % –
- $MgO$ 3,07 – 8,31 % –
- $MnO$ 3,70 – 6,70 % –
Chỉ tiêu cơ lý TCVN 8859:2011 (CPĐD Loại 1)
- Khối lượng riêng 3,30 – 3,65 g/cm³ 2,60 – 2,75 g/cm³
- Khối lượng thể tích xốp 1.611 – 1.720 kg/m³ 1.400 – 1.550 kg/m³
- Độ hút nước 1,5 – 2,1 % ≤ 2,0 %
- Độ hao mòn Los Angeles (LA) 13,0 – 16,5 % ≤ 35 %
- Góc nội ma sát ($\varphi$) 40° – 45° 35° – 38°
- Hàm lượng hạt thoi dẹt 6,6 – 11,3 % ≤ 15 %
- Trương nở thể tích < 2,0 % (sau lão hóa) –
Hàm lượng nguy hại vô cơ (mg/l) QCVN 07:2009/BTNMT (Ngưỡng nguy hại)
- Chì ($Pb$) Không phát hiện (KPH) 15 mg/l
- Cadimi ($Cd$) KPH 0,5 mg/l
- Crôm VI ($Cr^{6+}$) 0,07 mg/l 5,0 mg/l
- Asen ($As$) 0,001 mg/l 2,0 mg/l
- Thủy ngân ($Hg$) KPH 0,2 mg/l
- Kẽm ($Zn$) 0,06 mg/l 250 mg/l

Kết quả phân tích khẳng định xỉ thép EAF sau tái chế hoàn toàn không phải chất thải nguy hại, có độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội so với đá dăm tự nhiên, đáp ứng tốt các yêu cầu vật liệu làm móng đường giao thông.

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

Phân tích thành phần hạt của xỉ thép tự nhiên sau nghiền cho thấy vật liệu có xu hướng thiếu hụt thành phần hạt mịn để tạo nên đường cấp phối chặt tối ưu. Do đó, tác giả nghiên cứu 3 giải pháp phối trộn và gia cố bằng xi măng PCB40:

  1. Xỉ thép nguyên bản gia cố xi măng (XT + XM).
  2. Xỉ thép phối trộn cát mịn tỷ lệ 80% XT / 20% Cát mịn gia cố xi măng (XC + XM).
  3. Xỉ thép phối trộn đá mi tỷ lệ 70% XT / 30% Đá mi gia cố xi măng (XD + XM).

Tác giả tiến hành đúc mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi nén tĩnh ($E$) ở các hàm lượng xi măng 3%, 4%, 5%, 6% và các mốc tuổi 7, 14, 28 ngày.

Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cơ lý các hỗn hợp gia cố xi măng ở tuổi 28 ngày:

Loại hỗn hợp vật liệu Hàm lượng xi măng (%) Cường độ chịu nén $R_{n28}$ (MPa) Cường độ ép chẻ $R_{ech28}$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E_{28}$ (MPa)
Xỉ thép nguyên bản (XT) 4% 4,2 – 4,8 0,45 – 0,52 2.100 – 2.400
5% 5,5 – 6,1 0,58 – 0,66 2.600 – 2.900
6% 6,8 – 7,4 0,72 – 0,80 3.100 – 3.400
Xỉ thép + Cát mịn 80/20 (XC) 4% 4,8 – 5,4 0,51 – 0,58 2.300 – 2.650
5% 6,2 – 6,9 0,65 – 0,73 2.850 – 3.200
6% 7,5 – 8,2 0,78 – 0,86 3.350 – 3.700
Xỉ thép + Đá mi 70/30 (XD) 4% 5,2 – 5,9 0,55 – 0,63 2.500 – 2.800
5% 6,8 – 7,6 0,70 – 0,79 3.100 – 3.450
6% 8,2 – 9,1 0,84 – 0,93 3.600 – 4.050

Phân tích thống kê qua biểu đồ Pareto và phân tích tương tác khẳng định hàm lượng xi măng và tuổi bảo dưỡng là hai yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến sự phát triển cường độ. Việc phối trộn thêm 30% đá mi hoặc 20% cát mịn giúp đường cấp phối hạt liên tục hơn, giảm thể tích lỗ rỗng, từ đó làm tăng cường độ chịu nén từ 15% đến 25% và mô đun đàn hồi từ 12% đến 20% so với hỗn hợp xỉ thép không phối trộn ở cùng hàm lượng xi măng. Tỷ lệ xi măng gia cố hợp lý được kiến nghị là từ 4% đến 6%.

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 trình bày quá trình thi công và quan trắc đoạn đường thử nghiệm thực tế trên tuyến Quốc lộ 55 (đoạn qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu). Đoạn thử nghiệm được thiết kế gồm 2 loại kết cấu áo đường:

  • Kết cấu loại 1 (Đối chứng): Bê tông nhựa + Móng trên Cấp phối đá dăm Loại 1 + Móng dưới Cấp phối sỏi đỏ/đá dăm.
  • Kết cấu loại 2 (Thực nghiệm): Bê tông nhựa + Móng trên bằng Xỉ thép gia cố xi măng (hoặc cấp phối xỉ thép) + Móng dưới bằng Xỉ thép không gia cố.

Kết quả quan trắc và kiểm tra đoạn thử nghiệm hiện trường:

Vị trí / Lớp kết cấu kiểm tra Độ chặt lu lèn ($K$) Mô đun đàn hồi $E$ đo tháng 10/2013 (MPa) Mô đun đàn hồi $E$ đo tháng 12/2018 (MPa) Đánh giá qua kiểm định 2-Sample t-Test
Nền đường cấp phối sỏi đỏ $K \ge 0,98$ 42,5 – 48,0 44,1 – 49,2 Khác biệt không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$)
Lớp móng dưới cấp phối xỉ thép $K \ge 0,98$ 185,0 – 210,0 192,0 – 218,5 Cường độ ổn định, có xu hướng tăng nhẹ
Lớp móng trên xỉ thép gia cố XM $K \ge 0,98$ 520,0 – 680,0 545,0 – 710,0 Không suy giảm cường độ sau 5 năm
Mặt đường bê tông nhựa hoàn thiện Đạt chuẩn 285,0 – 340,0 290,0 – 355,0 Kết cấu duy trì khả năng chịu tải tốt

Từ các thông số cơ lý và mô đun đàn hồi xác định được, tác giả xác định hệ số lớp kết cấu theo AASHTO ($a_2 = 0,14 - 0,20$ đối với móng xỉ thép gia cố xi măng; $a_3 = 0,11 - 0,14$ đối với móng cấp phối xỉ thép). Luận án đề xuất các sơ đồ kết cấu áo đường tối ưu cho 3 nhóm công trình theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 và 22TCN 274-01:

  1. Đường giao thông nông thôn: Mặt đường BTXM hoặc láng nhựa, móng xỉ thép không gia cố dày 12–15 cm.
  2. Đường ô tô thông thường (Cấp III, Cấp II): Mặt đường BTN chặt, móng trên bằng xỉ thép gia cố 4-5% xi măng dày 15–18 cm, móng dưới bằng cấp phối xỉ thép dày 15–20 cm.
  3. Đường ô tô cao tốc: Mặt đường BTN Polyme/BTN chặt, móng trên xỉ thép phối trộn đá mi gia cố 5-6% xi măng dày 18–20 cm, móng dưới cấp phối xỉ thép dày 20–25 cm.

Chương này cũng hoàn thiện quy trình công nghệ thi công, các lưu ý về khống chế độ ẩm tối ưu khi lu lèn và yêu cầu dưỡng hộ lớp móng gia cố xi măng tối thiểu 7 ngày trước khi thi công lớp mặt.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  • Xác lập cơ sở khoa học và hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về các đặc tính cơ, lý, hóa và môi trường của xỉ thép phát thải từ công nghệ lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu sau tái chế.
  • Chứng minh cơ chế cải thiện cấp phối hạt của xỉ thép khi phối trộn với cát mịn (tỷ lệ 80/20) và đá mi (tỷ lệ 70/30), giải quyết triệt để vấn đề thiếu hạt mịn của xỉ thép thô tự nhiên.
  • Làm rõ quy luật phát triển cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ kéo khi ép chẻ ($R_{ech}$) và mô đun đàn hồi ($E$) của hỗn hợp xỉ thép gia cố xi măng theo hàm lượng xi măng và thời gian dưỡng hộ bằng mô hình thống kê thực nghiệm và phân tích phương sai.
  • Xác định bộ thông số tính toán đàn hồi và hệ số lớp kết cấu ($a_2, a_3$) phục vụ tính toán kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam (22TCN 211-06, 22TCN 274-01) và tiêu chuẩn AASHTO.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng:

  • Khẳng định xỉ thép EAF tái chế tại Bà Rịa – Vũng Tàu đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để thay thế hoàn toàn cấp phối đá dăm tự nhiên làm lớp móng dưới và móng trên cho đường ô tô các cấp.
  • Cung cấp dữ liệu thực chứng tin cậy từ đoạn đường thử nghiệm Quốc lộ 55 qua 5 năm khai thác (2013-2018), chứng minh kết cấu móng xỉ thép gia cố xi măng duy trì độ ổn định cường độ cao và không phát sinh biến dạng hư hỏng.
  • Đề xuất danh mục các giải pháp kết cấu áo đường cụ thể cho đường giao thông nông thôn, đường ô tô tiêu chuẩn và đường cao tốc; xây dựng hướng dẫn kỹ thuật thi công, lu lèn và kiểm soát chất lượng tại hiện trường.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Khuyến nghị tỷ lệ gia cố xi măng tối ưu từ 4% đến 6% (theo khối lượng) cho các hỗn hợp xỉ thép làm lớp móng đường nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và hạn chế nứt do co ngót.
  • Kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ GTVT, Bộ Xây dựng) ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết kế và thi công móng đường sử dụng xỉ thép EAF, mở rộng ứng dụng trên mạng lưới đường bộ khu vực phía Nam để giải tỏa áp lực bãi chứa chất thải và giảm áp lực khai thác mỏ đá tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nguồn mẫu xỉ thép thực nghiệm trong luận án chủ yếu thu thập từ công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang (EAF) tại các nhà máy thuộc khu vực tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (qua xử lý của một đơn vị tái chế cụ thể là Công ty TNHH Vật Liệu Xanh), chưa bao quát toàn bộ các nguồn xỉ thép từ công nghệ lò thổi oxy (BOF) hoặc lò cảm ứng (IF) tại các khu vực khác trên toàn quốc.
  • Quy mô đoạn đường thử nghiệm hiện trường mới triển khai trên một đoạn tuyến cụ thể (Quốc lộ 55 qua tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu) với các điều kiện địa chất, thủy văn và tải trọng khai thác đặc thù của vùng Đông Nam Bộ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả xác định:

  • Mở rộng nghiên cứu đánh giá các nguồn xỉ thép phát thải từ các công nghệ luyện kim khác nhau và tại các vùng miền khác nhau ở Việt Nam.
  • Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp gia cố xỉ thép kết hợp với các chất liên kết và phụ gia khoáng khác như xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS), tro bay nhiệt điện hoặc vôi để giảm thiểu hơn nữa lượng xi măng sử dụng.
  • Tiếp tục theo dõi dài hạn hơn nữa về độ bền mỏi của kết cấu áo đường, cũng như đánh giá chi tiết tính kiềm của nước thấm qua lớp móng xỉ thép ($pH \approx 8-11$) đối với hệ thống thoát nước ngầm và các công trình lân cận.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Vật liệu Xây dựng tại các trường đại học kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm, phân tích thống kê xử lý số liệu (Grubbs' Test, ANOVA, 2-Sample t-Test) và bộ số liệu cơ lý - hóa học chuẩn xác của vật liệu xỉ thép EAF tái chế.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và cán bộ kỹ thuật thi công đường bộ: Tham khảo trực tiếp các tỷ lệ phối trộn xỉ thép với cát mịn (80/20), đá mi (70/30), định mức gia cố xi măng (4-6%), các thông số tính toán kết cấu ($E, R_n, R_{ech}, a_2, a_3$) và quy trình kiểm soát độ chặt lu lèn hiện trường.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách (Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Xây dựng, Sở GTVT các địa phương): Có cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng quy chuẩn, định mức kinh tế kỹ thuật và chỉ dẫn áp dụng vật liệu tái chế trong xây dựng công trình giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ thép từ các nhà máy luyện thép tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu có phải là chất thải nguy hại không?
Không. Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 6705:2009, xỉ thép được phân loại là chất thải rắn công nghiệp thông thường. Kết quả phân tích thành phần hóa học đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 07:2009/BTNMT cho thấy toàn bộ các chỉ tiêu kim loại nặng và thành phần nguy hại vô cơ (chì, cadimi, asen, thủy ngân, crôm VI, xyanua...) trong mẫu xỉ tại nhà máy Phú Mỹ và Thép Việt đều không phát hiện hoặc nằm dưới ngưỡng nguy hại nhiều lần.

2. Tại sao xỉ thép nguyên bản cần phải phối trộn thêm cát mịn hoặc đá mi trước khi gia cố xi măng?
Xỉ thép tự nhiên sau quá trình đập nghiền sàng thường có thành phần hạt thô chiếm ưu thế và thiếu hụt hạt mịn, dẫn đến đường cấp phối không liên tục và độ rỗng giữa các hạt lớn. Việc phối trộn thêm 20% cát mịn hoặc 30% đá mi giúp lấp đầy các lỗ rỗng, tối ưu hóa thành phần hạt theo đường bao cấp phối liên tục, làm tăng độ chặt xốp, giúp tiết kiệm lượng xi măng kết dính và nâng cao cường độ chịu nén của hỗn hợp lên từ 15% đến 25%.

3. Hàm lượng xi măng tối ưu được luận án kiến nghị khi gia cố xỉ thép làm móng đường là bao nhiêu?
Luận án kiến nghị hàm lượng xi măng PCB40 hợp lý nhất là từ 4% đến 6% theo khối lượng hỗn hợp. Ở tỷ lệ này, cường độ chịu nén 28 ngày ($R_{n28}$) đạt từ 4,2 đến 9,1 MPa và mô đun đàn hồi đạt từ 2.100 đến 4.050 MPa tùy thuộc vào loại phối trộn, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đối với lớp móng trên theo tiêu chuẩn 22TCN 274-01 và 22TCN 211-06 mà không làm tăng nguy cơ nứt co ngót.

4. Đoạn đường thử nghiệm trên Quốc lộ 55 sử dụng móng xỉ thép hoạt động ra sao sau 5 năm khai thác?
Đoạn thử nghiệm thi công năm 2013 trên Quốc lộ 55 (đoạn qua trung tâm hành chính tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu) được kiểm tra lại vào tháng 12/2018. Kết quả đo mô đun đàn hồi bằng cần Benkelman và phân tích kiểm định thống kê 2-Sample t-Test khẳng định mô đun đàn hồi của lớp móng xỉ thép và mặt đường bê tông nhựa không bị suy giảm cường độ, đạt giá trị từ 290 đến 710 MPa, duy trì khả năng chịu lực ổn định dưới tác động của xe chạy và điều kiện thời tiết.

5. Luận án áp dụng các tiêu chuẩn nào để tính toán và thiết kế kết cấu áo đường sử dụng xỉ thép?
Luận án áp dụng đồng thời Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 (Quy trình thiết kế áo đường mềm), 22TCN 274-01 (Chỉ dẫn thiết kế mặt đường mềm có các lớp gia cố chất liên kết vô cơ) và Tiêu chuẩn thiết kế AASHTO thông qua việc xác lập các hệ số lớp kết cấu tương đương ($a_2$ cho móng gia cố xi măng và $a_3$ cho móng cấp phối hạt xỉ thép).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Mai Hồng Hà đã giải quyết một cách toàn diện và có hệ thống vấn đề tận dụng nguồn xỉ thép lò điện hồ quang tái chế tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu làm vật liệu móng đường ô tô. Thông qua các phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong phòng và quan trắc kiểm chứng hiện trường 5 năm trên Quốc lộ 55, công trình đã xác lập các chỉ tiêu cơ lý - hóa học chuẩn xác, tối ưu hóa giải pháp phối trộn đá mi (70/30) và cát mịn (80/20) gia cố 4-6% xi măng, đồng thời đề xuất các mẫu kết cấu áo đường phù hợp theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn kép, vừa giải tỏa áp lực môi trường và quỹ đất lưu trữ cho ngành công nghiệp luyện thép, vừa bổ sung nguồn vật liệu chất lượng cao thay thế đá tự nhiên trong xây dựng hạ tầng giao thông.