Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu gia cố và tình hình nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong xây dựng đƣờng ô tô. Chƣơng 2: Nghiên cứu thực nghiệm. Chƣơng 3: Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và khả năng sử dụng xỉ thép gia cố xi măng và tro bay trong xây dựng đƣờng ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Kết luận và kiến nghị -4- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GIA CỐ VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ.1 Tổng quan về vật liệu gia cố.
Công nghệ gia cố vật liệu rời đã và đang đƣợc áp dụng phổ biến và rất thành công ở nhiều nƣớc trên thế giới. Đây là giải pháp đem lại hiệu quả trong việc xử lý các nền đất yếu và gia cố các loại vật liệu rời nhƣ đất, cát, cấp phối đá dăm dùng trong xây dựng. Bản chất của quá trình gia cố là sử dụng các chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi, tro bay, xỉ lò cao…) hay hữu cơ tác động vào các loại vật liệu rời nhƣ: đất, cát, đá dăm nhằm cải tạo thành phần hạt, thay đổi tính chất cơ lý và giảm tính nén lún của vật liệu rời. Tuy nhiên, hiện nay công nghệ gia cố vật liệu rời nhƣ đất, cát, cấp phối đá dăm bằng các chất liên kết vô cơ (xi măng, tro bay…) đƣợc sử dụng khá phổ biến trong xây dựng đƣờng ô tô.
Từ những năm 1950 trên thế giới đã sử dụng và ban hành các quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật cũng nhƣ công nghệ thi công cấp phối đá dăm phù hợp với công nghệ sản xuất vật liệu, công nghệ thi công và điệu kiện đặc thù của mỗi nƣớc. Ở Việt Nam, công nghệ gia cố các loại vật liệu rời nhƣ: đất, cát, cấp phối đá dăm bằng các chất liên kết vô cơ cũng đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng đƣờng ô tô từ khá lâu. Sở dĩ ngày nay ngƣời ta quan tâm và sử dụng vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống nhƣ cấp phối thiên nhiên, cấp phối đá dăm,…dùng làm móng và mặt đƣờng là vì những tuyến đƣờng có mật độ giao thông lớn thƣờng xuyên chịu tải trọng nặng, kết cấu thƣờng xuyên chịu ảnh hƣởng của nƣớc ngầm thì vật liệu truyền thống không thể đáp ứng đƣợc và mặt đƣờng dễ bị biến dạng, hƣ hỏng.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất ƣợng của vật liệu gia cố. Khi gia cố xi măng và tro bay, bộ phận các hạt nhỏ trong hỗn hợp cấp phối xỉ thép sẽ thay đổi tính chất cơ lý nhiều nhất.
Bộ phận các hạt nhỏ này có tỷ diện lớn nhất, nó ảnh hƣởng nhiều đến quá trình đông cứng của đá xi măng và cƣờng độ của hỗn hợp vật liệu. Để đảm bảo cho hỗn hợp có độ rỗng nhỏ nhất, thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu phải gần với thành phần hạt của hỗn hợp có cấp phối tốt nhất. Nếu hỗn hợp vật liệu xỉ thép thiếu thành phần hạt nhỏ, dùng xi măng để lắp đầy các lỗ rỗng thì sẽ rất tốn xi -5- măng, nếu khống chế trƣớc lƣợng xi măng sử dụng thì độ rỗng của hỗn hợp lớn, cƣờng độ giảm và kém ổn định đối với nƣớc. Theo nghiên cứu, ngƣời ta thƣờng dùng hỗn hợp xỉ thép, có thành phần cấp phối tốt nhất với hệ số khối lƣợng giảm dần K = 0.7 để gia cố xi măng.
Cƣờng độ của hỗn hợp cấp phối xỉ thép gia cố xi măng và tro bay phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đá. Độ cứng của đá xi măng hình thành trong điều kiện tác dụng hóa lý phức tạp giữa xỉ thép với xi măng. Vữa xi măng sẽ đƣợc nén chặt, chắc lại và đông cứng thành đá xi măng trên mặt phân giới giữa xỉ thép và xi măng. Lớp đá xi măng này có chiều dày khoảng 20 – 30 micron và bám chắc trên bề mặt của các hạt xỉ thép.
Hàm lƣợng xi măng ảnh hƣởng nhiều đến cƣờng độ của hỗn hợp và giá thành. Do vậy phải thông qua thí nghiệm để xác định đƣợc chính xác lƣợng xi măng hợp lý nhất về kinh tế - kỹ thuật. Thông thƣờng 3 – 5% theo khối lƣợng nếu làm lớp móng dƣới, 4- 6% nếu làm lớp mặt, lớp móng trên của áo đƣờng cấp cao. Cũng có thể lấy hàm lƣợng xi măng bằng 15 – 20% khối lƣợng đá mặt có trong hỗn hợp (đá mặt có kích cỡ nhỏ hơn 2.
Cƣờng độ của hỗn hợp cấp phối gia cố xi măng phụ thuộc vào hàm lƣợng nƣớc trong hỗn hợp và tốc độ của quá trình hóa cứng của đá xi măng.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép dùng trong xây dựng đƣờng ô tô.Khái niệm xỉ thép Xỉ thép đƣợc hình thành nhƣ là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép. Các thành phần hóa học chính của xỉ thép là oxit của các kim loại: Canxi (CaO), Sắt (FexOy), Magie (MgO), Mangan (MnO2), Silic (SiO2) và Nhôm (Al2O3), … ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexO y chiếm đến 80% trọng lƣợng của xỉ lò. Xỉ lò điện hồ quang phát sinh từ quá trình luyện thép và đƣợc lấy ra ở nhiệt độ 1600oC. Ở nhiệt độ này, các kim loại nặng, chất hữu cơ, chất dễ bay hơi độc hại hoàn toàn không có mặt trong xỉ thép vì ở nhiệt độ > 1.200oC thì mọi chất thải nguy hại điều bị tiêu huy hoàn toàn.1: Quá trình hình thành xỉ thép Hình 1.2: Nguyên nhiên liệu sử dụng và các phát thải môi trường của ngành sản xuất thép lò điện Xỉ thép có tín chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, đƣợc so sánh tƣơng tự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên.
Xỉ thép có những ƣu điểm sau: nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên; độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt; độ bền cao và chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu. Vì vậy, xì thép đƣợc dùng để -7- thay thế các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nhằm hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trƣờng và tiết kiệm năng lƣợng [13] Bảng 1.1: Các hợp chất có trong xỉ thép tại các quốc gia tiêu biểu Việt Quốc gia Úc Trung Quốc Ấn Độ Nam Thành Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 1 Mẫu 2 phần CaO 41 40 35 45 - 60 30 - 50 37.2 Tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng công trình ở trên thế giới Hiện nay, tại châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản và nhiều nƣớc tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không đƣợc xem là chất thải nếu đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt buộc các công ty luyện thép thải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp. Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý gồm: Xỉ đã đƣợc nghiền thành hạt, xỉ đã đƣợc hóa rắn thành dạng viên hoặc -8- tấm, xỉ đƣợc nghiền, đập, sàng, xay đến kích thƣớc nhất định sẽ đƣợc sử dụng vào nhiều mục đích xây dựng, giao thông, nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải. Các ứng dụng của xỉ thép có thể đƣợc kể đến nhƣ sau [21]: - Thay thế cốt liệu cho bê tông xi măng: + Xỉ thép có chứa thành phần hóa học tƣơng tự nhƣ xi măng Portland mặc dù tỷ lệ các chất khác nhau.
Chính vì vậy, xỉ thép có thể đƣợc sử dụng trong xi măng Portland và trong bê tông. + Tùy vào ứng dụng cụ thể, hàm lƣợng xỉ thép thay thế trong xi măng Portland có thể đạt từ 20 – 50%. Sử dụng xỉ thép trong bê tông cũng có ƣu điểm, vì xỉ thép làm cho bê tông tăng tính ổn định nhiêt, kháng sulfate, nƣớc biển và clo và các tính chất này khó có thể tìm thấy khi dùng xi măng Portland.3 : Bê tông cốt liệu xỉ thép + Nghiên cứu của Manso năm 2004 cho thấy, xỉ thép đƣợc nghiền không tạo ra đủ các cốt liệu min, điều này dẫn đến hỗn hợp bê tông có mật độ cao và nặng. Thêm vào đó, lƣợng nƣớc cần cho quá trình trộn sẽ nhiều hơn do xỉ có độ rỗng lớn.
Ngoài ra, bê tông dùng xỉ thép có độ thấm nƣớc thấp và chống mài mòn cao và việc chế tạo đƣợc bê tông chất lƣợng cao từ xỉ thép là hoàn toàn có thể nếu loại bỏ đƣợc độ trƣơng nở của xỉ. + Trong một nghiên cứu, Patel đã chỉ ra rằng, việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép với hàm lƣợng không vƣợt quá 75% không gây ảnh hƣởng đáng kể đến các tính chất cơ bản của bê tông. -9- + Qasrawi năm 2009, nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải không và có hàm lƣợng CaO thấp, hầu nhƣ không qua xử lý chất hoạt tính, làm cốt liệu nhỏ thay cát trong bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng xỉ thải với hàm lƣợng 30% - 50%, cƣờng độ chịu nén và cƣờng độ chịu kéo của bê tông tăng tƣơng ứng 1.
Ngoài ra, độ sụt của bê tông giảm xuống, còn khối lƣợng thể tích tăng khi hàm lƣợng xỉ thép sử dụng tăng lên. + Nhiều công trình có sử dụng bê tông xỉ thép đƣợc xây dựng trên thế giới, nhƣ: Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh – Trung Quốc, sân bay Sydney, sân vận động Colonial Melboune và một số công trình khác.4: Sân vận động Colonial Melboune Hình 1.5: Hầm nối sân bay Sydney - 10 - Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng giao thông và công trình thủy lợi: Xỉ thép đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng đƣờng và cảng biển. Trong xây dựng đƣờng, xỉ thép đƣợc dùng làm vật liệu nền, móng và mặt đƣờng. - Xỉ thép cho nền, móng đƣờng [13]: + Trong xỉ thép có chứa hàm lƣợng CaO cao.
CaO sẽ trƣơng nở khi gặp nƣớc và làm tăng thể tích. Chính vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của xỉ thép cho nền và móng đƣờng là rất cần thiết. Nghiên cứu của Rohde và đồng nghiệp năm 2003 chỉ ra rằng, xỉ thép có khả năng mất ổn định dƣới tác động của nƣớc cao do trƣơng nở. Tuy nhiên, môđun đàn hồi của xỉ thép đƣợc bảo quản trong môi trƣờng ẩm khá cao, lên tới 500MPa, cao hơn đá dăm tự nhiên.
Điều này chứng tỏ xỉ thép có thể dùng làm móng đƣờng nếu đƣợc xử lý ẩm để giảm độ trƣơng nở thể tích. + Aiban năm 2006 cũng tiến hành một nghiên cứu sử dụng 100% xỉ thép làm lớp móng đƣờng. Kết quả hiện trƣờng cho thấy móng đƣờng làm việc rất tốt mặc dù bị ngập nƣớc nhiều lần do mƣa và hệ thống thoát nƣớc mƣa kém.