Tổng quan luận án
Sự phát triển của ngành công nghiệp xây dựng và hệ thống hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam làm gia tăng nhu cầu sử dụng vật liệu khoáng tự nhiên. Tại khu vực phía Nam, nguồn cốt liệu đá và cát phục vụ sản xuất bê tông nhựa tập trung chủ yếu ở các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương và Bà Rịa - Vũng Tàu. Tuy nhiên, các mỏ đá tự nhiên đã khai thác qua nhiều năm, thời hạn cấp phép còn lại ngắn, trong khi nguồn cát hạt thô và hạt trung ngày càng suy giảm, chủ yếu chỉ còn cát mịn. Việc khai thác khoáng sản tự nhiên chịu sự siết chặt để bảo vệ tài nguyên và môi trường sinh thái.
Cùng với đó, ngành công nghiệp luyện thép tạo ra khối lượng phế thải xỉ thép lớn. Theo số liệu của Hiệp hội Thép Việt Nam (VSA) và quy hoạch ngành thép, sản lượng phôi thép cả nước đạt 5 - 6 triệu tấn/năm, phát sinh khoảng 0,5 - 1,0 triệu tấn xỉ thép/năm. Riêng khu vực phía Nam (trọng tâm là tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu), lượng xỉ thép phát sinh trung bình 0,3 - 0,5 triệu tấn/năm và đạt xấp xỉ 1,0 triệu tấn/năm khi các nhà máy đạt công suất 4 - 5 triệu tấn/năm. Thực tế quản lý chất thải xỉ thép đối mặt với nhiều bất cập: tỷ lệ xỉ thép được xử lý tái chế chỉ chiếm gần 20%, phần lớn còn lại bị lưu bãi, đổ đống hoặc chôn lấp không đúng quy định (như các vụ việc tại khuôn viên chùa Đại Tòng Lâm, đường nội bộ nhà máy thép Pomina với diện tích hơn 7.000 $\text{m}^2$, khu đất phường Trường Thọ - Thủ Đức, hay bãi thải nhà máy Pomina 3), gây ô nhiễm bụi và chiếm dụng quỹ đất.
Về cơ sở pháp lý, Quyết định số 12/2006/QĐ-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho phép nhập khẩu xỉ hạt lò luyện thép làm vật liệu xây dựng; Nghị định số 59/2007/NĐ-CP, Quyết định số 2149/QĐ-TTg, Quyết định số 567/QĐ-TTg, Quyết định số 798/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ và tiêu chuẩn TCVN 6705:2009 đều xác định xỉ thép là chất thải rắn công nghiệp thông thường, đặt mục tiêu ưu tiên tái chế, tái sử dụng phế thải công nghiệp làm vật liệu xây dựng.
Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Các nghiên cứu trong nước trước đây về xỉ thép mới dừng ở mức khảo nghiệm sơ bộ tính chất cơ lý cơ bản, chưa đánh giá toàn diện thành phần khoáng vật, mức độ thôi nhiễm kim loại nặng, rủi ro trương nở thể tích do phản ứng hydrat hóa $\text{CaO}$ và $\text{MgO}$ tự do; thiếu quy chuẩn phân loại cỡ hạt cốt liệu và dây chuyền nghiền sàng chuẩn hóa cho bê tông nhựa; các kết quả thí nghiệm về hàm lượng nhựa tối ưu và đặc tính thể tích còn phân tán; đồng thời chưa có hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuyên sâu về các chỉ tiêu thiết kế - khai thác động lực học (mô đun đàn hồi động, mô đun phức động, độ bền mỏi uốn, vệt hằn lún bánh xe) và phân tích tuổi thọ kết cấu theo phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) gắn với cự ly vận chuyển kinh tế tại khu vực phía Nam.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu các tính chất của xỉ thép và công nghệ gia công xỉ thép để ứng dụng làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa (BTN).
- Nghiên cứu quy trình sản xuất mẫu và các đặc tính cơ lý, thể tích, cơ học, khai thác của BTN cốt liệu xỉ thép (sử dụng xỉ thép thay thế cốt liệu thô, nhựa đường có độ kim lún 60/70).
- Đề xuất phạm vi sử dụng và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của BTN cốt liệu xỉ thép làm mặt đường ô tô ở khu vực phía Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các chỉ tiêu cơ lý, thành phần hóa học, khoáng vật, mức độ an toàn môi trường của cốt liệu xỉ thép lò điện hồ quang (EAF); các chỉ tiêu cơ lý, đặc tính thể tích, chỉ tiêu thiết kế và khai thác của hỗn hợp bê tông nhựa nóng sử dụng cốt liệu xỉ thép thay thế cốt liệu đá dăm thô.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về vật liệu: Xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) lấy từ các nhà máy thép tại khu vực tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu (Thép Pomina, Thép Việt, Thép Miền Nam) qua chế biến tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh; đá dăm đối chứng lấy từ mỏ đá Cường Thuận IDICO (tỉnh Đồng Nai); nhựa đường đặc gốc dầu mỏ có độ kim lún 60/70; hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12,5 và BTNC 19, bê tông nhựa rỗng BTNR 19.
- Về không gian: Khu vực phía Nam (trọng tâm là địa bàn các tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Thành phố Hồ Chí Minh).
- Về phương pháp: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, phân tích thống kê xử lý số liệu, mô phỏng kết cấu mặt đường mềm theo hướng dẫn cơ học thực nghiệm MEPDG và tính toán cự ly vận chuyển kinh tế.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu quốc tế cho thấy xỉ thép đã được ứng dụng làm cốt liệu đường bộ tại nhiều quốc gia như Mỹ, Nga, Đức, Bỉ, Ý, Slovenia, Croatia, Jordan, Iran, Romania, Malaysia, Trung Quốc, Nhật Bản, Nam Phi và Úc:
- Tiêu chuẩn quốc tế: ASTM D5106-15 (Mỹ) quy định kiểm soát độ trương nở do hydrat hóa, an toàn môi trường và thôi nhiễm độc hại theo phương pháp EPA SW846 1311 (TCLP); ГОСТ 3344-83, ГОСТ 26644-85, ГОСТ 5578-94 (Nga) quy định độ ổn định cấu trúc, giới hạn $\text{P}_2\text{O}5 \le 2%$ và hoạt độ phóng xạ an toàn ($A{eff} < 740\text{ Bq/kg}$); JIS A 5015:2013 (Nhật Bản) khống chế độ trương nở khi ngâm nước $< 1,5 - 3%$ và độ hấp thụ nước $< 3%$.
- Đặc tính cơ lý xỉ thép: Các nghiên cứu của Emery (Mỹ), Manso và cs, Luxán và cs, Barra và cs, Euroslag, Nippon Slag, ASA chỉ ra xỉ EAF có khối lượng riêng cao ($2,82 - 3,91\text{ g/cm}^3$), độ hút nước dao động ($0,2 - 6,92%$), độ mài mòn Los Angeles LA tốt ($13 - 25%$), độ nén dập trong xi lanh đạt $6 - 23%$, chỉ số mài bóng PSV đạt $38 - 79%$, độ dính bám với nhựa đường trên $95%$, hàm lượng hạt thoi dẹt thấp ($1,4 - 10,3%$).
- Thành phần hóa học và khoáng vật: Thành phần chủ yếu gồm $\text{CaO}$ ($20,0 - 49,7%$), $\text{Fe}_2\text{O}_3/\text{FeO}$ ($7,61 - 42,5%$), $\text{SiO}_2$ ($4,64 - 37,0%$), $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($1,3 - 22,59%$), $\text{MgO}$ ($2,0 - 13,09%$). Nghiên cứu của Emery, Yildirim & Prezzi, De Bock nhấn mạnh hiện tượng trương nở thể tích bắt nguồn từ $\text{CaO}$ tự do ngậm nước nhanh trong vài ngày, $\text{MgO}$ tự do hydrat hóa chậm qua nhiều tháng/năm, và sự chuyển pha đa hình từ $\beta\text{-C}_2\text{S}$ sang $\gamma\text{-C}_2\text{S}$ ở nhiệt độ dưới $500^\circ\text{C}$ làm thể tích tăng tới $10%$.
- An toàn môi trường: Các phân tích kim loại nặng ngâm chiết (TCLP) tại Mỹ, Đức, Ả Rập Xê Út, Nam Phi cho thấy nồng độ $\text{As, Se, Ba, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn, Hg}$ đều nằm dưới ngưỡng giới hạn cho phép của EPA.
- Tính chất hỗn hợp bê tông nhựa xỉ thép: Nghiên cứu tại Mỹ, Bỉ, Malaysia, Croatia, Jordan chỉ ra khối lượng thể tích của BTN xỉ thép lớn hơn BTN đá dăm $15 - 20%$ ($2,722 - 2,95\text{ g/cm}^3$); độ ổn định Marshall tăng (Malaysia: ACW14 đạt 22,0 kN so với đá dăm 13,39 kN; Croatia: 15,2 kN so với 11,7 kN); mô đun đàn hồi động tăng vượt trội (Malaysia: ACW14 ở $25^\circ\text{C}$ đạt 4436,15 MPa so với 1976,85 MPa); khả năng kháng lún vệt bánh xe cao (ACW14 lún 6,1 mm sau 5000 chu kỳ so với đá dăm lún 15 mm sau 2019 chu kỳ; Croatia ghi nhận chiều sâu vệt lún 2,7 mm so với 7,9 mm ở lớp mặt AC11).
Tại Việt Nam, các nghiên cứu bước đầu bao gồm:
- Trần Hữu Bằng (ĐH GTVT CSII): Nghiên cứu xỉ thải Bà Rịa - Vũng Tàu làm phụ gia khoáng cho bê tông xi măng đường ô tô và kết cấu kè chắn.
- Nguyễn Phi Sơn (ĐH Bách Khoa TP.HCM): Khảo sát phế thải xỉ sắt làm cốt liệu cho bê tông asphalt, xác định hàm lượng nhựa tối ưu 5,0 - 6,0%, độ ổn định Marshall tăng, cường độ nén $> 70\text{ daN/cm}^2$, độ ổn định còn lại $> 75%$.
- Tạ Thị Huệ (ĐH GTVT CSII): Khảo sát thay thế đá dăm bằng xỉ thép, ghi nhận độ bền Marshall tăng 4 - 5%, chỉ ra phối trộn hỗn hợp giữa xỉ và đá làm giảm độ ổn định so với cấp phối dùng 100% xỉ thép thô, đề xuất thay thế toàn bộ cốt liệu thô bằng xỉ thép.
Vị trí của luận án: Luận án kế thừa các phát hiện về tính chất của xỉ EAF, khắc phục tính phân tán của các nghiên cứu trước bằng việc thực hiện đồng bộ từ khâu chuẩn hóa phân loại kích cỡ cốt liệu xỉ thép theo tiêu chuẩn Mỹ (ASTM D448, ASTM D1073) kết hợp TCVN 8819:2011; khảo sát thực tế và đề xuất hoàn thiện dây chuyền công nghệ nghiền sàng tuyển từ tại nhà máy; kiểm soát các chỉ tiêu hóa khoáng và trương nở; thiết lập quy trình chế tạo mẫu tối ưu nhiệt độ - thời gian trộn; kiểm định thống kê đánh giá các đặc tính thể tích, cơ học động, độ bền mỏi; ứng dụng phần mềm MEPDG dự báo hư hỏng mặt đường và xác lập bài toán cự ly vận chuyển kinh tế cho khu vực phía Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình phân tích
- Lý thuyết biến đổi pha và hydrat hóa khoáng chất: Cơ chế phản ứng hydrat hóa của canxi oxit tự do ($\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca(OH)}_2$) và magie oxit tự do ($\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Mg(OH)}_2$) kèm theo sự tăng thể tích chất rắn; lý thuyết chuyển pha khoáng dicalcium silicate ($\text{C}_2\text{S}$) từ pha $\beta$ sang pha $\gamma$ gây rã nở cấu trúc.
- Lý thuyết cấu trúc bê tông nhựa và cơ chế tương tác bề mặt: Đánh giá đặc tính tương tác giữa màng bitum và bề mặt rỗ nhám của xỉ thép; thông số chiều dày màng nhựa biểu kiến (Apparent Film Thickness - AFT) và tỷ lệ bột khoáng trên hàm lượng nhựa có hiệu ($D/B$); các chỉ tiêu thể tích hỗn hợp đầm chặt: độ rỗng dư ($V_a$), độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA).
- Lý thuyết thiết kế thực nghiệm và xử lý thống kê: Phương pháp thiết kế thực nghiệm (DOE); phương pháp loại trừ sai số thô theo tiêu chuẩn Tuten - Mua; kiểm định phân phối chuẩn, phân tích phương sai (ANOVA), phân tích số dư (residual analysis) bằng phần mềm Minitab.
- Lý thuyết cơ học thực nghiệm thiết kế kết cấu áo đường (MEPDG): Mô hình ứng xử đàn hồi nhớt của vật liệu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục xe lặp và điều kiện nhiệt độ môi trường; mô hình tích lũy biến dạng vệt hằn bánh xe (rutting), độ gồ ghề quốc tế (IRI) và suy giảm chỉ số độ cứng phục vụ dự báo tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Khảo sát nguồn nguyên liệu: Lấy mẫu xỉ thép EAF tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (nguồn phát sinh từ Thép Pomina, Thép Việt, Thép Miền Nam - tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu); lấy mẫu đá dăm đối chứng tại Công ty Cường Thuận IDICO (tỉnh Đồng Nai).
- Thí nghiệm cơ lý, hóa học, môi trường của cốt liệu:
- Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ hút nước; độ mài mòn Los Angeles (LA); độ nén dập trong xi lanh; hàm lượng hạt thoi dẹt; độ dính bám với nhựa đường.
- Phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF); phân tích thành phần khoáng vật bằng nhiễu xạ tia X (XRD); thử nghiệm hàm lượng kim loại nặng thôi nhiễm theo phương pháp chiết độc tính (TCLP); thí nghiệm độ trương nở ngâm nước theo tiêu chuẩn ASTM D4792.
- Thí nghiệm hỗn hợp bê tông nhựa trong phòng:
- Phương pháp đầm tạo mẫu Marshall theo TCVN 8820:2011; khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trộn và thời gian trộn đến các chỉ tiêu kỹ thuật.
- Kiểm tra độ chụm kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo theo tiêu chuẩn châu Âu EN.
- Thí nghiệm xác định độ ổn định Marshall còn lại sau khi ngâm ủ nhiệt.
- Phân tích cấu trúc vi mô bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và cốt liệu dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại x50 và x2000.
- Hệ thống thí nghiệm chỉ tiêu thiết kế và khai thác:
- Thí nghiệm vệt hằn bánh xe (Wheel Tracking Test - WTT) xác định chiều sâu lún và tốc độ lún vệt bánh.
- Thí nghiệm xác định độ nhám bề mặt bằng thiết bị con lắc Anh (BPN).
- Thí nghiệm độ hao mòn bề mặt (Cantabro).
- Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ ở các dải nhiệt độ.
- Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ở $30^\circ\text{C}$.
- Thí nghiệm tải trọng lặp kéo gián tiếp xác định mô đun đàn hồi động.
- Thí nghiệm xác định mô đun phức động ($E^*$) ở các tần số và nhiệt độ khác nhau.
- Thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm (Four-Point Bending Fatigue Test) ở nhiệt độ $20^\circ\text{C}$, tần số 5 Hz.
- Phân tích kết cấu áo đường và hiệu quả kinh tế:
- Mô phỏng ứng xử các kết cấu mặt đường mềm sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép so với BTN cốt liệu đá dăm thông thường bằng phần mềm MEPDG.
- Tính toán đơn giá thành phẩm hỗn hợp bê tông nhựa và xác định phương trình cự ly vận chuyển kinh tế đến các trạm trộn tại KCN Mỹ Xuân 1 (Bà Rịa - Vũng Tàu), KCN Biên Hòa 1 (Đồng Nai) và Thủ Đức (TP. Hồ Chí Minh).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về xỉ thép và bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và thực tiễn về công nghệ luyện thép, phát sinh xỉ thép, các tiêu chuẩn và kết quả nghiên cứu trên thế giới cũng như tại Việt Nam:
- Tổng quan công nghệ luyện thép và phân loại xỉ: Trình bày 3 công nghệ chính (lò cao - lò thổi oxy BOF, lò điện hồ quang EAF, lò thùng). Tại Việt Nam, công nghệ lò điện hồ quang EAF chiếm ưu thế, sử dụng thép phế liệu tái chế kết hợp vôi/dolomite. Cứ sản xuất 1 tấn thép thành phẩm phát sinh khoảng 165 kg xỉ thép, 19 kg bụi lò, 16 kg vảy oxit sắt, 120 kg $\text{CO}_2$ cùng các phát thải khác. Xỉ thép được phân chia theo phương pháp làm mát thành xỉ tinh thể, xỉ hạt và xỉ trương nở/sủi bọt.
- Đặc tính xỉ thép qua các nghiên cứu quốc tế: Tổng hợp dữ liệu cơ lý từ 13 nghiên cứu tại Mỹ, Đức, Ý, Jordan, Iran, Bỉ, Malaysia, Slovenia, Romania, Nga, chỉ ra xỉ thép có khối lượng riêng lớn ($2,82 - 3,91\text{ g/cm}^3$), độ mài mòn LA thấp ($13 - 25%$), độ dính bám nhựa cao ($> 95%$). Phân tích khoáng vật chỉ rõ các pha chính gồm $\text{CaCO}_3$, $\text{FeO}$, $\text{MgO}$, $\text{Fe}_2\text{SiO}_4$, $\gamma\text{-Ca}_2\text{SiO}_4$, wustite, larnite, gehlenite.
- Thực trạng tại Việt Nam: Sản lượng phôi thép tăng trưởng trên 18%/năm giai đoạn 2001 - 2013; lượng xỉ thép tồn ứ lớn tại khu vực Đông Nam Bộ. Đánh giá kết quả các luận văn của Trần Hữu Bằng, Nguyễn Phi Sơn, Tạ Thị Huệ; chỉ ra các hạn chế về quy trình sản xuất cốt liệu chuẩn hóa, thiếu vắng các thí nghiệm động học chuyên sâu và cơ sở phân tích kinh tế - kỹ thuật.
Chương 2: Nghiên cứu sử dụng xỉ thép ở khu vực phía Nam làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa nóng
Chương 2 tập trung vào nghiên cứu chuẩn hóa kích cỡ cốt liệu, khảo sát - đề xuất dây chuyền công nghệ gia công xỉ thép và kiểm định toàn diện các chỉ tiêu cơ lý, hóa học, khoáng vật, an toàn môi trường của cốt liệu xỉ thép phía Nam:
- Lựa chọn tiêu chuẩn kích cỡ cốt liệu và thiết kế cấp phối:
Luận án lựa chọn tiêu chuẩn phân loại cốt liệu mịn ASTM D1073-11 (loại 2, cỡ 0 - 4,75 mm) và cốt liệu thô ASTM D448-08 (loại 6: 9,5 - 19 mm; loại 7: 4,75 - 12,5 mm; loại 78: 2,36 - 12,5 mm; loại 89: 1,18 - 9,5 mm). Trên cơ sở đó, thiết lập thành phần cấp phối hỗn hợp BTNC 12,5 và BTNC 19 thỏa mãn miền cấp phối của TCVN 8819:2011.
| Cỡ mắt sàng (mm) |
Cận dưới TCVN 8819 |
Cận trên TCVN 8819 |
BTNC 12,5 Thiết kế (% lọt) |
BTNC 19 Thiết kế (% lọt) |
| 25 |
100,0 |
100,0 |
100,00 |
100,00 |
| 19 |
100,0 |
100,0 |
100,00 |
98,42 |
| 12,5 |
90,0 |
100,0 |
96,15 |
79,56 |
| 9,5 |
74,0 |
89,0 |
82,31 |
64,18 |
| 4,75 |
48,0 |
71,0 |
58,19 |
45,85 |
| 2,36 |
30,0 |
55,0 |
41,75 |
36,10 |
| 1,18 |
21,0 |
40,0 |
30,30 |
26,13 |
| 0,6 |
15,0 |
31,0 |
22,57 |
19,15 |
| 0,3 |
9,0 |
22,0 |
15,20 |
12,76 |
| 0,15 |
6,0 |
15,0 |
10,61 |
8,72 |
| 0,075 |
4,0 |
10,0 |
8,49 |
6,17 |
Tỷ lệ phối trộn thành phần:
- Hỗn hợp BTNC 12,5: Cốt liệu xỉ D7 chiếm 22,68%; D78 chiếm 12,75%; D89 chiếm 20,31%; cát C2 chiếm 35,18%; bột khoáng BK chiếm 9,08%.
- Hỗn hợp BTNC 19: Cốt liệu xỉ D6 chiếm 31,66%; D78 chiếm 13,04%; D89 chiếm 19,83%; cát C2 chiếm 27,94%; bột khoáng BK chiếm 7,53%.
-
Công nghệ sản xuất cốt liệu xỉ thép:
Phân tích 4 dạng sơ đồ công nghệ nghiền sàng đá dăm tại phía Nam (kết hợp máy nghiền má lắc đơn giản/phức tạp và máy nghiền côn). Đánh giá dây chuyền hiện hữu tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu), chỉ ra nhược điểm cốt liệu sau nghiền chưa được phân tách theo cỡ hạt tiêu chuẩn phục vụ bê tông nhựa. Luận án đề xuất sơ đồ công nghệ cải tiến bổ sung hệ thống nghiền côn thứ cấp kết hợp sàng rung phân loại nhiều tầng và thiết bị tuyển từ nhiều giai đoạn để sản xuất đồng bộ các cỡ hạt D6, D7, D78, D89.
-
Kết quả kiểm định tính chất cơ lý, hóa khoáng và an toàn môi trường:
- Áp dụng tiêu chuẩn Tuten - Mua loại bỏ sai số thô, kiểm định phân phối chuẩn các số liệu thí nghiệm. Kết quả so sánh chỉ tiêu cơ lý trung bình giữa xỉ thép EAF và đá dăm tự nhiên:
| Chỉ tiêu kỹ thuật |
Đơn vị |
Xỉ thép EAF (Bà Rịa - Vũng Tàu) |
Đá dăm (Cường Thuận IDICO) |
| Khối lượng riêng |
$\text{g/cm}^3$ |
3,42 - 3,58 |
2,68 - 2,72 |
| Khối lượng thể tích kết hạt |
$\text{g/cm}^3$ |
3,28 - 3,36 |
2,62 - 2,65 |
| Độ hút nước |
% |
1,45 - 1,82 |
0,65 - 0,95 |
| Độ hao mòn Los Angeles (LA) |
% |
14,2 - 16,5 |
22,5 - 26,8 |
| Độ nén dập trong xi lanh |
% |
11,8 - 13,2 |
16,5 - 18,9 |
| Hàm lượng hạt thoi dẹt |
% |
3,2 - 5,1 |
8,5 - 12,4 |
| Độ dính bám với nhựa đường |
Cấp |
Cấp 5 ($> 95%$) |
Cấp 3 - Cấp 4 |
| Độ trương nở ngâm nước (ASTM D4792) |
% |
0,08 - 0,12 ($< 1,5%$) |
- |
- Thành phần hóa học (XRF): Mẫu xỉ thép Thép Việt và Thép Miền Nam chứa $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ($31,2 - 36,5%$), $\text{CaO}$ ($28,4 - 32,8%$), $\text{SiO}_2$ ($13,5 - 16,2%$), $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($5,8 - 7,4%$), $\text{MgO}$ ($4,2 - 6,1%$), hàm lượng $\text{CaO}$ tự do thấp ($< 1,0%$).
- An toàn môi trường: Nồng độ các kim loại nặng ngâm chiết ($\text{As}, \text{Cd}, \text{Pb}, \text{Cr}, \text{Hg}, \text{Cu}, \text{Zn}$) trong dung dịch chiết TCLP đều thấp hơn nhiều lần so với ngưỡng giới hạn quy định của QCVN 07:2009/BTNMT và tiêu chuẩn EPA, khẳng định xỉ thép EAF an toàn cho môi trường khi dùng làm cốt liệu đường bộ.
Chương 3: Nghiên cứu trong phòng các tính chất của bê tông nhựa nóng cốt liệu xỉ thép
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo mẫu, phân tích cấu trúc vi mô, đánh giá đặc tính thể tích, cơ lý và các chỉ tiêu khai thác chuyên sâu:
-
Nghiên cứu công nghệ trộn và kiểm soát độ chụm:
- Khảo sát nhiệt độ trộn ($140^\circ\text{C}, 150^\circ\text{C}, 160^\circ\text{C}, 170^\circ\text{C}$) và thời gian trộn ($60\text{s}, 90\text{s}, 120\text{s}, 150\text{s}$). Xác định nhiệt độ trộn tối ưu cho hỗn hợp BTN cốt liệu xỉ thép là $160^\circ\text{C} \pm 5^\circ\text{C}$, thời gian trộn tối ưu là $90 - 120\text{ giây}$.
- Kiểm tra độ chụm theo tiêu chuẩn châu Âu EN: Các kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall đều có hệ số biến thiên ($C_v$) nằm trong giới hạn cho phép ($C_v < 6%$).
-
Đặc tính thể tích và cơ lý Marshall:
Xác định hàm lượng nhựa tối ưu (tính theo % khối lượng hỗn hợp) cho BTNC 12,5 cốt liệu xỉ thép là 5,2% (so với mẫu đá dăm đối chứng là 4,9%); cho BTNC 19 cốt liệu xỉ thép là 4,8% (so với mẫu đá dăm là 4,5%).
| Chỉ tiêu cơ lý Marshall |
Đơn vị |
BTNC 12,5 (Xỉ thép) |
BTNC 12,5 (Đá dăm) |
BTNC 19 (Xỉ thép) |
BTNC 19 (Đá dăm) |
| Khối lượng thể tích |
$\text{g/cm}^3$ |
2,745 |
2,412 |
2,782 |
2,435 |
| Độ ổn định Marshall |
kN |
16,85 |
12,40 |
17,92 |
13,15 |
| Độ dẻo Marshall |
mm |
3,35 |
3,10 |
3,42 |
3,05 |
| Thương số Marshall |
$\text{kN/mm}$ |
5,03 |
4,00 |
5,24 |
4,31 |
| Độ rỗng dư ($V_a$) |
% |
4,12 |
4,25 |
4,35 |
4,40 |
| Độ rỗng cốt liệu (VMA) |
% |
15,82 |
15,10 |
14,95 |
14,20 |
| Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) |
% |
73,95 |
71,85 |
70,90 |
69,01 |
| Độ ổn định còn lại |
% |
88,6 |
79,5 |
89,4 |
81,2 |
| Chiều dày màng nhựa (AFT) |
$\mu\text{m}$ |
9,45 |
8,20 |
9,12 |
7,95 |
| Tỷ lệ bột khoáng/nhựa ($D/B$) |
- |
1,12 |
1,18 |
1,08 |
1,15 |
-
Cấu trúc vi mô (SEM):
Ảnh chụp SEM ở độ phóng đại x50 và x2000 chứng minh nhựa bitum thẩm thấu sâu vào các lỗ rỗng hở trên bề mặt hạt xỉ thép, tạo nên liên kết ngàm cơ học bền vững, giải thích nguyên nhân làm tăng độ ổn định Marshall còn lại và sức kháng bong tróc do nước.
-
Các chỉ tiêu phục vụ thiết kế và khai thác:
- Kháng hằn lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test ở $60^\circ\text{C}$): BTNC 12,5 cốt liệu xỉ thép có chiều sâu vệt lún sau 2520 chu kỳ là 2,85 mm và sau 5000 chu kỳ là 3,42 mm, tốc độ lún $0,0008\text{ mm/chu kỳ}$; trong khi mẫu đá dăm đạt chiều sâu lún tương ứng 5,95 mm và 7,45 mm, tốc độ lún $0,0021\text{ mm/chu kỳ}$. Đối với BTNC 19 cốt liệu xỉ thép, chiều sâu vệt lún sau 5000 chu kỳ là 3,15 mm (đá dăm là 6,85 mm).
- Độ nhám mặt đường (Con lắc Anh - BPN): Giá trị BPN của BTNC 12,5 xỉ thép đạt 78 BPN (đá dăm đạt 65 BPN); sau khi mài mòn, độ nhám xỉ thép duy trì ở mức 68 BPN trong khi đá dăm giảm xuống 52 BPN.
- Độ mài mòn bề mặt (Cantabro): Tổn thất khối lượng của BTNC 12,5 xỉ thép là 6,2% (đá dăm là 11,5%).
- Cường độ ép chẻ (kéo gián tiếp): Ở $25^\circ\text{C}$, cường độ ép chẻ của BTNC 12,5 xỉ thép đạt 1,48 MPa (đá dăm đạt 1,15 MPa); ở $60^\circ\text{C}$ đạt 0,38 MPa (đá dăm đạt 0,24 MPa).
- Mô đun đàn hồi tĩnh ($30^\circ\text{C}$): BTNC 12,5 xỉ thép đạt 485 MPa (đá dăm đạt 350 MPa); BTNC 19 xỉ thép đạt 560 MPa (đá dăm đạt 410 MPa).
- Mô đun đàn hồi động và mô đun phức ($E^$):* Mô đun đàn hồi động ở $25^\circ\text{C}$ của BTNC 12,5 xỉ thép đạt 4650 MPa (đá dăm đạt 2850 MPa); ở $40^\circ\text{C}$ đạt 1120 MPa (đá dăm đạt 680 MPa). Mô đun phức động $E^*$ của hỗn hợp xỉ thép ở tần số 10 Hz, nhiệt độ $20^\circ\text{C}$ đạt 8450 MPa (đá dăm đạt 5620 MPa).
- Độ bền mỏi uốn dầm 4 điểm ($20^\circ\text{C}$, 5 Hz): Số chu kỳ chịu tải mỏi đến khi mô đun độ cứng ban đầu suy giảm 50% ở mức biến dạng $400\ \mu\varepsilon$ của BTNC 12,5 xỉ thép đạt $4,85 \times 10^5$ chu kỳ, cao hơn gấp 1,8 lần so với mẫu đối chứng đá dăm ($2,68 \times 10^5$ chu kỳ).
Chương 4: Đề xuất khả năng sử dụng bê tông nhựa nóng cốt liệu xỉ thép làm mặt đường ô tô ở khu vực phía Nam
Chương 4 đánh giá kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm MEPDG và tính toán bài toán kinh tế vận chuyển:
-
Phân tích kết cấu mặt đường bằng MEPDG:
- Thiết lập ma trận tính toán với các biến: loại kết cấu (KC1: tầng mặt BTN thông thường; KC2: tầng mặt BTN cốt liệu xỉ thép), chiều dày lớp mặt ($H_{BTN} = 10 - 15\text{ cm}$), lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng ($H_{CPDD_GCXM} = 15 - 20\text{ cm}$), tải trọng trục xe thiết kế và điều kiện khí hậu khu vực Đông Nam Bộ.
- Kết quả mô phỏng sau 10 - 15 năm khai thác:
- Độ lún vệt bánh xe tích lũy của kết cấu sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép giảm $28 - 35%$ so với kết cấu dùng đá dăm.
- Chỉ số gồ ghề quốc tế IRI của mặt đường BTN xỉ thép tăng chậm hơn, duy trì mức phục vụ tốt ($IRI < 2,5\text{ m/km}$) lâu hơn $3,5 - 5,0\text{ năm}$.
- Phân tích ANOVA trong Minitab khẳng định yếu tố loại cốt liệu (xỉ thép/đá dăm) và chiều dày lớp mặt có ảnh hưởng mang ý nghĩa thống kê cao ($p\text{-value} < 0,001$) đến tuổi thọ mỏi và độ kháng lún của kết cấu.
-
Đánh giá hiệu quả kinh tế và cự ly vận chuyển:
- Giá thành sản xuất tại trạm trộn: Mặc dù khối lượng thể tích của BTN xỉ thép lớn hơn làm tăng khối lượng vật liệu trên $1\text{ m}^2$ mặt đường, nhưng do giá cốt liệu xỉ thép tại các nhà máy luyện thép thấp hơn đáng kể so với đá dăm tự nhiên, giá thành sản xuất $1\text{ tấn}$ BTNC 12,5 cốt liệu xỉ thép tại trạm trộn thấp hơn hoặc tương đương BTN đá dăm.
- Cự ly vận chuyển kinh tế: Tính toán chi phí vận chuyển sản phẩm đến chân công trình từ các trung tâm sản xuất:
- Trạm trộn đặt tại KCN Mỹ Xuân 1 (Bà Rịa - Vũng Tàu): Cự ly vận chuyển kinh tế đạt hiệu quả cao trong bán kính $R \le 45\text{ km}$ (bao phủ toàn bộ tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, một phần Đồng Nai và khu vực cảng Cái Mép - Thị Vải).
- Trạm trộn đặt tại KCN Biên Hòa 1 (Đồng Nai): Cự ly vận chuyển hiệu quả trong bán kính $R \le 30\text{ km}$.
- Trạm trộn đặt tại Thủ Đức (TP. Hồ Chí Minh): Cự ly vận chuyển kinh tế trong bán kính $R \le 25\text{ km}$.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Đã xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc tính cơ lý, hóa học, khoáng vật và độ an toàn môi trường của nguồn xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực phía Nam Việt Nam.
- Chứng minh và giải thích cơ chế tương tác bề mặt, ngàm móc cơ học giữa bitum và cấu trúc xỉ thép thông qua phân tích hiển vi điện tử SEM, chiều dày màng nhựa biểu kiến (AFT) và tỷ lệ bột khoáng/nhựa có hiệu ($D/B$).
- Thiết lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm về mô đun đàn hồi động, mô đun phức động ($E^*$), sức kháng hằn lún vệt bánh xe (WTT) và đường cong suy giảm độ bền mỏi uốn dầm 4 điểm của BTN cốt liệu xỉ thép trong điều kiện nhiệt độ cao đặc thù của miền Nam.
- Ứng dụng thành công phương pháp cơ học thực nghiệm MEPDG trong phân tích ứng xử, dự báo hư hỏng và đánh giá sự gia tăng tuổi thọ của kết cấu mặt đường mềm sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:
- Đề xuất quy chuẩn kích cỡ cốt liệu xỉ thép theo tiêu chuẩn ASTM D448-08 (các nhóm D6, D7, D78, D89) và ASTM D1073-11 kết hợp khung cấp phối TCVN 8819:2011 để chuẩn hóa vật liệu đầu vào.
- Đề xuất cải tiến sơ đồ dây chuyền công nghệ nghiền sàng tuyển từ đa tầng tại các cơ sở tái chế xỉ thép để chế tạo cốt liệu đạt chuẩn kỹ thuật cho bê tông nhựa.
- Xác lập công thức phối trộn và quy trình chế tạo mẫu BTNC 12,5 và BTNC 19 sử dụng xỉ thép thay thế 100% cốt liệu thô với nhiệt độ trộn $160^\circ\text{C} \pm 5^\circ\text{C}$ và thời gian trộn $90 - 120\text{ giây}$.
- Xác định vùng và cự ly vận chuyển kinh tế cho các trạm trộn bê tông nhựa tại Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và TP. Hồ Chí Minh, cung cấp luận cứ kỹ thuật - kinh tế cho các chủ đầu tư và cơ quan quản lý giao thông.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Nghiên cứu tập trung vào nguồn xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) tại khu vực tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, chưa khảo sát mở rộng đối với các nguồn xỉ thép từ công nghệ lò thổi oxy (BOF) hoặc các nhà máy luyện kim liên hợp ở miền Trung và miền Bắc.
- Phạm vi cốt liệu thay thế mới thực hiện cho phần cốt liệu thô kết hợp với cát vàng tự nhiên mịn và nhựa đường thông thường 60/70; chưa thực hiện thay thế hoàn toàn phần cốt liệu mịn bằng xỉ hạt.
- Các kết quả nghiên cứu chủ yếu được thực hiện và kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm trong phòng và mô phỏng số MEPDG, chưa có điều kiện theo dõi quan trắc trên các đoạn đường thực nghiệm hiện trường chịu tác động của lưu lượng xe thực tế qua nhiều năm khai thác.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng nghiên cứu sử dụng toàn bộ cốt liệu thô và cốt liệu mịn bằng xỉ thép trong bê tông nhựa nóng kết hợp nhựa đường polyme (PMB) hoặc phụ gia kháng hằn lún.
- Xây dựng các đoạn đường thử nghiệm hiện trường tại các tuyến đường trục chịu tải trọng nặng ở khu vực cảng biển, khu công nghiệp phía Nam để đối chứng, kiểm chuẩn các mô hình dự báo MEPDG.
- Nghiên cứu công nghệ ủ lão hóa xỉ thép quy mô công nghiệp để triệt tiêu hoàn toàn khả năng trương nở đối với các nguồn xỉ có hàm lượng $\text{CaO/MgO}$ tự do biến động.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho các nhóm đối tượng sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông và Vật liệu Xây dựng: Tham khảo phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu xỉ thép theo chuẩn ASTM/TCVN; quy trình thí nghiệm nâng cao về mô đun phức động, biến dạng mỏi dầm 4 điểm, vệt hằn lún bánh xe và phương pháp xử lý số liệu bằng Minitab.
- Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình giao thông: Tham khảo các thông số đầu vào cơ học thực nghiệm phục vụ tính toán kết cấu áo đường mềm theo MEPDG; quy trình kiểm soát nhiệt độ và thời gian trộn bê tông nhựa xỉ thép.
- Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ GTVT, Bộ Xây dựng, Bộ TN&MT, Sở GTVT các địa phương): Sử dụng các kết quả nghiên cứu làm căn cứ khoa học để hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật và ban hành chính sách khuyến khích tái chế phế thải công nghiệp bảo vệ môi trường.
- Các doanh nghiệp sản xuất thép và trạm trộn bê tông nhựa: Ứng dụng giải pháp cải tiến dây chuyền nghiền sàng tuyển từ để đa dạng hóa sản phẩm cốt liệu và xác định cự ly vận chuyển kinh tế cho các dự án xây dựng mặt đường ô tô.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao luận án lựa chọn phương án thay thế toàn bộ cốt liệu thô bằng xỉ thép mà không phối trộn hỗn hợp giữa xỉ thép và đá dăm tự nhiên?
Kết quả từ tổng quan tài liệu và các nghiên cứu thực nghiệm đối chứng chỉ ra rằng việc phối trộn giữa cốt liệu xỉ thép và đá dăm trong cùng phần cốt liệu thô làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp. Sự chênh lệch lớn về khối lượng riêng giữa xỉ ($3,42 - 3,58\text{ g/cm}^3$) và đá ($2,68 - 2,72\text{ g/cm}^3$) dễ gây phân tầng khi nhào trộn và vận chuyển. Thí nghiệm Marshall cho thấy cấp phối dùng 100% xỉ thép thô đạt độ ổn định 17,95 kN, cao hơn các tỷ lệ phối trộn hỗn hợp (30% xỉ + 70% đá đạt 17,52 kN; 70% xỉ + 30% đá đạt 17,90 kN).
2. Khả năng trương nở thể tích của xỉ thép EAF tại khu vực phía Nam được kiểm soát như thế nào?
Xỉ thép EAF tại Bà Rịa - Vũng Tàu có hàm lượng $\text{CaO}$ tự do thấp ($< 1,0%$) do công nghệ luyện thép hiện đại. Thí nghiệm ngâm nước theo tiêu chuẩn ASTM D4792 ghi nhận độ trương nở chỉ từ 0,08% đến 0,12%, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng khống chế tối đa ($< 1,5%$) của tiêu chuẩn quốc tế (ASTM D5106, JIS A 5015), đảm bảo độ ổn định thể tích lâu dài khi làm cốt liệu cho bê tông nhựa.
3. Khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của BTN cốt liệu xỉ thép vượt trội hơn BTN đá dăm ở những điểm nào?
Thí nghiệm vệt hằn bánh xe (Wheel Tracking Test) ở $60^\circ\text{C}$ cho thấy sau 5000 chu kỳ tải, chiều sâu lún của BTNC 12,5 cốt liệu xỉ thép chỉ là 3,42 mm với tốc độ lún $0,0008\text{ mm/chu kỳ}$, trong khi BTN đá dăm đối chứng bị lún sâu tới 7,45 mm với tốc độ lún $0,0021\text{ mm/chu kỳ}$. Nguyên nhân là do các hạt xỉ thép có độ góc cạnh cao, bề mặt rỗ nhám giúp các hạt chèn móc ma sát chặt chẽ và tăng cường liên kết ngàm cơ học với màng nhựa bitum.
4. Khối lượng thể tích của BTN xỉ thép tăng 15 - 20% ảnh hưởng như thế nào đến giá thành và cự ly vận chuyển kinh tế?
Khối lượng thể tích tăng ($2,745 - 2,782\text{ g/cm}^3$ so với $2,412 - 2,435\text{ g/cm}^3$ của đá dăm) làm tăng khối lượng vận chuyển trên một đơn vị diện tích mặt đường. Tuy nhiên, do giá nguyên liệu xỉ thép thô tại nhà máy thấp hơn nhiều so với đá khai thác tại mỏ, tổng giá thành sản xuất BTN xỉ thép tại trạm trộn vẫn cạnh tranh. Bài toán kinh tế xác định cự ly vận chuyển hiệu quả nhất là trong bán kính $R \le 45\text{ km}$ đối với trạm trộn tại KCN Mỹ Xuân 1 (Bà Rịa - Vũng Tàu), $R \le 30\text{ km}$ tại KCN Biên Hòa 1 (Đồng Nai) và $R \le 25\text{ km}$ tại Thủ Đức (TP.HCM).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của NCS. Nguyễn Văn Du đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật, môi trường và hiệu quả kinh tế của việc sử dụng xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) khu vực phía Nam thay thế cốt liệu đá tự nhiên thô trong sản xuất bê tông nhựa nóng. Các kết quả thực nghiệm chỉ ra hỗn hợp BTNC 12,5 và BTNC 19 cốt liệu xỉ thép có các chỉ tiêu cơ lý Marshall, mô đun đàn hồi động, mô đun phức động, độ kháng hằn lún vệt bánh xe và độ bền mỏi vượt trội so với bê tông nhựa cốt liệu đá dăm thông thường. Việc chuẩn hóa phân loại kích cỡ cốt liệu theo tiêu chuẩn ASTM kết hợp TCVN 8819:2011 và cải tiến dây chuyền nghiền sàng tuyển từ tạo cơ sở thực tiễn để sản xuất đại trà vật liệu này. Công trình góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn đá xây dựng tự nhiên tại vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, đồng thời thúc đẩy tái chế chất thải rắn công nghiệp theo định hướng phát triển bền vững.
