Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam, ngành xây dựng và luyện kim đã có sự tăng trưởng nhanh chóng, kéo theo sự gia tăng đáng kể lượng phế thải công nghiệp, đặc biệt là xỉ thép. Sản lượng xỉ thép trung bình cả nước hiện đạt khoảng 0,5 - 1 triệu tấn/năm, riêng khu vực phía Nam, đặc biệt tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, sản lượng xỉ thép ước tính từ 0,3 đến 0,5 triệu tấn/năm trong thập kỷ gần đây. Dự báo đến năm 2025, lượng xỉ thép phát sinh tại khu vực này có thể lên tới gần 1 triệu tấn/năm. Việc xử lý xỉ thép bằng phương pháp chôn lấp không chỉ tốn kém hơn 10 triệu USD mỗi năm mà còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và lãng phí tài nguyên đất.

Song song đó, nhu cầu khai thác tài nguyên thiên nhiên như cấp phối đá dăm, sỏi cuội để làm móng đường ngày càng tăng, dẫn đến tình trạng sạt lở, mất cân bằng sinh thái và cạn kiệt nguồn tài nguyên. Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng xỉ thép kết hợp đá mi thay thế cấp phối đá dăm trong xây dựng đường giao thông nông thôn tại Bà Rịa - Vũng Tàu là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp xỉ thép và đá mi, đề xuất tỷ lệ phối trộn tối ưu, đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi ứng dụng trong kết cấu áo đường ô tô.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm xác định thành phần hạt, độ chặt, chỉ số CBR, khối lượng thể tích và mô đun đàn hồi của các hỗn hợp xỉ thép kết hợp đá mi với các tỷ lệ khác nhau, áp dụng cho kết cấu áo đường tại tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và nâng cao chất lượng công trình giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cấp phối hạt và nguyên lý hình thành cường độ mặt đường bê tông nhựa và bê tông xi măng. Các lý thuyết cấp phối hạt được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết cấp phối lý tưởng Fuller - Thompson: Mô tả đường cong thành phần hạt lý tưởng theo công thức parabol, giúp tối ưu hóa độ đặc của hỗn hợp vật liệu.

  • Lý thuyết cấp phối hạt của Wemouth: Giải thích nguyên lý chèn lấp các hạt có kích thước khác nhau để giảm độ rỗng và tăng độ chặt của hỗn hợp.

  • Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey và Talbol: Đề xuất các công thức toán học điều chỉnh đường cong cấp phối nhằm đạt độ chặt tối ưu.

  • Nguyên lý hình thành cường độ mặt đường bê tông nhựa: Cường độ phụ thuộc vào lực ma sát giữa các hạt cốt liệu và lực dính giữa nhựa và cốt liệu, ảnh hưởng bởi kích thước, hình dạng hạt và hàm lượng nhựa.

  • Nguyên lý hình thành cường độ mặt đường bê tông xi măng: Cường độ hình thành do quá trình thủy hóa xi măng liên kết với cốt liệu tạo thành khối vững chắc chịu lực.

Các lý thuyết này giúp xác định tỷ lệ phối trộn xỉ thép và đá mi phù hợp để đạt được độ chặt và cường độ cần thiết cho kết cấu áo đường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là mẫu xỉ thép thu thập từ các nhà máy luyện thép tại Bà Rịa - Vũng Tàu và đá mi địa phương. Cỡ mẫu gồm các hỗn hợp với tỷ lệ phối trộn xỉ thép và đá mi khác nhau: 80% xỉ thép - 20% đá mi, 70% xỉ thép - 30% đá mi, 60% xỉ thép - 40% đá mi.

Các chỉ tiêu cơ lý được xác định gồm:

  • Thành phần hạt theo tiêu chuẩn TCVN.
  • Độ chặt lớn nhất (γkmax) và độ ẩm tối ưu (Wopt) qua thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn.
  • Chỉ số CBR (California Bearing Ratio) để đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu móng.
  • Mô đun đàn hồi E (MPa) để đánh giá tính đàn hồi của hỗn hợp.

Phương pháp chọn mẫu là lấy đại diện từ các nguồn vật liệu chính, đảm bảo tính đồng nhất và đại diện cho điều kiện thực tế tại Bà Rịa - Vũng Tàu. Phân tích số liệu sử dụng các bảng tổng hợp và biểu đồ thành phần hạt, độ rỗng, CBR và mô đun đàn hồi để so sánh và lựa chọn tỷ lệ phối trộn tối ưu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, tiến hành thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hạt và độ chặt của hỗn hợp: Các hỗn hợp xỉ thép kết hợp đá mi với tỷ lệ 80%-20%, 70%-30% và 60%-40% đều đạt thành phần hạt phù hợp với tiêu chuẩn cấp phối đá dăm loại 1. Độ chặt lớn nhất γkmax dao động từ 2,15 đến 2,30 g/cm³, trong đó hỗn hợp 70% xỉ thép - 30% đá mi có độ chặt cao nhất, tăng khoảng 5% so với 100% xỉ thép.

  2. Chỉ số CBR: Kết quả thí nghiệm CBR cho thấy hỗn hợp 70% xỉ thép - 30% đá mi đạt chỉ số CBR khoảng 65%, cao hơn 20% so với 100% xỉ thép và tương đương với cấp phối đá dăm truyền thống. Hỗn hợp 60% xỉ thép - 40% đá mi cũng đạt CBR trên 60%, đảm bảo khả năng chịu tải cho lớp móng đường cấp III và IV.

  3. Mô đun đàn hồi E: Mô đun đàn hồi của hỗn hợp 70% xỉ thép - 30% đá mi đạt khoảng 450 MPa, cao hơn 15% so với 100% xỉ thép, cho thấy tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng tốt hơn. Điều này phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của kết cấu áo đường ô tô.

  4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Việc sử dụng xỉ thép kết hợp đá mi thay thế cấp phối đá dăm giúp giảm chi phí vật liệu xây dựng khoảng 10-15%, đồng thời giảm lượng đá khai thác tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm do chôn lấp xỉ thép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng cường độ chặt và chỉ số CBR khi phối trộn xỉ thép với đá mi là do đá mi bổ sung các hạt mịn, lấp đầy các khoảng trống trong cấu trúc hạt của xỉ thép vốn thiếu cỡ hạt dưới 5 mm. Điều này làm giảm độ rỗng và tăng khả năng liên kết giữa các hạt, từ đó nâng cao độ bền và độ ổn định của lớp móng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với nghiên cứu của Patel và Qasrawi, cho thấy việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép với hàm lượng không vượt quá 75% không ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ lý của cấp phối. Đồng thời, mô đun đàn hồi cao hơn so với đá dăm tự nhiên cũng tương đồng với các nghiên cứu tại Mỹ và Nhật Bản.

Việc sử dụng xỉ thép còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải công nghiệp, đồng thời giảm áp lực khai thác tài nguyên đá tự nhiên, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng giao thông. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thành phần hạt, biểu đồ CBR và mô đun đàn hồi để minh họa sự cải thiện rõ rệt khi phối trộn đá mi với xỉ thép.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ phối trộn 70% xỉ thép - 30% đá mi trong xây dựng lớp móng đường giao thông nông thôn tại Bà Rịa - Vũng Tàu nhằm đảm bảo độ chặt, cường độ và tính ổn định của kết cấu áo đường. Thời gian áp dụng trong các dự án xây dựng mới và cải tạo từ năm 2020 đến 2025.

  2. Xây dựng quy trình chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc sử dụng xỉ thép kết hợp đá mi làm vật liệu móng đường, bao gồm kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào, tỷ lệ phối trộn và phương pháp thi công. Chủ thể thực hiện là Sở Giao thông Vận tải tỉnh phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Khuyến khích các doanh nghiệp luyện thép và xây dựng đầu tư vào công nghệ nghiền, sàng lọc xỉ thép để nâng cao chất lượng vật liệu, giảm chi phí sản xuất và tăng khả năng tái sử dụng. Thời gian thực hiện trong giai đoạn 2021-2023.

  4. Tăng cường công tác tuyên truyền và đào tạo cho cán bộ kỹ thuật, nhà thầu và các bên liên quan về lợi ích và kỹ thuật sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường bộ nhằm nâng cao nhận thức và áp dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước và trường đại học.

  5. Thực hiện các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng lâu dài của xỉ thép đến môi trường và độ bền công trình trong điều kiện khí hậu và tải trọng thực tế tại Bà Rịa - Vũng Tàu. Thời gian nghiên cứu từ 2022 đến 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để xây dựng chính sách sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng đường bộ, góp phần phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

  2. Doanh nghiệp luyện thép và sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để phát triển công nghệ tái chế xỉ thép, nâng cao giá trị phế thải và mở rộng thị trường tiêu thụ vật liệu mới.

  3. Các nhà thầu xây dựng và kỹ sư công trình giao thông: Áp dụng các kết quả nghiên cứu về tỷ lệ phối trộn và kỹ thuật thi công nhằm nâng cao chất lượng công trình, giảm chi phí và thời gian thi công.

  4. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng và môi trường: Là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng tái chế, kỹ thuật cấp phối và ảnh hưởng môi trường của vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép là gì và tại sao nên sử dụng trong xây dựng đường bộ?
    Xỉ thép là phế thải từ quá trình luyện thép, chứa nhiều khoáng chất tương tự xi măng. Sử dụng xỉ thép giúp giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên đá tự nhiên và nâng cao chất lượng công trình nhờ tính chất cơ lý tốt.

  2. Tỷ lệ phối trộn xỉ thép và đá mi tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 70% xỉ thép kết hợp 30% đá mi đạt hiệu quả tốt nhất về độ chặt, chỉ số CBR và mô đun đàn hồi, phù hợp cho lớp móng đường cấp III và IV.

  3. Việc sử dụng xỉ thép có ảnh hưởng đến môi trường không?
    Khi được xử lý và phối trộn đúng cách, xỉ thép không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường mà còn giúp giảm lượng phế thải chôn lấp, hạn chế ô nhiễm đất và nước ngầm.

  4. Xỉ thép có thể thay thế hoàn toàn cấp phối đá dăm không?
    Không nên sử dụng 100% xỉ thép do thiếu các hạt mịn cần thiết để tăng độ chặt. Việc phối trộn với đá mi giúp bổ sung các cỡ hạt nhỏ, đảm bảo tính ổn định và độ bền của lớp móng.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng khi sử dụng xỉ thép trong thi công?
    Cần thực hiện các thí nghiệm kiểm tra thành phần hạt, độ chặt, chỉ số CBR và mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời giám sát quá trình thi công để đảm bảo vật liệu đạt yêu cầu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ phối trộn xỉ thép kết hợp đá mi tối ưu là 70% - 30%, đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý phù hợp cho kết cấu áo đường giao thông nông thôn tại Bà Rịa - Vũng Tàu.
  • Việc sử dụng xỉ thép thay thế một phần cấp phối đá dăm giúp giảm chi phí xây dựng khoảng 10-15% và góp phần bảo vệ môi trường, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên.
  • Kết quả thí nghiệm chỉ số CBR và mô đun đàn hồi cho thấy hỗn hợp phối trộn có khả năng chịu tải và tính đàn hồi tốt, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của các loại đường cấp III và IV.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công cụ thể để áp dụng rộng rãi vật liệu này trong các dự án giao thông tại địa phương.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng lâu dài của xỉ thép đến môi trường và độ bền công trình, đồng thời tăng cường đào tạo, tuyên truyền để nâng cao nhận thức và ứng dụng hiệu quả.

Luận văn mở ra hướng đi bền vững cho ngành xây dựng giao thông tại Bà Rịa - Vũng Tàu, đồng thời góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm và lãng phí phế thải công nghiệp. Các nhà quản lý, doanh nghiệp và chuyên gia kỹ thuật được khuyến khích áp dụng và phát triển nghiên cứu này trong thực tiễn.