MỞ ĐẦU Thép được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, xây dựng, sản xuất chế tạo máy móc thiết bị, hàng gia dụng, y học, an ninh quốc phòng,… Sản lượng thép đã tăng trưởng rất nhanh, đặc biệt trong nửa sau của thế kỷ 20. Quá trình phát triển của ngành công nghiệp luyện kim Việt Nam có thể chia làm 3 giai đoạn [1]: - Giai đoạn trước năm 1996: Ở giai đoạn này nền kinh tế cả nước nói chung, ngành luyện kim nói riêng gặp rất nhiều khó khăn, kinh tế đất nước lâm vào khủng hoảng, sản xuất kinh doanh theo kế hoạch hóa tập trung, bao cấp, qui mô nền kinh tế còn rất nhỏ, nên ngành luyện kim không phát triển được và chỉ duy trì mức sản lượng khoảng 100 nghìn tấn/năm. Sau năm 1987, ngành thép bắt đầu có tăng trưởng, sản lượng thép trong nước vượt mức trên 100 nghìn tấn/năm. - Giai đoạn 1996 – 2006: Ngành thép có mức độ tăng trưởng khá cao, đổi mới và đầu tư chiều sâu, có nhiều cơ sở liên doanh.
Đây là giai đoạn có tốc độ tăng trưởng cao nhất với nhiều thành phần kinh tế tham gia đầu tư sản xuất và gia công thép ở trong nước rất đa dạng. Trong giai đoạn này có nhiều cơ sở cán thép công suất trên 100 nghìn tấn/năm đi vào hoạt động. Đến năm 2006, sản lượng phôi thép trong cả nước đã đạt trên 1.8 triệu tấn phôi/năm, sản lượng thép xây dựng đạt xấp xỉ 3. - Giai đoạn 2007 đến nay: Từ tháng 1/2007, Việt Nam gia nhập Tổ chức Thương mại thế giới (WTO), sản lượng thép có sự tăng trưởng cao, nhiều nhà đầu tư trong nước, nước ngoài đã đầu tư với quy mô công suất lớn, vốn đầu tư tăng cao, chủ yếu tập trung vào luyện kim đen, sản xuất thép xây dựng.
Song song với sự phát triển của ngành thép thì lượng xỉ thép, một sản phẩm phụ trong quá trình luyện thép, được tạo ra ngày càng nhiều. Riêng ở khu vực phía Nam (tập trung chủ yếu ở tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu) khối lượng xỉ thép do các nhà máy thép sản xuất thải ra ước tính khoảng 0,3 - 0,5 triệu tấn/năm. Nếu không có giải pháp tái -1- sử dụng nguồn xỉ thép này thì việc bảo quản sẽ tốn rất nhiều chi phí và lãng phí quỹ đất để lưu trữ. Lý do chọn đề tài Trên thế giới, xỉ thép đã được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, xây dựng, làm phân bón,.
Một trong những ứng dụng khả thi nhất của xỉ thép đó là khả năng thay thế cốt liệu đá dăm truyền thống, làm cốt liệu cho bê tông xi măng. Ngoài ra, xỉ thép cũng thể hiện một số tính chất vượt trội như: hạt xỉ thép hình khối, độ rỗng lớn, nhiều góc cạnh, bề mặt thô ráp giúp các hạt có thể chèn móc vào nhau, ổn định cao nếu được đầm chặt; hàm lượng tạp chất hữu cơ, hàm lượng hạt thoi dẹt, độ mài mòn Los-Angeles, độ nén dập trong xi lanh, …phù hợp trong việc sử dụng làm cốt liệu cho bê tông xi măng (BTXM). Các nghiên cứu ở Việt Nam trong việc sử dụng xỉ thép trong nước làm cốt liệu cho BTXM bước đầu cũng cho thấy bê tông xỉ thép có cường độ vượt trội hơn so với BTXM dùng cốt liệu đá dăm Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu lớn là xỉ thép” nhằm nghiên cứu các tính chất cơ lý của xỉ thép, đề xuất hiệu chỉnh phương pháp thiết kế cấp phối bê tông xỉ thép (BTXT), từ đó nghiên cứu một số ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép và cấu kiện bê tông xỉ thép. Bên cạnh đó, luận án xây dựng mô hình số để mô phỏng ứng xử của bê tông xỉ thép giúp dự đoán cường độ nén và kéo của bê tông xỉ thép.
Kết quả nghiên cứu làm phong thú thêm nguồn vật liệu xây dựng, đặc biệt là giải quyết được bài toán khan hiếm vật liệu trong xây dựng như hiện nay. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước về việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn cho bê tông xi măng; - Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép đã qua tái chế và thiết kế thành phần bê tông dùng cốt liệu lớn là xỉ thép - Nghiên cứu một số ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép (bao gồm ứng xử nén và ứng xử uốn) - Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu lớn là xỉ thép -2- - Hiệu chỉnh mô hình ứng xử sử dụng phương pháp phần tử rời rạc để mô phỏng số ứng xử kéo và nén của bê tông xỉ thép nhằm tạo tiền đề cho việc mô phỏng dự đoán được ứng xử của các cấu kiện kết cấu sử dụng bê tông xỉ thép. Phạm vi nghiên cứu Việc sử dụng xỉ thép tái chế sẽ không có hiệu quả kinh tế nếu như khoảng cách vận chuyển lớn nên đề tài chỉ giới hạn sử dụng nguồn xỉ thép đã qua tái chế bởi công ty TNHH Vật liệu xanh để ứng dụng làm cốt liệu lớn cho bê tông xi măng và cấu kiện bê tông xi măng 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê, tổng hợp: thu thập, phân tích các nghiên cứu về sử dụng xỉ thép trong xây dựng trên thế giới; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu thử ở trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn hiện hành đối với cốt liệu truyền thống và bê tông sử dụng cốt liệu truyền thống; Kết quả thí nghiệm được xử lý thống kê và quy hoạch thực nghiệm nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết - Phương pháp số: Dùng phương pháp phần tử rời rạc cổ điển được đề xuất bởi Cundall & Strack [2], với các thông số vật liệu đầu vào được lấy từ kết quả thực nghiệm ở chương 3, các thông số của mô hình được hiệu chỉnh lại dựa vào kết quả thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích, so sánh: Phân tích, so sánh các kết quả có được từ lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng bằng phương pháp số để đánh giá khả năng bền vững và ứng dụng của bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép cho các công trình xây dựng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Đề xuất hiệu chỉnh phương pháp thiết kế cấp phối bê tông xỉ thép. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, cho thấy xỉ thép có các tính chất cơ lý đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của đá dăm dùng làm BTXM, nên hoàn toàn có thể sử dụng -3- để thay thế cốt liệu lớn cho BTXM thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật và đảm bảo tính kinh tế; - Làm rõ các ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép; - Chứng minh được BTCTXT có ứng xử tương đồng với bê tông truyền thống, do đó trong trường hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật của BTXT chưa được ban hành thì có thể vận dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật của bê tông đá truyền thông; - Mô phỏng được ứng xử nén và kéo trực tiếp của bê tông xỉ thép bằng phương pháp phần tử rời rạc, giúp dự đoán được cường độ nén và kéo của BTXT Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tận dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn cho BTXM là khả thi, góp phần làm phong phú thêm nguồn vật liệu xây dựng, tiết kiệm chi phí trong việc xử lý xỉ thép, giảm ô nhiễm môi trường - Các kết quả nghiên cứu cho phép xác định các đặc trưng của bê tông xỉ thép có thể sử dụng phục vụ công tác thiết kế cấu kiện, kết cấu sử dụng bê tông xỉ thép. Cấu trúc của Luận án Cấu trúc luận án gồm 6 chương: - Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu - Chương 2: Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và thiết kế thành phần bê tông dùng cốt liệu lớn là xỉ thép - Chương 3: Nghiên cứu ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép - Chương 4:Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu lớn là xỉ thép - Chương 5: Mô phỏng số ứng xử bê tông xỉ thép - Chương 6: Kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo -4- TỔNG QUAN VỀ LINH VỰC NGHIÊN CỨU Các vấn đề chung 1.
Công nghệ sản xuất thép Thép được sản xuất theo hai công nghệ chính là công nghệ lò cao (BOF) và công nghệ lò điện hồ quang-đúc liên tục (EAF). Do điều kiện thiếu gang lỏng nên ngành thép Việt Nam sử dụng chủ yếu là công nghệ EAF. Các lò điện sản xuất thép của Việt Nam hiện có công suất nhỏ, trừ nhà máy Thép Phú Mỹ được trang bị lò điện hồ quang DANARC 70 tấn/mẻ mới được đưa vào vận hành. Các lò điện này đã áp dụng một số tiến bộ kỹ thuật như phun ôxy và than vào tạo xỉ bọt, dùng biến thế siêu cao công suất, sử dụng các loại vật liệu chịu lửa siêu bền, ra thép đáy lệch tâm….
Theo đó, cứ mỗi tấn phôi thép được sản xuất sẽ phát sinh xỉ lò khoảng 110- 150 kg, chiếm từ 11%-15% khối lượng sản phẩm phôi [3] Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu được xem là trung tâm công nghiệp luyện thép của cả nước, với nhiều dự án nhà máy luyện thép đã và đang hoạt động, nhiều dự án đang thực hiện thủ tục xin phép chuẩn bị đầu tư và sẽ hình thành trong tương lai. Toàn tỉnh có 18 dự án đã được cấp phép với tổng vốn đầu tư đăng ký hơn 3.7 tỷ USD, tập trung tại các khu công nghiệp ở huyện Tân Thành. Trong số 18 dự án, có 8 dự án đã đi vào hoạt động, 5 trong số đó đã phát sinh ra lượng xỉ thép. Với năng xuất hoạt động của 5 nhà máy này, năm 2014 sản xuất 5.2 triệu tấn phôi thép, phát sinh khoảng 570-780 nghìn tấn xỉ thép, tương đương khoảng 1567-2136 tấn/ ngày.
Xỉ thép là một nguồn thải phát sinh bụi gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước do các nhà máy thép không tự xử lý ngay trong khu vực sản xuất vì thiếu mặt bằng chứa xỉ thép.1: Bãi tập kết xỉ thép ở khu công nghiệp Phú Mỹ [4] 1. Quá trình hình thành xỉ thép Công nghệ luyện thép lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt, thép phế liệu để luyện thép. Để tách các tạp chất có trong thép phế liệu, vôi và một số chất trợ dung được đưa vào lò luyện.
