Luận văn thạc sĩ về ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép với xỉ thép

Đề tài khảo sát ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài toán thực tế chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Hồng Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Của Cấu Kiện Bê Tông Cốt Thép Sử Dụng Xỉ Thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Nguồn gốc xỉ thép
• 1.2. Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép
• 1.3. Bê tông cốt liệu xỉ thép
• 1.4. Cấu kiện xỉ thép
• 1.5. Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép
• 1.6. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu
• 1.6.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
• 1.6.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP
• 2.1. Mối tương quan giữa cốt liệu xỉ và cốt liệu thiên nhiên
• 2.1.1. Khái quát về xỉ thép
• 2.1.2. Tính chất hoá học của xỉ thép
• 2.1.3. Tính chất cơ lý của xỉ thép
• 2.1.4. Ưu điểm của xỉ thép
• 2.1.5. Ứng dụng của xỉ thép
• 2.1.6. Vai trò của xỉ thép
• 2.2. Khả năng sử dụng xỉ trong bê tông
• 2.2.1. Một số kết quả nghiên cứu
• 2.2.2. Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
• 2.2.2.1. Nguyên tắc của phương pháp
• 2.2.2.2. Các bước thực hiện
• 2.2.2.3. Bảng tra thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông thông thường
• 2.2.2.4. So sánh bê tông xỉ và bê tông thường
• 2.3. Khả năng sử dụng bê tông xỉ cho các cấu kiện dầm
• 2.4. Khả năng chịu lực của cấu kiện dầm
• 2.4.1. Các đặc trưng ký hiệu
• 2.4.2. Tính toán khả năng chịu lực của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ nhất (TCVN 5574:2012)
• 2.4.3. Tính toán độ võng của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ hai (TCVN 5574:2012)
• 3. CHƯƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên liệu sử dụng
• 3.1.1. Cốt liệu xỉ thép
• 3.1.2. Cốt liệu lớn (đá dăm)
• 3.1.3. Cốt liệu mịn (cát vàng)
• 3.2. Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép
• 3.3. Thí nghiệm cấu kiện dầm
• 3.3.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.3.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm
• 3.3.2.1. Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gage (cảm biến điện trở dây)
• 3.3.2.2. Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement Transducer)
• 3.3.2.3. Máy uốn cấu kiện
• 3.3.2.4. Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger)
• 3.3.3. Công tác chuẩn bị
• 3.3.4. Trình tự thí nghiệm
• 3.3.5. Kiểm tra mẫu thử
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP
• 4.1. Kết quả thí nghiệm
• 4.1.1. Kết quả nén mẫu bê tông
• 4.1.2. Kết quả uốn cấu kiện dầm bê tông cốt thép
• 4.2. Chuyển vị giữa dầm
• 4.3. So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 5.1. Kết luận và đánh giá
• 5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép đã trở thành một chủ đề quan trọng trong ngành xây dựng. Xỉ thép không chỉ là một phế phẩm mà còn có thể được tái chế và sử dụng như một loại cốt liệu trong bê tông cốt thép. Việc sử dụng xỉ thép giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các tính chất của bê tông cốt liệu xỉ thép và khả năng ứng xử của nó trong các cấu kiện xây dựng. Theo các nghiên cứu trước đây, xỉ thép có thể cải thiện tính chất cơ học của bê tông, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất. Những kết quả này cho thấy rằng việc ứng dụng xỉ thép trong xây dựng không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Nguồn gốc và ứng dụng của xỉ thép

Xỉ thép đã được sử dụng từ rất lâu trong lịch sử xây dựng. Theo tài liệu từ Euroslag, xỉ thép được sử dụng từ thời La Mã cổ đại để xây dựng các công trình như đường và đấu trường. Ngày nay, xỉ thép không còn được coi là chất thải mà là một nguồn tài nguyên quý giá. Việc tái chế xỉ thép đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia phát triển, nơi mà các sản phẩm từ xỉ thép được sử dụng trong xây dựng, sản xuất xi măng, và nhiều lĩnh vực khác. Sự phát triển này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị cao từ phế phẩm công nghiệp.

II. Tính chất của bê tông cốt liệu xỉ thép

Bê tông sử dụng xỉ thép có nhiều tính chất vượt trội so với bê tông truyền thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng xỉ thép có khả năng cải thiện cường độ nén và độ bền kéo của bê tông cốt thép. Việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn làm tăng khả năng chống xâm nhập của các chất gây hại như clorua. Các thí nghiệm cho thấy rằng bê tông sử dụng xỉ thép có thể đạt được cường độ nén lên đến 80 MPa, tương đương với bê tông thông thường. Điều này mở ra cơ hội cho việc sử dụng xỉ thép trong các cấu kiện chịu lực lớn, như dầm và cột trong các công trình xây dựng.

2.1. So sánh giữa bê tông xỉ thép và bê tông truyền thống

Khi so sánh bê tông cốt liệu xỉ thép với bê tông truyền thống, có thể nhận thấy rằng bê tông xỉ thép có độ bền cao hơn và khả năng chống thấm tốt hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế từ 30% đến 70% cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép không làm giảm cường độ của bê tông, mà ngược lại, còn có thể cải thiện một số tính chất cơ học. Điều này cho thấy rằng xỉ thép không chỉ là một giải pháp thay thế mà còn là một lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng trong xây dựng hiện đại.

III. Ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép

Nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép cho thấy rằng các cấu kiện này có khả năng chịu lực tốt và độ bền cao. Các thí nghiệm cho thấy rằng cấu kiện bê tông xỉ thép có thể chịu được tải trọng lớn mà không bị nứt hay phá hủy. Việc sử dụng xỉ thép trong cấu kiện không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn làm giảm trọng lượng tổng thể của cấu kiện, từ đó giảm tải trọng lên móng và nền. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình xây dựng cao tầng, nơi mà tải trọng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

3.1. Phân tích khả năng chịu lực của cấu kiện dầm

Khả năng chịu lực của cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép đã được phân tích thông qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy rằng dầm bê tông sử dụng xỉ thép có khả năng chịu uốn tốt hơn so với dầm bê tông truyền thống. Các chỉ số như độ võng và mô men uốn đều cho thấy sự cải thiện rõ rệt. Điều này chứng tỏ rằng xỉ thép không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn giúp tăng cường độ bền và độ ổn định của các cấu kiện trong xây dựng.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép đã chỉ ra rằng xỉ thép có thể được sử dụng hiệu quả trong xây dựng. Việc sử dụng xỉ thép không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá đầy đủ các tính chất của bê tông xỉ thép trong các điều kiện khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép để đạt được hiệu quả tốt nhất trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao hiệu quả sử dụng xỉ thép trong xây dựng, cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của bê tông xỉ thép. Các nghiên cứu này có thể bao gồm việc thử nghiệm với các loại xỉ thép khác nhau, cũng như việc kết hợp với các phụ gia khác để cải thiện tính chất cơ học. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong các loại công trình khác nhau cũng cần được xem xét để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của nó.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Xỉ thép là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép, được hình thành chủ yếu từ các oxit như CaO, SiO₂ và FeₓOᵧ chiếm đến 80% trọng lượng. Theo báo cáo của ngành, xỉ thép đã được ứng dụng trong xây dựng từ hơn 2.000 năm trước, như trong các công trình La Mã cổ đại. Hiện nay, tại các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản, xỉ thép không còn được xem là chất thải mà được tái chế và sử dụng rộng rãi trong xây dựng, giao thông, nông nghiệp và xử lý môi trường.

Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu trong bê tông còn hạn chế do tâm lý e ngại và công nghệ xử lý chưa phát triển đồng bộ. Đề tài nghiên cứu nhằm mục tiêu đánh giá tính khả thi và ứng xử của xỉ thép tái chế khi thay thế cốt liệu thô tự nhiên trong bê tông cốt thép, tập trung vào các cấu kiện dầm bê tông. Phạm vi nghiên cứu bao gồm xác định tính chất vật liệu, thiết kế cấp phối bê tông, thí nghiệm cơ lý và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết theo tiêu chuẩn Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2015 tại khu vực miền Nam Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm chi phí xây dựng. Các chỉ số như cường độ chịu nén, độ bền uốn, độ võng và khả năng chịu tải của cấu kiện bê tông xỉ được đánh giá nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu này trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu composite bê tông cốt thép: Phân tích sự tương tác giữa bê tông và cốt thép, ảnh hưởng của cốt liệu đến tính chất cơ lý của bê tông.
• Mô hình cấp phối bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3105:1993 và TCVN 5574:2012: Xác định tỷ lệ các thành phần vật liệu để đạt được mác bê tông và độ sụt yêu cầu.
• Khái niệm về cốt liệu xỉ thép: Xỉ thép được xem như đá nhân tạo với thành phần khoáng chất tương tự xi măng Portland, có tính chất cơ lý và hóa học đặc trưng như độ pH 10-11, độ xốp 31-45%, trọng lượng riêng 3.76 kg/m³, độ bền cao và khả năng chịu mài mòn tốt.
• Phương pháp tính toán khả năng chịu lực và độ võng của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai (TCVN 5574:2012): Bao gồm các công thức tính mô men, ứng suất, độ cong và chiều rộng khe nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm và công trường, sử dụng nguyên liệu xỉ thép lấy từ Khu công nghiệp Phú Mỹ 1, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, cùng với đá dăm và cát vàng tại Đồng Nai. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các cấu kiện dầm bê tông kích thước 200 mm x 300 mm x 3300 mm, sử dụng hai loại đường kính thép khác nhau.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xác định tính chất vật liệu theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006, TCVN 7572:2006.
• Thiết kế cấp phối bê tông theo phương pháp tra bảng kết hợp thực nghiệm, điều chỉnh để đạt độ sụt và cường độ yêu cầu.
• Thí nghiệm cơ lý gồm đo cường độ nén, kéo uốn, độ sụt, độ hút nước, độ thấm và độ bền mài mòn theo các tiêu chuẩn TCVN 3105:1993, TCVN 3118:1993, TCVN 3119:1993.
• Thí nghiệm ứng xử cấu kiện dầm bê tông cốt liệu xỉ dưới tải trọng uốn, sử dụng cảm biến biến dạng Strain Gauge, cảm biến độ võng LVDT và máy ghi dữ liệu Data Logger.
• So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết theo TCVN 5574:2012 để đánh giá khả năng chịu lực, độ võng và hình dạng vết nứt.
• Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2015, tập trung vào giai đoạn thu thập mẫu, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất cơ lý của xỉ thép: Xỉ thép có trọng lượng riêng 3.76 kg/m³, độ pH 10-11, độ xốp 31-45%, vượt trội hơn so với đá vôi và đá bazan tự nhiên về độ bền và khả năng chịu mài mòn. Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng xỉ thép đạt khoảng 30 MPa sau 28 ngày, tăng 20-30% sau 90 ngày và 25-40% sau 360 ngày, cho thấy độ bền tăng theo thời gian.

2. Khả năng thay thế cốt liệu tự nhiên: Thí nghiệm cho thấy có thể thay thế từ 45% đến 65% cốt liệu đá dăm bằng xỉ thép mà không làm giảm đáng kể cường độ chịu uốn và kéo của bê tông. Đặc biệt, tỷ lệ 50% xỉ thép trong cốt liệu cho kết quả tối ưu về độ bền và độ thấm nước thấp hơn 5% so với bê tông truyền thống.

3. Ứng xử cấu kiện dầm bê tông xỉ thép: Các mẫu dầm bê tông sử dụng xỉ thép thể hiện khả năng chịu uốn tương đương hoặc cao hơn so với dầm sử dụng cốt liệu tự nhiên. Quan hệ tải trọng - chuyển vị và mô men - vết nứt cho thấy dầm xỉ thép có độ cứng và khả năng chống nứt tốt, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 5574:2012.

4. So sánh thực nghiệm và lý thuyết: Kết quả thực nghiệm về cường độ chịu lực và độ võng của dầm bê tông xỉ thép tương đồng với tính toán lý thuyết, sai số trong khoảng 5-10%, chứng tỏ mô hình tính toán áp dụng cho bê tông xỉ là phù hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do thành phần khoáng chất trong xỉ thép tương tự xi măng Portland, giúp tăng cường liên kết trong bê tông. Độ pH cao và cấu trúc tinh thể đặc biệt của xỉ thép góp phần cải thiện tính bền vững và khả năng chống xâm nhập của bê tông trong môi trường có clorua.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học tại Mỹ và Châu Âu, nơi xỉ thép được sử dụng rộng rãi trong bê tông và bê tông asphalt. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng còn hạn chế do công nghệ xử lý xỉ và tâm lý người dùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ cường độ nén theo thời gian, quan hệ tải trọng - chuyển vị của dầm, và bảng so sánh tính chất cơ lý giữa bê tông xỉ và bê tông truyền thống để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển công nghệ xử lý xỉ thép: Đầu tư vào dây chuyền nghiền, sàng lọc và phân loại xỉ thép hiện đại nhằm đảm bảo chất lượng cốt liệu, giảm tạp chất và tăng tính đồng nhất. Chủ thể thực hiện: các nhà máy luyện thép và doanh nghiệp vật liệu xây dựng. Thời gian: 1-2 năm.

2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông xỉ thép: Ban hành các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật cụ thể về cấp phối, tính chất vật liệu và thiết kế cấu kiện bê tông sử dụng xỉ thép. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng. Thời gian: 1 năm.

3. Thúc đẩy ứng dụng trong các công trình xây dựng: Khuyến khích các dự án xây dựng sử dụng bê tông xỉ thép, đặc biệt tại các khu vực gần nguồn cung xỉ để giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Chủ thể thực hiện: các chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng. Thời gian: 3-5 năm.

4. Tuyên truyền, đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về lợi ích và kỹ thuật sử dụng xỉ thép trong bê tông cho kỹ sư, nhà quản lý và sinh viên ngành xây dựng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế công trình xây dựng: Nắm bắt kiến thức về vật liệu mới, áp dụng cấp phối bê tông xỉ thép để thiết kế các cấu kiện bê tông bền vững, tiết kiệm chi phí.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo quy trình xử lý và ứng dụng xỉ thép để phát triển sản phẩm bê tông tái chế, mở rộng thị trường vật liệu xanh.

3. Nhà quản lý và cơ quan ban ngành: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và khuyến khích phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường.

4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về vật liệu bê tông cốt liệu xỉ thép, giúp nâng cao kiến thức và nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ thép là gì và có đặc điểm gì nổi bật?
   Xỉ thép là sản phẩm phụ của quá trình luyện thép, chứa chủ yếu các oxit CaO, SiO₂ và FeₓOᵧ. Nó có trọng lượng riêng cao (3.76 kg/m³), độ pH từ 10-11 và cấu trúc tinh thể đặc biệt giúp tăng độ bền và khả năng chịu mài mòn của bê tông.

2. Xỉ thép có thể thay thế bao nhiêu phần trăm cốt liệu tự nhiên trong bê tông?
   Theo kết quả nghiên cứu, xỉ thép có thể thay thế từ 45% đến 65% cốt liệu đá dăm mà không làm giảm đáng kể tính chất cơ lý của bê tông, thậm chí còn cải thiện độ bền uốn và khả năng chống thấm.

3. Bê tông sử dụng xỉ thép có độ bền như thế nào theo thời gian?
   Cường độ chịu nén của bê tông xỉ thép tăng dần theo thời gian, đạt khoảng 30 MPa sau 28 ngày, tăng 20-30% sau 90 ngày và 25-40% sau 360 ngày, cho thấy độ bền lâu dài rất khả quan.

4. Có những khó khăn gì khi sử dụng xỉ thép làm cốt liệu?
   Khó khăn chính là công nghệ xử lý xỉ thép đòi hỏi hiện đại để loại bỏ tạp chất và phân loại kích thước hạt, cùng với tâm lý e ngại của người tiêu dùng về vật liệu tái chế.

5. Ứng dụng thực tế của bê tông xỉ thép trong xây dựng là gì?
   Bê tông xỉ thép được sử dụng trong các cấu kiện dầm chịu uốn, bê tông cường độ cao, bê tông asphalt cho đường giao thông và các công trình công nghiệp, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Xỉ thép là vật liệu tái chế có tính chất cơ lý và hóa học phù hợp để thay thế cốt liệu thô tự nhiên trong bê tông cốt thép.
• Bê tông sử dụng xỉ thép đạt cường độ nén khoảng 30 MPa sau 28 ngày và tăng bền theo thời gian, phù hợp với các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành.
• Cấu kiện dầm bê tông xỉ thép có khả năng chịu uốn và độ võng tương đương hoặc vượt trội so với bê tông truyền thống.
• Việc ứng dụng xỉ thép giúp giảm chi phí xây dựng, bảo vệ môi trường và giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên.
• Đề xuất phát triển công nghệ xử lý, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi bê tông xỉ thép tại Việt Nam trong 3-5 năm tới.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai các dự án thí điểm ứng dụng bê tông xỉ thép trong công trình thực tế, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật để thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn gốc xỉ thép Thép và xỉ thép đã được sử dụng từ rất lâu đời. Theo hiệp hội Xỉ thép Châu Âu (Euroslag, 2006), người đầu tiên là Aristotle - Nhà Triết học, khoa học Hy Lạp cổ đại đã ứng dụng xỉ thép cho các mục đích xây dựng, y tế vào năm 350 trước công nguyên. Công trình cổ đại Cách đây hơn 2.000 năm, đế chế La Mã đã sử dụng xỉ thép (từ các lò rèn binh khí) để xây dựng các con đường của thành Rome, thậm chí đấu trường Colosseum danh tiếng cũng được xây dựng từ một phần vật liệu có nguồn gốc từ xỉ thép. Theo dòng chảy của thời gian, xỉ thép đã được bắt đầu ứng dụng rộng rãi hơn ở những thế kỷ tiếp theo như: đúc đạn cho súng thần công ở Đức (1589), 9 Luan van làm bến cảng ở Anh (1652), sản xuất sợi và bông từ xỉ ở xứ Wales (1840), sản xuất xi măng xỉ ở Đức (1852), làm bê tông xỉ cốt thép ở Đức và Châu Âu (1892), gạch không nung từ xỉ và đá vôi ở Nhật (1901).

Ngày nay, tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu xỉ đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp. Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, phát triển giao thông, hạ tầng kỹ thuật, sản xuất nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải.2 Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép Tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất phế thải nếu xỉ đã qua quá trình xử lý phù hợp để tái chế, tái sử dụng lại. Các sản phẩm xỉ thép đã qua xử lý gồm: xỉ đã được nghiền thành hạt, xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm, xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định sẽ được sử dụng thay thế vật liệu tự nhiên. Khảo sát một số đề tài nghiên cứu về xỉ thép.1 Xỉ thép Chen Meizhu Error! Reference source not found.

làm việc với xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) và vữa để tạo các hạt đất lò cao, thạch cao, clinker. Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng cát xỉ thép có thể giảm liều lượng xi măng clinker và tăng lượng thay thế phế phẩm công nghiệp sử dụng cát xỉ thép. Isa Yuksel Error! Reference source not found. sử dụng thử nghiệm xỉ hạt hạt lò cao thay cốt liệu mịn trong bê tông.

Nghiên cứu kết luận rằng tỉ lệ 10 Luan van GGBs/cát (Ground Granulated Blast Furnace Slag) được điều chỉnh theo tiêu chuẩn để đạt hiệu quả về đặc tính cường độ và độ bền. Xỉ thép Juan M. Manso Error! Reference source not found. thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu sản xuất bê tông chất lượng tốt bằng cách oxy hoá xỉ EAF (Electric Arc Furnace) thay cho các cốt liệu mịn và thô.

Bê tông được thử nghiệm tính bền, độ ngậm nước, sự ngưng kết nhanh…Độ bền của bê tông xỉ EAF được tính toán có thể chấp nhận được, đặc biệt là ở các vùng địa lý sử dụng chúng, nơi nhiệt độ mùa đông hầu như không bao giờ giảm xuống dưới 32F (0˚C). Keun Hyeok Yang Error! Reference source not found. nghiên cứu các loại vữa kiềm hoạt tính và bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén của vữa kiềm hoạt tính giảm tuyến tính với sự gia tăng mức độ thay thế cốt liệu trọng lượng nhẹ, không phụ thuộc vào tỷ lệ chất kết dính và nước.

Li Yun-feng Error! Reference source not found. tìm ra tác dụng của bột xỉ thép dựa trên tính dễ tạo hình và cơ học của bê tông. Kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất cơ học có thể được cải thiện hơn nữa do tác dụng đồng thời và 11 Luan van tương tác lẫn nhau khi trộn hỗn hợp các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lò cao trong bê tông.Patel [6] nghiên cứu về xỉ thép đã chỉ ra rằng việc thay thế một số phần trăm cốt liệu tự nhiên bởi cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể nào về cường độ và lượng xỉ thép thay thế có thể đạt đến 70%. Tính khả thi của hỗn hợp bê tông là một vấn đề quan trọng đòi hỏi lượng nước giảm, tăng phụ gia để đạt giảm được độ sụt tối thiểu.

Kết quả cho thấy rằng khi thay thế khoảng 50- 75% cốt liệu xỉ thép cho cốt tự nhiên sẽ không gây hại cho bê tông và cũng không có bất kỳ tác dụng phụ về cường độ và độ bền.2 Bê tông cốt liệu xỉ thép Lun Yunxia, Xu Fang [7]. Xỉ thép được sử dụng như cốt liệu mịn để tăng cường ổn định khối lượng của vữa. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ bột của vôi tự do và tỷ lệ mở rộng tuyến tính có thể diễn đạt sự cải thiện ổn định khối lượng của các phương pháp ứng xử khác nhau. Quá trình sử dụng lò hấp trong tiến trình xử lý hơi nước đạt hiệu quả hơn trong việc tăng cường sự ổn định của khối lượng xỉ thép.

Zeghichi Error! Reference source not found.thí nghiệm thay thế cát bằng tinh xỉ GBF (Ground Blast Furnace). Thử nghiệm được thực hiện trên khối bê tông đã cho thấy hiệu quả của các phần thay thế cát bằng xỉ hạt (30%, 50%) và tổng lượng thay thế dựa trên sự tăng của độ bền nén. Kết quả kiểm tra cường độ chịu nén tại 3, 7, 28, 60 ngày và 5 tháng làm cứng bê tông, kết luận rằng lượng thay thế của cốt liệu thô tự nhiên với tinh xỉ ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo, độ bền uốn và nén của bê tông. Việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên 12 Luan van có cốt liệu xỉ cho phép tăng cường độ dài hạn nhưng thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ.

Saud Al-Otaibi [9] Error! Reference source not found.đã nghiên cứu sử dụng thép tái chế tại các nhà máy cho cốt liệu mịn trong vữa xi măng. Việc thay thế 40% thép tái chế cho cốt liệu mịn làm tăng cường độ nén đến 40%, co ngót khô thấp hơn khi sử dụng thép. Xỉ thép nghiền thay thế cốt liệu mịn Sean Monkman [10] Error! Reference source not found.kiểm tra khả năng sử dụng xỉ LF (Laddle Furnace) bão hoà thay cốt liệu mịn trong bê tông. Xỉ được xử lý với CO2 để giảm hàm lượng vôi tự do khi liên kết khí CO2 trong cacbonat rắn.

Xỉ LF bão hoà được sử dụng như cốt liệu mịn khi độ sụt bằng 0 của những mẫu vữa rắn chịu nén. Cường độ của những mẫu vữa 28 ngày tuổi sử dụng xỉ cát bão hoà có thể so sánh với cường độ vữa cát sông. Xỉ LF bão hoà phù hợp để sử dụng như một cốt liệu nhỏ. Một lượng đáng kể carbon riêng biệt có thể được nhận ra ở dạng tiềm năng hữu ích khi sử dụng một loại vật liệu xỉ thải.

Vữa bão hoà sử dụng cát xỉ LF cho lợi ích về mặt hấp thu CO2. 13 Luan van Hình 4. Gạch xỉ thép Tarun R Naik [11] Error! Reference source not found.nghiên cứu ứng dụng vật liệu sản phẩm phụ lò đúc trong sản xuất bê tông và gạch. Cường độ nén của bê tông giảm nhẹ do sự thay thế của cốt liệu thô thường với xỉ đúc, tuy nhiên cường độ này thích hợp dùng cho bê tông kết cấu.

Nguyễn Văn Chánh [12] nghiên cứu sử dụng xỉ thép để làm vật liệu thay thế đá, đất,…sẽ giảm được một phần sức ép về nguồn cung cấp vật liệu xây dựng, giảm tình trạng khai thác cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và góp phần bảo vệ môi trường, giúp các nhà máy thép thay đổi hình ảnh theo hướng tích cực về bảo vệ môi trường. Tác giả dùng phế thải xỉ thép tái chế làm cốt liệu trong chế tạo bê tông, nhựa đường asphalt. Trần Văn Miền [14] đã nghiên cứu thuộc tính cơ lý và các thành phần khoáng của xỉ thép. Sau đó sử dụng chúng thay thế 100% cốt liệu thô cho bê tông cường độ cao để đạt được những cường độ nén khác nhau như 60, 70 đến 80 MPa vào các cấu kiện dầm.

Kết quả cho thấy rằng cường độ của bê tông sử dụng xỉ thép tổng hợp là tương đương với bê tông thông thường. Tuy nhiên, độ bền của bê tông cốt liệu xỉ thép là tốt hơn so với bê tông thông thường về khả năng chống xâm nhập clorua và điện trở suất. Hơn nữa, kích thước của vữa xi măng xỉ thép rất ổn định. 14 Luan van Trong thí nghiệm của tác giả, cốt liệu thô chiếm một khối lượng lớn trong bê tông, khối lượng cốt liệu thô chiếm đóng có thể khác nhau từ 50% đến 70%.

Xỉ thép đã được sử dụng thay cốt liệu thô tự nhiên với khối lượng lớn như thay thế khoáng andesit, đá bazan và đá vôi trong sản xuất bê tông. Kết quả là cốt liệu xỉ làm cho các tính chất cơ học của bê tông tốt hơn về cường độ chịu kéo, chịu uốn và mô đun đàn hồi so với bê tông cốt liệu tự nhiên.3 Cấu kiện xỉ thép T.Vijaya Gowri [13] Error! Reference source not found.đã thay thế 50% cốt liệu xỉ thép cho xi măng với các tỉ lệ nước và chất kết dính khác nhau để tìm ra cường độ chịu nén, chịu kéo và độ bền uốn của bê tông dầm ở tuổi 28 ngày, 90 ngày, 180 ngày và 360 ngày. Sang Woo Kim [15] nghiên cứu đánh giá ứng xử dầm bê tông chịu uốn cốt liệu xỉ thép. Tác giả dùng xỉ thép thay thế lần lượt các cốt liệu mịn (cát tự nhiên ) và cốt liệu thô (đá tự nhiên ) cho những dầm bê tông cốt thép đơn giản nhằm xem xét các biến dạng, chuyển vị, mô măng vết nứt, ….3 Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép Dựa trên những cơ sở ứng dụng xỉ thép ở Việt Nam cũng như trên thế giới, việc xử lý xỉ thép khá phức tạp do chúng đều bắt đầu từ nguyên tắc làm giảm kích thước, tuyển từ để tách thép phế liệu còn lẫn trong xỉ và sàng phân loại để thu được các sản phẩm hạt xỉ có kích thước khác nhau dùng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, nó đòi hỏi công nghệ xử lý, tái chế xỉ thép phải đạt trình độ cao, hiện đại.