Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam, đặc biệt là sự gia tăng lưu lượng xe tải trọng lớn, các mặt đường mềm truyền thống đang gặp phải nhiều hiện tượng hư hỏng như lún, nứt và bong tróc. Việc chuyển sang sử dụng mặt đường bê tông xi măng (BTXM) cứng nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ mặt đường là một xu hướng tất yếu. Tuy nhiên, việc sản xuất BTXM đòi hỏi khai thác một lượng lớn tài nguyên thiên nhiên như đá dăm, cát, sỏi, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt và mất cân bằng sinh thái. Đồng thời, ngành luyện kim phát triển mạnh tạo ra lượng lớn xỉ thép – một loại phế thải công nghiệp khó xử lý và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn thay thế đá dăm trong sản xuất BTXM để xây dựng mặt đường ô tô tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Theo ước tính, các nhà máy luyện thép tại khu vực này phát sinh khoảng 0.5 triệu tấn xỉ thải mỗi năm, dự kiến tăng lên 1 triệu tấn khi các dự án luyện phôi thép đi vào hoạt động. Việc tận dụng xỉ thép không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, đồng thời giảm phát thải CO2 tới 44% so với xi măng truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tính khả thi của việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn trong BTXM có cường độ chịu nén 36 MPa, xác định thành phần cấp phối hợp lý và đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như cường độ chịu nén, kéo uốn, ép chẻ và mô đun đàn hồi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và khảo sát thực trạng nguồn vật liệu, mạng lưới giao thông tại Bà Rịa – Vũng Tàu trong giai đoạn hiện tại. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng hạ tầng giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cấp phối bê tông xi măng (BTXM) truyền thống và hiện đại, bao gồm:

  • Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson: Mô tả đường cong phân bố kích thước hạt lý tưởng theo hàm parabol, giúp tối ưu hóa độ đặc của hỗn hợp bê tông.

  • Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey: Điều chỉnh đường cong Fuller để phù hợp với tính công tác và hàm lượng hạt nhỏ trong hỗn hợp bê tông.

  • Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol và Ivanov: Xác định tỷ lệ khối lượng các loại hạt có kích thước khác nhau nhằm đạt độ rỗng tối thiểu và độ chặt lớn nhất cho hỗn hợp bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cấp phối bê tông: Tỷ lệ các thành phần xi măng, cốt liệu lớn (đá dăm hoặc xỉ thép), cốt liệu nhỏ (cát) và nước trong 1m³ bê tông.

  • Xỉ thép: Phế thải từ quá trình luyện thép lò điện hồ quang, chứa các ôxít kim loại như CaO, Fe_xO_y, SiO_2, MgO, Al_2O_3, có tính chất cơ lý tốt, bề mặt thô ráp, độ rỗng lớn và khối lượng riêng cao hơn đá dăm khoảng 35%.

  • BTXM mặt đường ô tô: Bê tông có cường độ chịu nén từ 15 đến 60 MPa, yêu cầu cao về cường độ kéo uốn, khả năng chống thấm và bền với môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu về thành phần hóa học, tính chất cơ lý của xỉ thép và đá dăm tại Bà Rịa – Vũng Tàu; khảo sát thực trạng sản xuất và sử dụng xỉ thép trong xây dựng; thu thập số liệu về mạng lưới giao thông và điều kiện tự nhiên của địa phương.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu xỉ thép từ các nhà máy luyện thép tại khu công nghiệp Phú Mỹ, mẫu đá dăm tiêu chuẩn dùng làm cốt liệu lớn; chuẩn bị các mẫu bê tông với tỷ lệ cấp phối khác nhau để so sánh.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm cơ lý gồm cường độ chịu nén, kéo uốn, ép chẻ và mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn TCVN 6010:2011 và các quy định hiện hành. Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê và so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn khảo sát thực trạng (3 tháng), chuẩn bị và thực nghiệm mẫu bê tông (6 tháng), phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất cơ lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn: Mẫu bê tông có cường độ chịu nén đạt 36 MPa, cường độ kéo uốn trung bình đạt trên 5 MPa, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mặt đường ô tô cấp I, II và III. Cường độ kéo uốn tăng khoảng 10% so với bê tông sử dụng đá dăm.

  2. Độ sụt và độ dẻo của hỗn hợp bê tông: Độ sụt của BTXM sử dụng xỉ thép nằm trong khoảng 20-30 mm, phù hợp với yêu cầu thi công mặt đường. Độ dẻo của hỗn hợp giảm nhẹ so với bê tông truyền thống do độ rỗng lớn và bề mặt thô ráp của xỉ thép.

  3. Mô đun đàn hồi và khả năng chống mài mòn: Mô đun đàn hồi của BTXM dùng xỉ thép đạt khoảng 25 GPa, cao hơn 15% so với bê tông dùng đá dăm. Độ mài mòn giảm 0.3 g/cm², cho thấy khả năng chống mài mòn tốt hơn.

  4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Chi phí vật tư giảm khoảng 10% do giá thành xỉ thép thấp hơn đá dăm. Đồng thời, việc sử dụng xỉ thép góp phần giảm phát thải CO2 tới 44%, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải luyện kim.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực là do cấu trúc tinh thể đặc biệt và bề mặt thô ráp của xỉ thép giúp tăng cường độ bám dính với xi măng, cải thiện tính ổn định thể tích và khả năng chịu lực kéo uốn. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các công trình sử dụng xỉ thép tại Trung Quốc và Úc, nơi xỉ thép được ứng dụng làm cốt liệu bê tông và bê tông nhựa.

Biểu đồ so sánh cường độ chịu nén và kéo uốn giữa BTXM dùng xỉ thép và đá dăm thể hiện sự vượt trội của xỉ thép trong các chỉ tiêu cơ lý. Bảng phân tích chi phí vật tư cũng minh chứng hiệu quả kinh tế rõ rệt.

Tuy nhiên, cần lưu ý đến độ hút nước cao của xỉ thép (khoảng 5.92%) có thể ảnh hưởng đến độ bền lâu dài nếu không được xử lý đúng cách. Ngoài ra, thành phần CaO tự do trong xỉ thép có thể gây trương nở thể tích, cần kiểm soát kỹ thuật để đảm bảo ổn định thể tích bê tông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn trong BTXM mặt đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu: Khuyến khích các nhà thầu và chủ đầu tư sử dụng xỉ thép thay thế hoàn toàn đá dăm trong sản xuất BTXM có cường độ 36 MPa, nhằm giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Thời gian áp dụng từ năm 2024.

  2. Xây dựng quy trình xử lý và kiểm soát chất lượng xỉ thép: Thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ hút nước, hàm lượng CaO tự do và độ trương nở thể tích của xỉ thép trước khi đưa vào sản xuất bê tông. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý vật liệu xây dựng và các nhà máy sản xuất vật liệu.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật phối trộn, thi công và bảo dưỡng mặt đường BTXM sử dụng xỉ thép nhằm đảm bảo chất lượng công trình. Thời gian thực hiện trong 12 tháng đầu tiên.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về tính bền vững và ứng dụng mở rộng: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng lâu dài của xỉ thép trong bê tông, khả năng sử dụng trong các loại bê tông đặc biệt và bê tông nhựa. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Giúp hiểu rõ tiềm năng và lợi ích của việc sử dụng xỉ thép trong xây dựng mặt đường, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu thi công: Cung cấp kiến thức về kỹ thuật phối trộn, xử lý xỉ thép và thi công BTXM chất lượng cao, giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu quả công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết cấp phối bê tông, tính chất vật liệu mới và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng giao thông.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Hỗ trợ đánh giá tác động môi trường của việc tái sử dụng phế thải công nghiệp, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép có thể thay thế hoàn toàn đá dăm trong BTXM không?
    Nghiên cứu cho thấy xỉ thép có thể thay thế 100% cốt liệu lớn đá dăm trong BTXM với cường độ 36 MPa mà không làm giảm chất lượng cơ lý, đồng thời cải thiện một số chỉ tiêu như cường độ kéo uốn và mô đun đàn hồi.

  2. Việc sử dụng xỉ thép có ảnh hưởng đến tuổi thọ mặt đường không?
    Xỉ thép có độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn tốt, giúp mặt đường BTXM có tuổi thọ từ 30-40 năm, tương đương hoặc cao hơn so với bê tông truyền thống.

  3. Có những rủi ro môi trường nào khi sử dụng xỉ thép?
    Xỉ thép chứa CaO tự do có thể gây trương nở thể tích và nồng độ pH cao trong chất rò rỉ, ảnh hưởng đến môi trường nước. Do đó, cần xử lý và kiểm soát kỹ thuật trước khi sử dụng.

  4. Chi phí sản xuất BTXM sử dụng xỉ thép so với đá dăm như thế nào?
    Chi phí vật tư giảm khoảng 10% do giá thành xỉ thép thấp hơn đá dăm, đồng thời giảm chi phí xử lý phế thải và bảo vệ môi trường, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể.

  5. Phương pháp thi công BTXM sử dụng xỉ thép có khác biệt gì?
    Phương pháp thi công tương tự bê tông truyền thống, tuy nhiên cần chú ý kiểm soát độ dẻo và độ sụt của hỗn hợp do đặc tính bề mặt thô ráp và độ hút nước cao của xỉ thép.

Kết luận

  • Xỉ thép là vật liệu thay thế tiềm năng cho đá dăm trong sản xuất BTXM mặt đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ và độ bền.
  • Việc sử dụng xỉ thép góp phần giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên, giảm phát thải CO2 và hạn chế ô nhiễm môi trường do phế thải luyện kim.
  • Thành phần cấp phối BTXM sử dụng xỉ thép được tối ưu hóa để đạt cường độ chịu nén 36 MPa, cường độ kéo uốn trên 5 MPa và mô đun đàn hồi cao hơn bê tông truyền thống.
  • Cần xây dựng quy trình xử lý, kiểm soát chất lượng xỉ thép và đào tạo kỹ thuật thi công để đảm bảo hiệu quả và độ bền lâu dài của mặt đường.
  • Đề xuất triển khai áp dụng trong thực tế từ năm 2024, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và đánh giá tác động lâu dài.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà quản lý, doanh nghiệp xây dựng, nhà nghiên cứu và cơ quan môi trường trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững và nâng cao chất lượng hạ tầng giao thông.