Tổng quan nghiên cứu

Tại Việt Nam, lượng xỉ thép thải ra hàng năm ước khoảng 2 triệu tấn, trong khi đó việc tái chế và sử dụng xỉ thép trên quy mô công nghiệp vẫn còn hạn chế. Xỉ thép được phân loại là chất thải rắn không nguy hại theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6705:2009, tuy nhiên việc chôn lấp gây tốn kém và ô nhiễm môi trường lâu dài. Nghiên cứu này tập trung vào việc tái chế xỉ thép làm phụ gia khoáng hoạt tính trong sản xuất xi măng Portland nhằm giảm thiểu tác động môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu phụ gia có sẵn. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng phối trộn xỉ thép với xi măng Portland và xỉ lò cao, đồng thời đề xuất phương án xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép để tăng hiệu quả sử dụng trong sản xuất xi măng hỗn hợp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, với thời gian thực hiện từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành công nghiệp xi măng và thép. Các chỉ số kỹ thuật và tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp được đánh giá qua các thử nghiệm cường độ, độ bền trong môi trường ăn mòn, góp phần xây dựng giải pháp tái chế bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế thủy hóa của xi măng Portland và hoạt tính khoáng của xỉ thép. Cơ chế thủy hóa bao gồm phản ứng tạo thành các sản phẩm hydrat như C-S-H, C-A-H và các aluminat canxi, giúp tăng cường cường độ và độ bền của xi măng. Hoạt tính khoáng của xỉ thép phụ thuộc vào thành phần hóa học và khoáng vật, đặc biệt là hàm lượng CaO tự do, MgO, FeO và các khoáng thủy lực như C3S, C2S, C4AF.

Mô hình biểu đồ pha hệ CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃ được sử dụng để phân tích thành phần phối liệu và dự đoán sự hình thành các khoáng thủy lực trong xỉ thép sau xử lý nhiệt. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xỉ thép EAF: sản phẩm phụ của quá trình luyện thép bằng lò điện hồ quang, chứa hàm lượng cao CaO tự do và FeO.
  • Xi măng hỗn hợp: hỗn hợp xi măng Portland với phụ gia khoáng như xỉ thép và xỉ lò cao.
  • Hoạt tính thủy lực: khả năng phản ứng với nước tạo thành các sản phẩm hydrat có cường độ cơ học.
  • Chế độ làm nguội nhanh: phương pháp làm nguội xỉ nóng chảy nhằm tăng hoạt tính khoáng bằng cách tạo pha thủy tinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là xỉ thép EAF lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, Bà Rịa - Vũng Tàu. Mẫu xỉ được gia công nghiền mịn đến kích thước trung bình 90 µm, đạt độ mịn Blaine 3400 cm²/g. Thành phần hóa học được phân tích bằng phương pháp XRF và hóa học, xác định hàm lượng CaO, SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO và các oxit khác.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thử nghiệm phối trộn xi măng với xỉ thép và xỉ lò cao theo các tỷ lệ 10-40% khối lượng xỉ.
  • Đánh giá tính chất cơ lý của mẫu vữa ở các tuổi 3, 7, 28 và 60 ngày, bao gồm cường độ nén, độ ổn định thể tích và thời gian ninh kết.
  • Thử nghiệm độ bền trong môi trường ăn mòn gồm Na₂SO₄ 5%, MgSO₄ 5% và HCl 0,5M theo tiêu chuẩn ASTM C1012.
  • Xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép bằng phương pháp nung phối liệu với đá vôi và bột nhôm hydroxit ở nhiệt độ trên 1300°C, áp dụng chế độ làm nguội nhanh trong nước.
  • Phân tích khoáng vật bằng phổ XRD, phổ IR và quan sát vi cấu trúc bằng SEM.
  • Cỡ mẫu thử nghiệm gồm các thanh vữa hình trụ kích thước 40x40x160 mm, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và môi trường ăn mòn.

Timeline nghiên cứu kéo dài gần một năm, từ thu thập nguyên liệu, thực nghiệm phối trộn, xử lý nhiệt đến đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học và khoáng vật của xỉ thép EAF: Hàm lượng CaO tự do chiếm trên 31%, MgO trên 7%, FeO dao động từ 35-50%. Xỉ có hàm lượng khoáng C3S và C2S thấp, dẫn đến hoạt tính thủy lực kém hơn so với xi măng Portland. Hoạt tính cường độ của xỉ thép ở mức vừa phải theo tiêu chuẩn TCVN 6852-2001.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xỉ thép đến tính chất xi măng hỗn hợp: Mẫu vữa với 20% xỉ thép phối trộn với xi măng Portland đạt cường độ nén phù hợp, tăng độ ổn định thể tích so với xi măng Portland nguyên chất. Khi phối trộn thêm 20% xỉ lò cao, hỗn hợp 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao duy trì các chỉ tiêu cơ lý ổn định trong môi trường ăn mòn.

  3. Tính bền trong môi trường ăn mòn: Mẫu xi măng hỗn hợp có xỉ thép thể hiện khả năng chống ăn mòn sulfate và acid tốt hơn xi măng Portland, với cường độ nén duy trì trên 80% sau 60 ngày trong môi trường Na₂SO₄ 5% và HCl 0,5M.

  4. Hiệu quả của phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép: Nung phối liệu xỉ thép với đá vôi và bột nhôm hydroxit ở nhiệt độ trên 1300°C, kết hợp làm nguội nhanh trong nước, làm tăng hoạt tính thủy lực của xỉ lên đến 200% so với làm nguội chậm. Sản phẩm xỉ mới có sự xuất hiện các khoáng thủy lực như C3S, C2S và C4AF, giúp tăng cường cường độ và khả năng phối trộn trên 20% trong xi măng hỗn hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hoạt tính thủy lực thấp ban đầu của xỉ thép là do hàm lượng khoáng C3S và C2S thấp, cùng với sự hiện diện của CaO tự do và MgO tự do gây trương nở thể tích. Việc phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao giúp tận dụng tính thủy lực cao của xỉ lò cao, bù đắp cho nhược điểm của xỉ thép, tạo ra hỗn hợp xi măng có tính ổn định và bền vững trong môi trường ăn mòn.

Phương pháp nung phối liệu và làm nguội nhanh mô phỏng công nghệ sản xuất xỉ lò cao hoạt tính đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng hoạt tính xỉ thép. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về việc tăng cường hoạt tính khoáng của xỉ bằng xử lý nhiệt và làm nguội nhanh, đồng thời mở ra hướng phát triển sản phẩm phụ gia xi măng từ xỉ thép có chất lượng cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ nén của các mẫu vữa theo thời gian và môi trường dưỡng hộ, cũng như bảng phân tích thành phần khoáng XRD thể hiện sự xuất hiện các pha thủy lực mới sau xử lý nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phối trộn xỉ thép với tỷ lệ 20% trong sản xuất xi măng hỗn hợp nhằm đảm bảo cường độ và độ bền trong môi trường ăn mòn, giảm chi phí nguyên liệu và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện: ngay trong các nhà máy xi măng hiện có. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất xi măng.

  2. Kết hợp phối trộn xỉ thép và xỉ lò cao với tỷ lệ 20% mỗi loại để tận dụng ưu điểm của cả hai loại xỉ, nâng cao tính ổn định thể tích và khả năng chống ăn mòn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để thử nghiệm và điều chỉnh công thức. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển của các nhà máy xi măng.

  3. Triển khai công nghệ xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép bằng nung phối liệu và làm nguội nhanh để tạo ra sản phẩm xỉ thép hoạt tính cao, tăng tỷ lệ phối trộn trên 20% mà không giảm cường độ. Thời gian thực hiện: 1-2 năm để xây dựng dây chuyền xử lý. Chủ thể thực hiện: các nhà máy luyện thép phối hợp với nhà máy xi măng.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng xỉ thép tái chế nhằm đảm bảo tính đồng nhất và an toàn môi trường khi sử dụng làm phụ gia xi măng. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu giúp tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm xi măng hỗn hợp.

  2. Nhà máy luyện thép và các đơn vị xử lý chất thải công nghiệp: Cung cấp giải pháp tái chế xỉ thép hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí chôn lấp.

  3. Các cơ quan quản lý môi trường và chính sách công nghiệp: Là cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý, tiêu chuẩn kỹ thuật và khuyến khích tái chế xỉ thép trong ngành công nghiệp.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu vô cơ, xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật xử lý và đánh giá tính chất vật liệu mới từ xỉ thép tái chế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ thép có thể thay thế bao nhiêu phần trăm clinker trong xi măng?
    Nghiên cứu cho thấy xỉ thép có thể phối trộn từ 10-40%, trong đó tỷ lệ 20% là phù hợp nhất để đảm bảo cường độ và độ bền của xi măng hỗn hợp.

  2. Phương pháp làm nguội nhanh có tác dụng gì đối với xỉ thép?
    Làm nguội nhanh giúp tạo pha thủy tinh trong xỉ, ức chế sự phân hủy khoáng thủy lực, từ đó tăng hoạt tính thủy lực lên đến 200% so với làm nguội chậm.

  3. Xỉ thép có ảnh hưởng như thế nào đến tính bền của xi măng trong môi trường ăn mòn?
    Xỉ thép phối trộn giúp tăng khả năng chống ăn mòn sulfate và acid nhờ phản ứng tạo sản phẩm hydrat cố định vôi tự do, làm giảm sự trương nở và phá hủy cấu trúc xi măng.

  4. Có thể phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao không?
    Có, phối trộn 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao tạo ra hỗn hợp xi măng có tính ổn định thể tích và cơ lý tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Quy trình xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép gồm những bước nào?
    Quy trình gồm phối liệu xỉ thép với đá vôi và bột nhôm hydroxit, nung ở nhiệt độ trên 1300°C, sau đó làm nguội nhanh trong nước để tạo pha thủy tinh và khoáng thủy lực mới.

Kết luận

  • Xỉ thép EAF có hàm lượng CaO tự do cao và hoạt tính thủy lực vừa phải, phù hợp phối trộn trong xi măng hỗn hợp với tỷ lệ khoảng 20%.
  • Phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao giúp cải thiện tính ổn định thể tích và khả năng chống ăn mòn của xi măng.
  • Phương pháp nung phối liệu và làm nguội nhanh tăng hoạt tính xỉ thép lên đến 200%, cho phép tăng tỷ lệ phối trộn mà không giảm cường độ.
  • Sản phẩm xi măng hỗn hợp từ xỉ thép tái chế có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên.
  • Đề xuất triển khai công nghệ xử lý và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để phát triển bền vững ngành xi măng và luyện thép.

Tiếp theo, cần thực hiện các thử nghiệm quy mô công nghiệp và xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý được khuyến khích hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.