Nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô tại bà rịa vũng tàu luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

42 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP LÀM CỐT LIỆU LỚN CHẾTẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI BÀ RỊA – VŨNG TÀU .... Cơ sở lý thuyết và thiết kế thành phần

TR¦êNG §¹I HäC GIAO TH¤NG VËN T¶I

- -

TRÇN QUèC VIÖT

NGHI£N CøU Sö DôNG XØ THÐP LµM CèT LIÖU LíN CHÕ T¹O B£ T¤NG XI M¡NG TRONG X¢Y DùNG MÆT §¦êNG ¤ T¤ T¹I Bµ RÞA VòNG TµU

LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT

Hµ NéI - 2018

TR¦êNG §¹I HäC GIAO TH¤NG VËN T¶I

- -

TRÇN QUèC VIÖT

NGHI£N CøU Sö DôNG XØ THÐP LµM CèT LIÖU LíN CHÕ T¹O B£ T¤NG XI M¡NG TRONG X¢Y DùNG MÆT §¦êNG ¤ T¤ T¹I Bµ RÞA VòNG TµU

NGµNH: Kü THUËT X¢Y DùNG C¤NG TR×NH GIAO TH¤NG

Mà SỐ: 8580205 CHUY£N S¢U: X¢Y DùNG §¦êNG ¤T¤ Vµ §¦êNG THµNH PHè

LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT

H¦íNG DÉN KHOA HäC:

TS NGUYÔN §øC TRäNG

Hµ NéI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu, khảo sát và thực hiện

Học viên thực hiện luận văn

Em xin chân thành cám ơn lãnh đạo nhà trường, các Thầy cô trong khoa đào tạo sau đại học Trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ em học tập

và thực hiện luận văn

Tuy nhiên vì kiến thức và điều kiện vật chất còn hạn chế nên em cũng gặp những khó khăn nhất định Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô để em có thể học tập, tiếp thu thêm nhiều kiến thức

Hà Nội, Tháng 6 năm 2018

Trần Quốc Việt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 4

1.1 Tổng quan về BTXM 4

1.1.1 Khái niệm chung 4

1.1.2 Ưu nhược điểm của BTXM 5

1.1.3 Phân loại BTXM 6

1.2 Các lý thuyết về cấp phối BTXM 7

1.2.1 Khái niệm cấp phối BTXM 7

1.2.2 Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson 7

1.2.3 Lý thuyết cấp phối hạt của Wemouth 8

1.2.4 Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey 8

1.2.5 Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol 9

1.2.6 Lý thuyết cấp phối hạt của B.B Okhôtina và N.N Ivanov 9

1.2.7 Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng Fuller 10

1.2.8 Các phương pháp thiết kế thành phần BTXM 11

1.3 Tình hình sửdụng xỉ thép dùng trong xây dựng công trình ở trên thế giới và Việt Nam 14

1.3.1 Khái niệm xỉ thép và các tính chất của xỉ thép 14

1.3.2 Tình hình sử dụng xỉ thép dùng trong xây dựng công trình ở trên thế giới 19

1.3.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xỉ thép dùng trong xây dựng công

trình tại Việt Nam 24

1.4 Yêu cầu của mặt đường BTXM 26

1.4.1 Khái niệm mặt đường BTXM 26

1.4.2 Các yêu cầu kỹ thuật của BT làm mặt đường BTXM 27

1.5 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, THỰC TRẠNG NGUỒN VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG TẠI BÀ RỊA – VŨNG TÀU 30

2.1 Điều kiện tự nhiên tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu 30

2.1.1 Đặc điểm tự nhiên 30

2.1.2 Tài nguyên thiên nhiên 31

2.2 Nguồn vật liệu xây dựng tại Bà Rịa – Vũng Tàu 32

2.2.1 Đá xây dựng 33

2.2.2 Đá ốp lát 33

2.2.3 Sét gạch ngói 34

2.2.4 Bentonit 34

2.2.5 Puzơlan 34

2.2.6 Cát xây dựng 35

2.2.7 Vật liệu san lấp 35

2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu 36

2.3.1 Tình hình sản xuất xỉ thép 36

2.3.2 Tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng công trình 36

2.4 Mạng lưới giao thôngtại Bà Rịa – Vũng Tàu 37

2.4.1 Đường bộ 38

2.4.2 Đường thủy 39

2.4.3 Đường biển 39

2.4.4 Đường hàng không 40

2.5 Kế hoạch phát triển hệ thống giao thông đường bộ giai đoạn 2017 –

2020 và định hướng đến 2030 tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu 40

2.6 Kết luận 42

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP LÀM CỐT LIỆU LỚN CHẾTẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI BÀ RỊA – VŨNG TÀU 43

3.1 Đặt vấn đề 43

3.2 Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu chế tạo BTXM 43

3.3 Cơ sở lý thuyết và thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn 52

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 52

3.3.2 Phương pháp xác định các tính chất cơ lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn 52

3.3.3 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn 61

3.4 Thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn 62

3.4.1 Phương pháp và kế hoạch thực nghiệm 62

3.4.2 Mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén 74

3.5 Khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo BTXM trong xây dựng mặt đường ô tô 75

3.5.1 Các căn cứ đề xuất kết cấu áo đường 75

3.5.2 Đề xuất kết cấu mặt đường 75

3.6 Đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các hợp chất có trong xỉ thép tại các quốc gia tiêu biểu [3] 16

Bảng 1.2: Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ôtô 28

Bảng 1.3: Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô 28

Bảng 3.1: Cường độ nén và cường độ kéo khi uốn của xi măng dùng làm mặt đường BTXM (Phương pháp thử nghiệm theo TCVN 6010:2011) 44

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng làm mặt đường BTXM 44

Bảng 3.3: Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cốt liệu thô dùng làm mặt đường BTXM 47

Bảng 3.4: Yêu cầu thành phần cấp phối của cốt liệu thô 48

Bảng 3.5: Yêu cầu phân loại cỡ hạt danh định và thành phần mỗi loại cỡ hạt của cốt liệu thô đưa vào thiết bị trộn 49

Bảng 3.6: Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cốt liệu nhỏ 50

Bảng 3.7: Thành phần cấp phối yêu cầu với cốt liệu nhỏ 51

Bảng 3.8: Hệ số đổi cường độ mẫu khác chuẩn ra cường độ chuẩn 54

Bảng 3.9: Hệ số tính đổi γ cho mẫu đầm khi thử kéo uốn 56

Bảng 3.10: Thành phần vật liệu chế tạo BTXM cường độ 36MPa 64

Bảng 3.11: Độ sụt của BTXM 68

Bảng 3.12: Tính chất của bê tông đã đông cứng 69

Bảng 3.13: Mức phát triển cường độ Rn của BTXM ở tuổi 7 và 56 ngày so với 28 ngày 70

Bảng 3.14: Mức phát triển cường độ Ru của BTXM ở tuổi 7 và 56 ngày so với 28 ngày 71

Bảng 3.15: Mức phát triển cường độ Rech của BTXM ở tuổi 7 và 56 ngày so với 28 ngày 72

Bảng 3.16: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ 36MPa dùng đá dăm làm cốt liệu lớn 76

Bảng 3.17: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ 36MPa dùng xỉ thép (theo cấp phối cơ sở) làm cốt liệu lớn 77

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình hình thành xỉ thép 14

Hình 1.2: Nguyên nhiên liệu sử dụng và các phát thải môi trườngcủa ngành sản xuất thép lò điện 15

Hình 1.3: Bê tông cốt liệu xỉ thép 20

Hình 1.4: Sân vận động Colonial Melboune 21

Hình 1.5: Hầm nối sân bay Sydney 21

Hình 1.6: Gạch không nung sử dụng xỉ thép 24

Hình 2.1: Đường tạm dẫn vào cảng POSCO 37

Hình 2.2: Công trình nhà máy sản xuất nhôm định hình toàn cầu 37

Hình 2.3: Công trình nhà xưởng Ba Con Cò 37

Hình 2.4: Nhà máy sản xuất thép đặc biệt POSCO SS – VINA 37

Hình 3.1: Sơ đồ mẫu kéo uốn 57

Hình 3.2: Sơ đồ mẫu ép chẻ 58

Hình 3.3: Sơ đồ mẫu môđun đàn hồi 59

Hình 3.4: Bê tông xi măng sau khi trộn khô 64

Hình 3.5: Bê tông xi măng sau khi trộn ướt 65

Hình 3.6: Đo độ sụt BTXM 65

Hình 3.7: Mẫu BTXM sau khi chế tạo 66

Hình 3.8: Thí nghiệm cường độ chịu nén 66

Hình 3.9: Thí nghiệm cường độ kéo uốn 67

Hình 3.10: Thí nghiệm cường độ ép chẻ 67

Hình 3.11: Thí nghiệm mô đun đàn hồi 68

Hình 3.12: Mức tăng Rn của bê tông theo thời gian 70

Hình 3.13: Mức tăng Ru của bê tông theo thời gian 71

Hình 3.14: Mức tăng Rech của bê tông theo thời gian 72

Hình 3.15: Ru của BT khi sử dụng đá dăm và xỉ thép (cpcs, tăng 10%, giảm 10%) làm cốt liệu lớn ở tuổi 28 và 56 ngày 73

Hình 3.16: E của BT khi sử dụng xỉ thép (cpcs, tăng 10%, giảm 10%) làm cốt liệu lớn ở tuổi 28 74 Hình 3.17: Mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTXM – Bê tông xi măng

CPCS – Cấp phối cơ sở

EAF – Electric arc furnace

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền kinh tế Việt Nam hiện nay đang phát triển mạnh, các khu công nghiệp mọc lên ngày càng nhiều, cùng với đó là lưu lượng các xe tải trọng lớn cũng ngày một tăng cao dẫn tới việc kết cấu áo đường mềm dễ xuất hiện các hiện tượng hư hỏng như: lún hằn vệt bánh xe, nứt nẻ, bong tróc mặt đường,… Để khắc phục các hiện tượng hư hỏng trên mặt đường mềm, Chính phủ đã chủ trương sử dựng mặt đường cứng để thay thế nhằm đảm bảo cường

độ, độ ổn định, thời gian khai thác,… và cũng là để tận dụng nguồn xi măng

có thể sản xuất được trong nước thay vì phải nhập khẩu nhựa từ nước ngoài Điều nảy dẫn đến việc sẽ cần khai thác một lượng lớn các tài nguyên thiên nhiên như đá dăm, sỏi cuội, cát,… để sản xuất bê tông xi măng trong khi các tài nguyên này đang dần cạn kiệt và việc khai thác sản lượng quá lớn sẽ dẫn đến sạt lở, mất cân bằng sinh thái Trong khi đó, ngành luyện kim cũng không ngừng phát triển, các phế thải của ngành này cũng ngày càng nhiều Một trong những phế thải công nghiệp đó là xỉ thép Xỉ thép là chất thải khó

xử lí, nếu không được xử lí đúng cách dễ gây ô nhiễm môi trường Nếu có thể tận dụng được xỉ thép làm vật liệu thay thế đá dăm trong sản xuất bê tông thì vừa có thể hạn chế việc ô nhiễm môi trường do xỉ thép gây ra, vừa hạn chế việc khai thác đá, cát thiên nhiên

Các nhà khoa học đã so sánh xỉ thép giống như sản phẩm được tạo ra từ núi lửa phun trào Xỉ thép là loại phế liệu chứa nhiều khoáng chất có thành phần như của xi măng Do đó, BTXM làm từ xỉ thép có thể mang lại những hiệu quả nhất định, sản phẩm BTXM dùng cốt liệu xỉ thép có khả năng cho chất lượng tốt và rẻ hơn so với sử dụng đá dăm Mặt khác, theo phân tích tính toán thì xi măng làm từ xỉ thép còn góp phần bảo vệ môi trường, có thể giảm phát thải tới 44% CO2 so với các sản phẩm xi măng thông thường Theo điều tra , tại Khu CN Phú Mỹ (Bà Rịa – Vũng Tàu), có nhiều nhà máy luyện thép bắt đầu đi vào sản xuất như Nhà máy thép Việt, Nhà máy thép miền Nam,…

Dự kiến lượng xỉ phế thải phát sinh ra môi trường lên đến 451.000 tấn xỉ/năm

Như vậy với thực trạng như trên, nghiên cứu sử dụng xỉ thép để thay thế đá dăm làm cốt liệu lớn chế tạo BTXM trong xây dựng mặt đường ô tô là

sự cần thiết trong bối cảnh, thực trạng xỉ thép có thể gây ra ô nhiễm môi trường

2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng sử dụng xỉ thép trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu làm cốt liệu lớn dùng trong sản xuất BTXM làm mặt đường ô tô

3 Phạm vi nghiên cứu

Thực nghiệm trong phòng xác định tính chất cơ lý của BTXM sử dụng

xỉ thép làm cốt liệu lớn thay thế đá dăm trong xây dựng mặt đường ô tô: Cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi Lựa chọn thành phần hợp lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn; Loại BTXM được đề cập trong luận văn có cường độ chịu nén là 36MPa

4 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu tính khả thi sử dụng xỉ thép để thay thế đá dăm làm cốt liệu lớn chế tạo BTXM trong xây dựng mặt đường ô tô trên địa bàn tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Lựa chọn thành phần hợp lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn

5 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định thành phần và tính chất của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn, phân tích số liệu thực nghiệm nhằm đưa ra các kết luận cần thiết

6 Kết cấu luận văn

Ngoài mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn kết cấu gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về BTXM sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường

ô tô

Chương 2: Điều kiện tự nhiên, thực trạng nguồn vật liệu xây dựng và mạng lưới giao thông tại Bà Rịa- Vũng Tàu

Chương 3: Nghiên cứu khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo BTXM trong xây dựng mặt đường ô tô tại Bà Rịa- Vũng Tàu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG XỈ

THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về BTXM

1.1.1 Khái niệm chung

Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính, theo một tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tông)

Trong bê tông, chất kết dính (xi măng + nước, nhựa đường, phụ gia ) làm vai trò liên kết các cốt liệu thô (đá, sỏi, đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ) và cốt liệu mịn (thường là cát, đá mạt, đá xay, ) và khi đóng rắn, làm cho tất cả thành một khối cứng như đá

Có các loại bê tông phổ biến là: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polime và các loại bê tông đặc biệt khác

Về sức bền vật lý, bê tông chịu lực nén khá tốt nhưng khả năng chịu lực kéo không tốt lắm Vì vậy, trong xây dựng các công trình, các vật liệu chịu lực kéo tốt (ví dụ thép) được sắp xếp để đưa vào trong lòng khối bê tông, đóng vai trò là bộ khung chịu lực nhằm cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông Loại bê tông có phần lõi thép này được gọi là bê tông cốt thép Các tác động khác như đóng băng hay nước ngấm vào trong bê tông cũng có thể gây

ra hư hại cho loại vật liệu này

Bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình kiến trúc, móng, gạch không nung hay gạch block, mặt lát của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường bộ, đường băng, các cấu trúc trong bãi đỗ xe, đập, hồ chứa/bể chứa nước, ống cống, chân cột cho các cổng, hàng rào, cột điện và thậm chí là thuyền Một số công trình kiến trúc làm bằng bê tông nổi tiếng có thể kể đến như Burj Khalifa (tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới), đập Hoover, kênh đào Panama và Đền Pantheon

Kỹ thuật chế tạo và sử dụng bê tông xuất hiện từ thời La Mã cổ đại và được sử dụng rộng rãi trong suốt giai đoạn tồn tại của Đế quốc La Mã Sau

khi đế quốc La Mã sụp đổ, kỹ thuật sử dụng bê tông cũng bị mai một cho đến khi được tái khám phá vào giữa thế kỷ 18

Việc sản xuất và sử dụng bê tông có nhiều tác động khác nhau đến môi trường và nhìn chung cũng không hoàn toàn là tiêu cực như nhiều người nghĩ Mặc dù sản xuất bê tông đóng góp đáng kể vào việc sản sinh khí nhà kính, việc tái sử dụng bê tông lại rất phổ biến đối với các công trình quá cũ và quá giới hạn tuổi thọ Những kết cấu bê tông rất bền và có tuổi thọ rất cao Đồng thời, do khối lượng tác dụng nhiệt cao và độ thẩm rất kém, bê tông cũng là một vật liệu dùng cho nhà ở tiết kiệm năng lượng

1.1.2 Ưu nhược điểm của BTXM

Bê tông xi măng (BTXM) là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình và làm rắn chắc hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông (bê tông tươi –fresh concrete) có thành phần được lựa chọn hợp lý gồm: xi măng, nước, cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát) và phụ gia Khi rắn chắc hồ xi măng dính kết hỗn hợp cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực, hỗn hợp xi măng và nước bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu đóng vai trò là chất kết dính và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ

Ưu điểm:

- Cường độ chịu nén cao;

- Dễ tạo hình cho cấu kiện;

Yêu cầu kỹ thuật đối với BTXM:

- Hỗn hợp bê tông phải đạt độ dẻo để dễ thi công;

- Sau khi rắn chắc bê tông phải đạt được các yêu cầu kỹ thuật: cường độ

chịu nén ở ngày tuổi nhất định; khả năng chống thấm; bền với môi trường

1.1.3 Phân loại BTXM

Theo cường độ chịu nén (ở 28 ngày tuổi):

- Bê tông thường: Rb = 15  60 MPa;

- Bê tông cường độ cao: Rb = 60  100 MPa;

- Bê tông cường độ rất cao: Rb = 100  200 MPa;

Theo khối lượng thể tích:

- Bê tông công trình: Sử dụng ở các kết cấu và công trình chịu lực, yêu

cầu có cường độ thích hợp và tính chống biến dạng

- Bê tông công trình cách nhiệt: Vừa yêu cầu chịu được tải trọng vừa

cách nhiệt, dùng ở các kết cấu bao che như tường ngoài, tấm mái, …

- Bê tông các nhiệt: Bảo đảm yêu cầu cách nhiệt của các kết cấu bao che

có độ dày không lớn

- Bê tông thủy công: Ngoài yêu cầu chịu lực và chống biến dạng, cần có

độc chắc cao, tính chống thấm và bền vững dưới tác dụng xâm thực của nước môi trường

- Bê tông làm đường: Dùng làm tấm lát mặt đường, đường bang sân

bay,… Loại bê tông này cần có cường độ cao, tính chống cọ mòn lớn và chịu được biến đổi lớn về nhiệt độ và độ ẩm

- Bê tông ổn định hóa học: Ngoài yêu cầu thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật

khác, cần chịu được tác dụng xâm thực của các dung dịch muối, axít, kiềm và hơi của các chất này mà không bị phá hoại hay giảm chất lượng sử dụng

- Bê tông chịu lửa: Chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao trong

quá trình sử dụng

- Bê tông trang trí: Dùng để trang trí bề mặt công trình, có màu sắc yêu

cầu và chịu được tác dụng thường xuyên của thời tiết

- Bê tông nặng chịu bức xạ: Dùng ở các công trình đặc biệt, hút được

bức xạ của tia γ hay bứt xạ nơtron

1.2 Các lý thuyết về cấp phối BTXM

1.2.1 Khái niệm cấp phối BTXM

Cấp phối bê tông là tỷ lệ thành phần các vật liệu cho 1m³ bê tông Cấp phối bê tông phụ thuộc vào mác bê tông, kích thước cốt liệu, chất kết dính, thành phần phụ gia Với bê tông thường cấp phối bê tông thường được hiểu là

tỷ lệ các thành phần: xi măng (kg), đá (m³), cát (m³), nước (lít) cho 1m³ bê tông Cấp phối bê tông được quy định trong định mức dự toán vật liệu theo mác bê tông Để có được cấp phối bê tông người ta phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần với các tỷ lệ thành phần khác nhau để có được tỷ lệ thích hợp cho từng mác bê tông khác nhau

1.2.2 Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson

Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Fuller – Thompson đã đi đến kết luận tồn tại một số thành đường cong thành phần hạt lý tưởng Ban đầu họ cho rằng các đường cong là một phần của elip (ở vùng kích thước hạt nhỏ) và sau

đó là đoạn chuyển tiếp với đường cong đó

Phương trình elip có dạng như sau:

1)(

)(

2

2 0 2

x x

(1.1) Trong đó:

a, b là trục của elip có trị số phụ thuộc kích cỡ và hình dạng hạt

y là % vật liệu lọt qua sàng x, mm Sau đó thì Fuller và Thompson đã phát hiện các đường thành phần hạt gần với hình parabol hơn, phương trình chung là:

1.2.3 Lý thuyết cấp phối hạt của Wemouth

Theo kết quả nghiên cứu của Weymouth về cấp phối có độ chặt lớn nhất, cho thấy rằng: lỗ rỗng giữa các vật liệu hạt có kích thước nhất định thường được chêm bởi các vật liệu có kích cỡ nhất định nhỏ hơn ngay sau nó,

lỗ rỗng còn lại được chêm bởi những vật liệu có kích cỡ nhỏ hơn nữa Nhưng kích thước của các vật liệu hạt chêm này không được lớn hơn khe hở giữa các vật liệu hạt lớn hơn, nếu không thì không lọt qua được

Vs’ : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước D

Vs : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước d

1.2.4 Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey

Bolomey đã nhận thấy rằng các hỗn hợp đạt được bằng phương pháp Fuller cho hỗn hợp bê tông có tính công tác tương đối thấp, ông đề nghị một

sự thay đổi đối với parabol của Fuller như sau:

P = (1 )( )1/2

D

d f

Trong đó f là một hằng số kinh nghiệm

Các kí hiệu khác có cùng ý nghĩa như trên

Giá trị f được chọn phụ thuộc tính dễ đổ và hàm lượng các hạt nhỏ

Phương trình trên có thể áp dụng bình thường cho tất cả các vật liệu rắn tạo nên hỗn hợp Nhưng trong thực tế, đường cong thành phần hạt của xi măng là không biến đổi Bolomey cũng chỉ áp dụng quan hệ này cho các hạt lớn hơn 0.1mm

1.2.5 Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol

Theo sự nghiên cứu của Talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được độ chặt lớn nhất:

P = (d/20)0.5 × 100 = 22.36 d

1.2.6 Lý thuyết cấp phối hạt của B.B Okhôtina và N.N Ivanov

Dựa trên cơ sở thực nghiệm, B.B Okhotina đã xác định được những đặc điểm cơ bản sau:

- Độ rỗng của các cấp phối làm bằng một thành phần hạt (ví dụ cát và đá

dăm), trong đó các hạt có kích cỡ gần nhau và chênh lệch nhau 2 lần, sẽ như nhau khi tỷ lệ khối lượng của các loại hạt trong cấp phối bằng nhau Nói một cách khác, khi cùng tăng hoặc cùng giảm kích thước của tất cả các loại hạt với số lần như nhau, thì độ rỗng sẽ không thay đổi

- Độ rỗng của cấp phối sẽ nhỏ nhất, nếu kích thước các loại hạt chèn vào

lỗ rỗng của các loại hạt to hơn lần lượt giảm đi 16 lần và khối lượng của các hạt sau (nhỏ hơn) bằng 43% khối lượng của các loại hạt trước (lớn hơn) Như vậy có nghĩa là: Nếu hạt to có kích thước 16 ÷ 32mm, thì các loại hạt sau có kích thước lần lượt là 1 ÷ 2; 0.06 ÷ 0.12; 0.004 ÷ 0.008mm và khối lượng của hạt 1 ÷ 2mm bằng 43% khối lượng của hạt 16 ÷ 32mm, khối lượng của hạt 0.06 ÷ 0.12mm bằng 43% khối lượng hạt 1 ÷ 2mm, và cứ tiếp tục thế,

- Khi chọn một cấp phối có các loại hạt có kích thước chênh nhau 1/8,

1/4 và 1/2 lần, thì độ rỗng của cấp phối sẽ lớn hơn và khối lượng của vật liệu hạt nhỏ chèn vào sẽ phải tăng lên Như vậy, khi chèn vào lỗ rỗng bằng những loại hạt lần lượt nhỏ đi 8 lần, 4 lần và 2 lần, thì để cấp phối có độ chặt lớn

nhất khối lượng của các loại hạt sau (nhỏ hơn) lần lượt phải bằng 55%, 66%

và 81% khối lượng của loại hạt trước (to hơn)

- Nếu ta trộn thêm vào cấp phối trên bất kỳ loại hạt trung gian nào, thì

độ rỗng sẽ tăng lên Nhưng nếu trộn thêm vào cấp phối loại vật liệu mà thành phần và tỉ lệ khối lượng các loại hạt giống nhau như cấp phối đó, thì độ rỗng của nó sẽ không thay đổi

- Từ mục có thể dễ dàng thấy rằng: Các loại hạt có kích thước chênh

nhau 16 lần và 4 lần, thì tỉ lệ khối lượng là 0.43 (43%) và = 0.66 (66%) Như vậy, nếu các loại hạt chênh nhau 2 lần, thì tỉ lệ khối lượng

của chúng sẽ là = 0.81 (81%)

- Gọi k là trị số % này, k biểu thị tỷ lệ khối lượng giảm dần của các loại

hạt, nên gọi là hệ số khối lượng giảm dần

- Nếu cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 16 lần và k =

0.25 – 0.43 – 0.5, thì cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 2 lần:

0.24; 0.43; 0.50 0.7; 0.81; 0.84

- Tác giả Ivanov đã áp dụng phạm vi của hệ số k trên vào việc chọn

thành phần cấp phối hạt của bê tông asphalt, thấy rằng độ rỗng chỉ thay đổ tối

đa 1.5% Nếu mở rộng thêm k = 0.65 ÷ 0.9, thì độ rỗng chỉ thay đổi khoảng tối đa 2% Dựa vào nguyên tắc đó và dựa vào thí nghiệm, giáo sư Ivanov đã định ra đường cong giới hạn của cấp phối Bất kỳ một cấp phối nào có đường cong nằm trong phạm vi giới hạn đó có độ chặt tương đối lớn Qua nhiều lần thí nghiệm, đã xác nhận rằng: Nói chung, tất cả các đường cong của cấp phối đất, đá hay cấp phối bê tông asphalt hay BTXM nằm trong phạm vi của đường cong giới hạn đều cho kết quả tốt

1.2.7 Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng Fuller

Cấp phối cốt liệu được định nghĩa là mối quan hệ giữa kích cỡ sàng tiêu chuẩn Xi và tổng lượng lọt qua sàng này Yi Mối quan hệ này tính toán công thức hay biểu đồ Tối ưu hóa cấp phối cốt liệu có nghĩa là dùng đường

0.43

0.66

cong cấp phối lý tưởng thì cho một hỗn hợp cốt liệu có độ đặc tốt

Đường cong Fuller được biểu thị bằng công thức toán học sau:

- Trong đó: YTi: lượng lọt sàng lý tưởng (lý thuyết)

Xmax: kích cỡ lớn nhất cốt liệu, mm (điểm kết thúc đường cong lý tưởng)

Đường cong lý tưởng được tính toán bắt đầu từ điểm (XO,0) vì các hạt nhỏ hơn XO = 0.075mm được gọi là bột Do đó để tính toán giá trị này đường cong lý tưởng Fuller có dạng:

- Trong đó: T là hệ số phụ thuộc vào kính cỡ lớn nhất của cốt liệu và

phải quan tâm rằng độ cong đường cong Fuller có thể thay đổi phụ thuộc vào loại cốt liệu Hay nói cách khác đường cong Fuller cho kết quả tốt thì hỗn hợp bê tông có tính cứng tốt Độ cong của đường cong lý tưởng Fuller phụ thuộc vào thành phần của bê tông và loại cốt liệu:

Trong đó: YTi: độ cong của đường cong lý tưởng

Tn: hệ số, phụ thuộc kích cỡ lớn nhất cốt liệu và bậc của biểu thức

n: Hệ số thực nghiệm lấy: 0.3  0.6

Về lý thuyết ta có thể đạt được cấp phối lý tưởng khi lựa chọn một tỷ lệ hợp lý hỗn hợp cốt liệu, tuy nhiên cách này thì khó khăn và không kinh tế Thực nghiệm ta chuẩn bị sẵn các loại cốt liệu mịn và cốt liệu thô với các cấp phối tỷ lệ khác nhau để pha trộn cho một độ đặc hợp lý và có hiệu quả kinh tế cao

5 , 0



x

nR A

R N

X

5,0

R N

X

thuyết kết hợp với việc tiến hành kiểm tra bằng thực nghiệm dựa theo phương pháp “thể tích tuyệt đối” có nghĩa là tổng thể tích tuyệt đối (hoàn toàn đặc) của vật liệu trong 1m3 bê tông bằng 1000 (lít)

ổn định K = 1.15 ứng với các nơi trộn bê tông phải cân đong thủ công và nguồn cung cấp vật liệu kém ổn định

Tỉ lệ XM/N xác định theo công thức sau:

Với bê tông thường (XM/N = 1.4  2.5):

(1.10) Với bê tông cường độ cao (XM/N > 2.5):

(1.11) Trong đó:

Rn: Cường độ của bê tông tuổi 28 ngày

Rx: Cường độ của xi măng tuổi 28 ngày

5 , 0



x

nR A

R N

X

5 , 0

R N

X

A, A’: Hệ số phụ thuộc vào chất lượng cốt liệu

- Bước 4: Xác định lượng xi măng, đá, cát và hiệu chỉnh thành phần cốt

liệu theo lượng hạt > 5mm và độ ẩm

1.2.8.3 Thiết kế thành phần bê tông theo Quyết định số 778/1998/QĐ-BXD

Thực hiện theo các bước như sau [5]:

- Bước 1: Chọn độ sụt

- Bước 2: Xác định lượng nước trộn bê tông

- Bước 3: Xác định tỉ lệ X/N

Tỉ lệ X/N xác định theo công thức sau:

Với bê tông thường (XM/N = 1.4  2.5):

(1.12) Với bê tông cường độ cao (XM/N > 2.5):

(1.13) Trong đó:

Rx: Cường độ thực tế của xi măng, MPa

Rb: Cường độ của bê tông, MPa, lấy bằng mác bê tông yêu cầu theo cường độ nén nhân với hệ số an toàn: 1.1 đối với các trạm trộn tự động; 1.15 đối với các trạm trộn cân đong thủ công

A, A1: Hệ số chất lượng vật liệu Các hệ số này căn cứ vào phương pháp thử cường độ xi măng và chất lượng vật liệu dự kiến sử dụng

Khi thiết kế chỉ định mác bê tông ở tuổi không phải 28 ngày thì để xác định tỷ lệ X/N, cường độ bêtông ở các tuổi này (Rt) được quy đổi về cường

độ bêtông tuổi 28 ngày bằng công thức như sau:

Rn(28ngày) = Rt/kt (1.14) Trong đó: kt - hệ số quy đổi

- Bước 4: Xác định lượng xi măng, đá, cát và hiệu chỉnh thành phần cốt

liệu (cát, đá) theo lượng hạt cát > 5mm

1.2.8.4 Thiết kế thành phần bê tông theo quy hoạch thực nghiệm

Dựa vào lý thuyết và thực nghiệm để thiết kế thành phần bê tông xi măng có sử dụng cát xay, tìm ra tương quan giữa các thông số vật liệu trong thành phần cấp phối và các đặc trưng cơ học của bê tông sau khi xử lý toán thống kê và quy hoạch

1.3 Tình hình sửdụng xỉ thép dùng trong xây dựng công trình ở trên thế giới và Việt Nam

1.3.1 Khái niệm xỉ thép và các tính chất của xỉ thép

1.3.1.1 Khái niệm

Xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép Các thành phần hóa học chính của xỉ thép là ôxit của các kim loại: Canxi (CaO), Sắt (FexOy), Magiê (MgO), Mangan (MnO2), Silic (SiO2) và Nhôm (Al2O3),… ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò Xỉ lò điện hồ quang phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ 1600oC Ở nhiệt độ này, các kim loại nặng, chất hữu cơ, chất dễ bay hơi độc hại hoàn toàn không có mặt trong xỉ thép vì ở nhiệt độ > 1.200oC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn

Hình 1.1 Quá trình hình thành xỉ thép

165 kg xỉ

19 kg bụi lò

16 kg vảy oxit sắt 2.5 kg bùn lắng

17 kg vật liệu chịu lửa 0.8 kg dầu

3 kg chất khác

1 tấn thép sản phẩm

Bảng 1.1: Các hợp chất có trong xỉ thép tại các quốc gia tiêu biểu

Thành phần Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 1 Mẫu 2

các hạt có thể chèn móc vào nhau, ổn định cao nếu được đầm chặt;

- Hàm lượng hạt dẹt thấp (từ 1.4 – 10.3%), độ mài mòn LA (từ 13 –

25%), độ nén dập trong xi lanh khá tốt đáp ứng được yêu cầu của vật liệu làm đường ô tô (từ 12.1 – 23%);

- Đánh giá tính ổn định của cốt liệu xỉ thép do tác động thời tiết, thí

nghiệm mẫu ngâm trong natri hoặc magiê sunfat Kết quả thử nghiệm cho thấy xỉ thép có độ bền tốt;

- Độ dính bám với nhựa rất tốt: các nghiên cứu đều cho thấy độ dính

bám của nhựa với xỉ trên 95% hoặc đạt mức độ tốt đến rất tốt;

- Độ hút nước của xỉ khá cao và cao hơn đá dăm, có nghiên cứu như

Malayxia cho thấy độ hút nước là 5.46 – 6.92%;

- Khối lượng riêng của xỉ khá cao (2.82 – 3.91g/cm3), lớn hơn khoảng 35% so với cốt liệu đá dăm

b Thành phần hóa học và khoáng vật của Xỉ thép

Quá trình sản xuất thép EAF bản chất là quá trình tái chế thép phế liệu

Vì vậy, thành phần hóa học của xỉ EAF phụ thuộc đáng kể vào các thuộc tính của thép tái chế Các thành phần hóa học của xỉ EAF rất khác nhau, thành phần hóa học chính của xỉ thép cũng bao gồm các ôxít tương tự như cốt liệu

đá dăm, chủ yếu là các ôxít: CaO, FexOy, SiO2, MgO và Al2O3 (Bảng 1.1) Kết quả nghiên cứu ở các nước có sự khác biệt về thành phần hóa học của xỉ thép, cụ thể [10]:

- Trong các nghiên cứu ở Slovania, Nippon slag, Manso et al, Luxa´n et

al, Barra et al, Đức, Italia, Arap Saudi thành phần hóa học chính trong xỉ thép: FexOy chiếm 26.5 – 42.5%, CaO chiếm 22.8 – 29.5%, SiO2 chiếm 8.5 – 16.1%, Al2O3 chiếm 4.7 – 12.2%, MgO chiếm 2.9 – 12.5%

- Nghiên cứu ASA, Nga thành phần hóa học chính trong xỉ thép: CaO

chiếm 38.5 – 41.5%, SiO2 chiếm 35.5 – 37%, Al2O3 chiếm 11.5 – 13.5%, MgO chiếm 5.5 – 10.5%

- Nghiên cứu ở Euroslag, Nam Phi, Nationalslag, Shi, Tossavainen et al,

Tsakiridis et al, Ấn Độ, Croatia, Trung Quốc thành phần hóa học chính trong

xỉ thép: CaO chiếm 33.22 – 49.7%, FexOy chiếm 18 – 29.64%, SiO2 chiếm 10.86 – 17.5%, Al2O3 chiếm 1.3 – 6.7%, MgO chiếm 2 – 13.09%

Đặc biệt, theo nghiên cứu của Emery, Irem Zeynep Yildirim, Monica Prezzi ở Mỹ, Luc P De Bock ở Bỉ,… trong thành phần hóa học của xỉ thép

có chứa thành phần CaO ở trạng thái tự do Do sự hiện diện của CaO tự do, làm cho xỉ thép bị trương nở gây mất ổn định thể tích Nghiên cứu cơ chế hydrat hóa của CaO đã chứng minh rằng khi nó ngậm nước, CaO có thể hydrat gần như hoàn toàn trong một vài ngày Tuy nhiên, thành phần CaO chìm sâu trong hạt xỉ thép có thể không bị hydrat nếu các các hạt xỉ không bị nứt Ngoài ra, MgO tự do cũng có thể tồn tại trong thép xỉ Không giống như CaO, MgO hydrat với một tốc độ chậm hơn nhiều, chỉ gây ra những thay đổi khối lượng đáng kể trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm Nói chung,

xỉ được tạo ra từ các công nghệ sản xuất thép hiện đại có hàm lượng MgO thấp Tuy nhiên, nếu dolomite (CaMg(CO3)2) được sử dụng như một tác nhân gây cháy thay cho vôi, hàm lượng MgO trong xỉ thép gia tăng

Một phản ứng khác là nguyên nhân gây trương nở thể tích liên quan đến thành phần silicat dicalcium (C2S) Thành phần C2S thường có mặt trong

tất cả các loại xỉ thép và tồn tại trong bốn dạng đa hình: α, α ', β và γ α-C2S

ổn định ở nhiệt độ cao (> 630oC) Ở nhiệt độ dưới 500oC, β-C2S bắt đầu

chuyển đổi thành γ-C2S Quá trình chuyển hóa này làm trương nở thể tích lên đến 10% Nếu quá trình làm mát xỉ thép là chậm, tinh thể bị phá vỡ, kết quả trong xỉ thép chứa một một lượng đáng kể bụi Nghiên cứu của Yildirim and Prezzi thành phần hóa học chính trong xỉ thép: CaO chiếm 47.52%, Al2O3

chiếm 22.59%, FeO chiếm 7.61%, MgO chiếm 7.35%, SiO2 chiếm 4.64%

Hai thành phần khoáng vật chính mẫu xỉ EAF là portlandite Ca(OH)2

và mayenite (CA12Al14O33) Đỉnh cao nhất trong các mô hình nhiễu xạ tia X của mẫu xỉ EAF đã được quan sát là Ca(OH)2 Thành phần nhỏ khác được xác định là vôi (CaO), larnite (Ca2SiO4), uvavorite (CA3.CR2(SiO4)3),

wollastonite ((Ca Fe)SiO3), và pericla (MgO)

1.3.2 Tình hình sử dụng xỉ thép dùng trong xây dựng công trình ở trên thế giới

Hiện nay, tại châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản và nhiều nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu 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 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 vào nhiều mục đích xây dựng, giao thông, nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải Các ứng dụng của xỉ thép

có thể được kể đến như sau:

- Thay thế cốt liệu cho bê tông xi măng:

+ Xỉ thép có chứa thành phần hóa học tương tự như xi măng Portland mặc dù tỷ lệ các chất khác nhau Chính vì vậy, xỉ thép có thể được sử dụng trong xi măng Portland và trong bê tông

+ Tùy vào ứng dụng cụ thể, hàm lượng xỉ thép thay thế trong xi măng Portland có thể đạt từ 20 – 50% Sử dụng xỉ thép trong bê tông cũng có ưu điểm, vì xỉ thép làm cho bê tông tăng tính ổn định nhiệt, kháng sulfate, nước biển và clo và các tính chất này khó có thể tìm thấy được khi dùng xi măng Portland

Hình 1.3: Bê tông cốt liệu xỉ thép

+ Nghiên cứu của Manso năm 2004 cho thấy, xỉ thép được nghiền không tạo ra đủ các cốt liệu mịn, điều này dẫn đến hỗn hợp bê tông có mật độ cao và nặng Thêm vào đó, lượng nước cần cho quá trình trộn sẽ nhiều hơn do xỉ có

độ rỗng lớn Ngoài ra, bê tông dùng xỉ thép có độ thấm nước thấp và chống mài mòn cao và việc chế tạo được bê tông chất lượng cao từ xỉ thép là hoàn toàn có thể nếu loại bỏ được độ trương nở của xỉ

+ Trong một nghiên cứu, Patel đã chỉ ra rằng, việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép với hàm lượng không vượt quá 75% không gây ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ bản của bê tông

+ Qasrawi năm 2009, nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải không và có hàm lượng CaO thấp, hầu như không qua xử lý chất hoạt tính, làm cốt liệu nhỏ thay cát trong bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng xỉ thải với hàm lượng 30% - 50%, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo của bê tông tăng tương ứng 1.2 và 1.4 lần Ngoài ra, độ sụt của bê tông giảm xuống, còn khối lượng thể tích tăng khi hàm lượng xỉ thép sử dụng tăng lên

+ Nhiều công trình có sử dụng bê tông xỉ thép được xây dựng trên thế giới, như: Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh – Trung Quốc, sân bay Sydney, sân vận động Colonial Melboune và một số công trình khác

Hình 1.4: Sân vận động Colonial Melboune

Hình 1.5: Hầm nối sân bay Sydney

Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng giao thông và công trình thủy lợi: Xỉ thép đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây

dựng đường và cảng biển Trong xây dựng đường, xỉ thép được dùng làm vật liệu nền, móng và mặt đường

- Xỉ thép cho nền, móng đường:

+ Trong xỉ thép có chứa hàm lượng CaO cao CaO sẽ trương nở khi gặp nước và làm tăng thể tích Chính vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của xỉ thép cho nền và móng đường là rất cần thiết Nghiên cứu của Rohde và đồng nghiệp năm 2003 chỉ ra rằng, xỉ thép có khả năng mất ổn định dưới tác động của nước cao do trương nở Tuy nhiên, môđun đàn hồi của xỉ thép được bảo quản trong môi trường ẩm khá cao, lên tới 500MPa, cao hơn đá dăm tự nhiên Điều này chứng tỏ xỉ thép có thể dùng làm móng đường nếu được xử

lý ẩm để giảm độ trương nở thể tích

+ Aiban năm 2006 cũng tiến hành một nghiên cứu sử dụng 100% xỉ thép làm lớp móng đường Kết quả hiện trường cho thấy móng đường làm việc rất tốt mặc dù bị ngập nước nhiều lần do mưa và hệ thống thoát nước mưa kém + Xỉ thép đã được sử dụng cho nền đường ở nhiều nước như Mỹ, Trung Quốc, Úc, Trung Quốc đã có tiêu chuẩn về sử dụng xỉ thép cho nền đường khá sớm, vào năm 1990

+ Các nghiên cứu ở trên cho thấy, xỉ thép hoàn toàn có thể được sử dụng

để làm nền, móng đường Tuy nhiên, trong hướng dẫn về sử dụng xỉ thép của

Mỹ có cảnh báo về khả năng tính kiềm của các chất rò rỉ từ xỉ thép cao, vượt trên 11 độ pH Nồng độ pH quá cao của chất rò rỉ có thể ăn mòn cống rãnh và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái nước xung quanh khu vực xây dựng đường Chính vì vậy, cần có các nghiên cứu xác định nồng độ pH của chất rò

rỉ từ xỉ thép trước khi đưa vào sử dụng cho móng và nền đường

- Xỉ thép cho bê tông nhựa:

+ Từ những năm từ 1990, xỉ thép đã được sử dụng cho bê tông nhựa tại

Úc, Mỹ Ưu điểm của xỉ thép so với các loại vật liệu đá tự nhiên là bề mặt có

độ nhám cao và cường độ chịu lực tốt

+ Nghiên cứu của Ali và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng, bê tông nhựa có

mô-đun đàn hồi và cường độ chịu nén tăng, ít biến dạng và ít bị ảnh hưởng bởi nước hơn khi hàm lượng xỉ thép trong hỗn hợp tăng Ngoài ra, bê tông nhựa sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép yêu cầu lượng nhựa cao hơn so với cốt liệu đá tự nhiên là 25% Điều này có thể được lý giải bởi xỉ thép có độ rỗng lớn hơn cốt liệu tự nhiên

+ Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đề cập đến khả năng giãn nở thể tích của

xỉ thép tác động đến quá trình làm việc của bê tông nhựa trong thực tế Chính

vì vậy, một số nghiên cứu đã được tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng của việc giãn nở thể tích của xỉ đến quá trình làm việc của bê tông nhựa Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi có tác động của nước hàm lượng vôi trong xỉ cao gây nứt mặt đường bê tông nhựa do xỉ thép bị giãn nở Nghiên cứu cũng đã kiến nghị cần có bộ quy định thí nghiệm phù hợp để kiểm tra độ trương nở của xỉ trước khi đưa vào sử dụng

- Xỉ thép cho công trình thủy lợi: Ở Đức, khoảng 400.000 tấn xỉ được sử

dụng mỗi năm để làm ổn định lòng sông và bờ kè sông để chống lại xói mòn Còn ở Nhật Bản, Hiệp hội xỉ Nippop đã phát triển công nghệ sử dụng xỉ như một loại vật liệu xử lý đất ở các công trình cảng từ những năm 1993

- Các ứng dụng khác của xỉ thép:

+ Ngoài các ứng dụng kể trên, xỉ thép còn được ứng dụng rộng rãi trong công tác xử lý nền, bao gồm thi công nền hạ công trình, chống lún, chống lầy cho các công trình kho bãi và nhà xưởng Vì xỉ thép có chứa hàm lượng xi măng thấp và hàm lượng CaO cao nên có thể làm việc như một chất ổn định nền Xỉ thép có thể được dùng để thi công trong môi trường không thuận lợi (nền đất lầy, lún, ngập nước) hoặc thời tiết xấu (mưa) Đặc biệt tại các công trình bị ngập nước, xỉ thép được sử dụng để chống lầy, làm khô mặt bằng và

xử lý nền đất yếu trong quá trình thi công

+ Ngoài ra, xỉ thép còn được sử dụng để chế tạo đồ gốm sứ Một nghiên cứu của Shih và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng, với một hàm lượng xỉ thép hợp lý có thể giảm được nhiệt độ cháy cần thiết cho gạch làm từ đất sét; đã có

những công ty dùng xỉ thép để chế tạo ngói, gạch màu lát nền đi bộ cũng như gạch không nung và đã áp dụng ở Trung Quốc

xỉ thép thay thế một phần xi măng giúp cho việc giảm thải khí CO2 từ việc sản xuất xi măng gây hiệu ứng nhà kính và tận dụng được vật liệu phế thải từ các nhà máy sản xuất thép;

“Nghiên cứu sử dụng phế thải xỉ sắt trong công nghệ sản xuất thép làm cốt liệu cho bê tông Asphalt” [14]: Thành phần hoá của xỉ sắt gồm 20.54%

Fe2O3, 32.21% CaO, 19.14% SiO2, 5.43% Al2O3, 6.22% MgO, 7.88% cặn không tan và một số thành phần khác; Xỉ sắt sau khi gia công là một loại cốt liệu có cường độ cao, cấu trúc hạt nhám, có nhiều lỗ rỗng bề mặt; Hàm lượng nhựa tối ưu của BTN sử dụng cốt liệu hạt mịn là từ khoảng 5.5% – 6.0%, hàm lượng nhựa tối ưu của BTN sử dụng cốt liệu hạt trung là 5.0% – 5.5%;

Về cơ bản, khi sử dụng xỉ sắt làm cốt liệu trong BTN thì hàm lượng nhựa tăng, độ dẻo giảm, độ ổn định tăng, cường độ tương đương và khả năng chống biến dạng, môđun đàn hồi tốt hơn so với BTN sử dụng đá; Khi sử dụng

xỉ sắt làm cốt liệu cho BTN thì cường độ chịu nén > 70 daN/cm2, độ ổn định Marshall còn lại > 75%

“Nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép trong sản xuất bê tông nhựa nóng để làm đường ô tô trên thế giới và khả năng áp dụng làm mặt đường ô tô ở khu vực phía Nam” [10]: Thành phần hóa học, khoáng vật, các tính chất cơ lý của

xỉ thép ở khu vực phía Nam đáp ứng được các yêu cầu của cốt liệu sản xuất BTN theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011; Hàm lượng kim loại nặng của xỉ thép không vượt ngưỡng cho phép, không gây ô nhiễm môi trường; BTN cốt liệu xỉ thép có các tính chất cơ lý tương đương và tốt hơn BTN cốt liệu đá dăm, thỏa mãn các quy định của các tiêu chuẩn; Trong phạm vi nghiên cứu, cho thấy BTN cốt liệu xỉ thép có cấu trúc bền vững, sự liên kết giữa cốt liệu

xỉ thép và bi tum tốt, tính ổn định cao và khả năng chống biến dạng tốt; các chỉ tiêu về mặt sử dụng của BTN cốt liệu xỉ thép đáp ứng các yêu cầu của BTN làm mặt đường ô tô theo các tiêu chuẩn hiện hành và có một số chỉ tiêu tốt hơn BTN cốt liệu đá dăm; Sử dụng MEPDG có thể phân tích được độ lún, nứt, độ ghồ ghề IRI trong kết cấu mặt đường mềm Kết quả đánh giá tương đối cho thấy, sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt cho khả năng chống nứt, lún, độ bằng phẳng IRI tốt hơn sử dụng BTN cốt liệu đá dăm BTN cốt liệu xỉ thép có thể sử dụng làm các lớp mặt trong kết cấu mặt đường

ô tô;

“Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép thay thế cốt liệu đá dăm của thành phần

bê tôngnhựa trong xây dựng mặt đường ôtô” [12]: Các tính chất hóa học, cơ

lý của xỉ thép thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩnhiện hành; Hỗn hợp BTN cốt liệu xỉ thép có tính ổn định cao hơn BTN cốt liệu tự nhiên (độ bền Marshall cao hơn trung bình khoảng 4 – 5%) do cấu trúc hạt thô ráp, góc cạnh và cứng chắc; khối lượng riêng của BTN cốt liệu xỉ thép tăng khoảng 15 – 20%, làm tăng chiphí vận chuyển Tuy nhiên, giá thành sản phẩm khi sử dụng cốt liệu là xỉ thép có thểkhông tăng do giá thành xỉ thép là không đáng kể; Việc phối trộn giữa xỉ thép và đá dăm trong thành phần cốt liệu thô của hỗnhợp khó thực hiện và không hiệu quả thể hiện ở độ ổn định Marshall của cấp phối phối trộn thấp hơn so với cấp phối chỉ có xỉ thép (100% đá (17.08kN) < 70% đá + 30% xỉ (17.52kN) < 30% đá + 70% xỉ (17.9kN) < 100% xỉ (17.95kN)) Vì vậy, để đảm bảo tínhđồng nhất và thuận lợi trong việc chế tạo, sản xuất nên thay thế hoàn toàn cốt liệu thô bằng xỉ thép là hợp

lý nhất

Các ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng ở khu vực phía Nam: Công ty TNHH Vật Liệu Xanh đã đầu tư nhà máy sản xuất VLXD từ xỉ lò điện hồ quang tại KCN Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Quy trình sản xuất của nhà máy như sau: xỉ thép được thu gom từ các nhà máy luyện thép được đưa vào thiết bị nghiền, sang và tuyển từ; thành phẩm được đưa ra bãi chứa, sử dụng để san lấp và làm móng các công trình xây dựng [8], [9]

1.4 Yêu cầu của mặt đường BTXM

1.4.1 Khái niệm mặt đường BTXM

Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng cấp cao Tầng mặt là tấm BTXM có độ cứng rất lớn, mô hình tính toán là: Tấm trên nền đàn hồi (nền đất và các lớp móng đường) – Trạng thái chịu lực chủ yếu của tấm là chịu kéo khi uốn

Ưu điểm:

- Cường độ cao, thích hợp với mọi loại phương tiện vận tải kể cả xe

xích;

- Cường độ mặt đường hầu như không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi;

- Rất ổn định nước, dưới tác dụng của các yếu tố khí hậu mặt đường

không bị giảm cường độ;

- Hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường cao, hầu như không giảm khi

mặt đường bị ẩm ướt;

- Độ hao mòn không đáng kể, mặt đường sinh bụi rất ít;

- Mặt đường có màu sáng, định hướng xe chạy về ban đêm tốt;

- Tuổi thọ rất cao (30 – 40 năm);

- Có thể cơ giới hoá toàn bộ khâu thi công;

- Công tác duy tu, bảo dưỡng không đáng kể;

- Sử dụng chất liên kết là xi măng nên thi công ít gây ô nhiễm môi

- Thi công tương đối phức tạp, đòi hỏi có các thiết bị chuyên dùng;

- Chi phí xây dựng ban đầu thường rất lớn (2 – 2.5 lần mặt đường mềm);

- Yêu cầu phải có thời gian bảo dưỡng sau khi thi công xong

1.4.2 Các yêu cầu kỹ thuật của BT làm mặt đường BTXM

Theo quy định tạm thời thiết kế mặt đường bê tông xi măng thì cường

độ kéo uốn thiết kế yêu cầu (f r) của tấm BTXM được quy định [3], [4]:

- f r ≥ 5.0 MPa: đối với BTXM mặt đường cao tốc, đường cấp I, cấp II và

các đường có cấp quy mô giao thông nặng, rất nặng, cực nặng

- f r ≥ 4.5 MPa: đối với đường các cấp khác, các đường có quy mô giao

thông cấp trung bình và các đường có quy mô giao thông cấp nhẹ nhưng có

xe nặng với trục đơn >100kN thông qua

- f r ≥ 4.0 MPa: với đường khác có quy mô giao thông cấp nhẹ không có

xe nặng với trục đơn >100kN thông qua

Đối với lớp móng đường bằng bê tông nghèo cho đường cao tốc, đường cấp I, cấp II, cấp III và đường nhiều xe tải nặng nên có cường độ chịu nén tối thiểu yêu cầu là 10MPa ở tuổi mẫu 28 ngày và tối thiểu là 7MPa ở tuổi 7 ngày (dùng để kiểm tra chất lượng thi công) Đồng thời nên có cường

độ kéo uốn yêu cầu tối thiểu là 2.5MPa ở tuổi mẫu 28 ngày [3]

Bảng 1.2: Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ôtô

Cường độ kéo

uốn (MPa) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Cường độ nén

(MPa) 5 7 11 15 20 25 30 36 42 49

Mô đun đàn hồi

(GPa) 10 15 18 21 23 25 27 29 31 33 Theo dự thảo thi công mặt đường cứng quy định các chỉ tiêu cơ lý bê tông xi măng làm mặt đường ô tô phải thỏa mãn như trong bảng sau [4]:

Bảng 1.3: Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô

Các chỉ tiêu

cơ lý

Trị số yêu cầu

Phương pháp thử

Công nghệ ván khuôn trượt (tốc

độ rải từ 0.5-

2.0m/phút

Ván khuôn cố định Công nghệ ván khuôn ray và các công nghệ thi công liên hợp khác

Công nghệ thi công đơn giản

TCVN 3105-

3119: 1993

Từ các yêu cầu trong tiêu chuẩn hiện hành nhận thấy các tính chất của

bê tông xi măng làm mặt đường như: Cường độ chịu kéo uốn, khả năng chịu mài mòn và độ sụt của bê tông được yêu cầu khá chặt chẽ và mang tính đặc thù của bê tông làm đường ô tô Các tính chất này không giống với quy định đối với bê tông sử dụng trong các ngành xây dựng cơ bản khác

1.5 Kết luận chương 1

Việc sử dụng xỉ thép thay thế cốt liệu trong BTXM đã được áp dụng tại một vài quốc gia trên thế giới như: Trung Quốc, Úc… đã cho kết quả tốt Vì vậy việc nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu là hướng đi đúng đắn

và có ý nghĩa thiết thực, góp phần làm phong phú thêm chủng loại vật liệu xây dựng và giải quyết được nguồn vật liệu làm đường ôtô ngày càng khan hiếm, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, khắc phục được vấn đề chôn lấp và đổ đống tại các khu xử lý chất thải tập trung, mang lại lợi ích kinh tế và bảo đảm được các quy định về bảo vệ môi trường Tuy nhiên, cần nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá chất lượng của bê tông xi măng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn Vấn đề này được nghiên cứu ở các chương tiếp theo