CÔNG NGHỆ BÊ TÔNG XỈ THÉP _ XỈ THÉP và ỨNG DỤNG CỦA XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG

Xỉ thép được tạo ra từ quá trình sản xuất thép. Tùy thuộc vào lò luyện thép mà xỉ thép được chia thành hai loại: xỉ lò thổi (Basic Oxygen Furnace slag, viết tắt là xỉ BOF) hay còn gọi là lò chuyển – converter) và xỉ lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace slag, viết tắt là xỉ EAF).

TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ VẬT LIỆU MỚI

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ BÊ TÔNG XỈ

THÉP

MỤC LỤC

I-Lời nói đầu 1

II-Tổng quan về xỉ thép 5

II.1 Phân loại và quy trình sản xuất xỉ thép 9

II.2 Tính chất cơ học của xỉ thép 13

II.3 Thành phần hóa học 14

III.Ứng dụng của bê tông xỉ thép 15

III.1 Thay thế cốt liệu cho bê tông xi măng 16

III.2 Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng giao thông và công trình thủy lợi 17

III.3 Các ứng dụng khác của xỉ thép 18

IV- Ưu nhược điểm của bê tông xỉ thép so với bê tông xi măng 19

V- Các vấn đề về môi trường và sức khỏe con người 21

VI-Kết luận 22

I-LỜI NÓI ĐẦU:

dựng ngày càng nhiều với qui mô ngày càng lớn Điều đó dẫn đến nhu cần về vật liệu xây dựng ngày càng tăng cao.Nhưng nguồn vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (như cát, đá,…) đang ngày một khan hiếm dần Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu có nhiều tính chất cơ lý tương tự để dùng làm vật liệu thay thế dùng cho các công trình xây dựng là một vấn đề cần sớm được giải quyết.Xỉ thép là chất thải được sinh ra trong quá trình luyện thép từ các tạp chất khi đưa vào lò luyện như: Các chất lẫn trong nguyên, nhiên vật liệu (đất, cát ) của quặng sắt; nguyên liệu kim loại bị oxi hóa tạo thành các oxít; tường lò bị ăn mòn trong điều kiện nhiệt độ cao và tro của nhiên liệu đốt lò

Thành phần hóa học của xỉ thép bao gồm

nhiều loại oxít khác nhau như: CaO,

MgO, MnO, FeO, Nio, SiO2, P2O5

Ngoài ra còn có các hợp chất khác như:

CaS, FeS, CaS2

Xỉ thép đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng ở nhiều nước trên thế giới Tỷ lệ tái chế sử dụng xỉ thép đạt gần 100% ở một số nước phát triển Tuy nhiên, ở Việt Nam, xỉ thép vẫn được xem là chất thải rắn cần xử lý, chôn

và chiếm dụng diện tích đất nhất định cho việc xử lý xỉ thép Tái chế sử dụng xỉ thép không những mang lại lợi ích về môi trường, kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Mục đích của chuyên đề là nghiên cứu thay thế xỉ thép cho cốt liệu trong bêtông xi măng để xem xét so sánh cường độ của bê tông xỉ thép và bê tông xi măng Thông qua đó, so sánh cường độ của bê tông xỉ thép với chỉ tiêu cường độ của bê tông xi măng hiện tại Nó sẽ là cơ sở vững chắc, góp phần giúp cho việc nghiên cứu ứng dụng xỉ thép thay thế cho các vật liệu khác dùng trong các công trình xây dựng

II TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP:

II.1 Phân loại và quy trình sản xuất xỉ thép:

Xỉ thép được tạo ra từ quá trình sản xuất thép Tùy thuộc vào lò luyện thép mà xỉ thép được chia thành hai loại: xỉ lò thổi (Basic Oxygen Furnace slag, viết tắt là xỉ BOF) hay còn gọi là lò chuyển – converter) và xỉ lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace slag, viết tắt là xỉ EAF)

a Xỉ lò thổi (xỉ BOF):

Xỉ lò thổi được tạo ra trong quá trình tinh luyện thép trong lò thổi Gang tạo ra từ lò cao, có tính cứng và dòn do chứa (4-5) % các tạp chất như C, Si, Mn, P Để gangchuyển thành thép khắc phục các nhược điểm của gang, các chất phụ gia như vôi sống được cho vào gang lỏng, đồng thời một lượng oxy được thổi vào để oxy hóa các chất không cần thiết như cacbon (C) trong gang lỏng Sau đó, gang lỏng đã oxyhóa và các phụ gia sẽ tạo ra xỉ Do khác nhau về dung trọng với thép lỏng, xỉ lỏng

sẽ nổi lên phía trên và được tháo ra khỏi lò để tạo thành xỉ lò thổi sau khi được làmnguội Xỉ lò thổi được làm nguội chậm bằng không khí tự nhiên, hoặc phun nước tại bãi chứa Lượng xỉ BOF phát thải khoảng 100-150 kg trên một tấn thép Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ thép BOF thể hiện trong hình:

b Xỉ lò hồ quang điện (xỉ EAF):

Khác với lò thổi khí, lò hồ quang điện sử dụng điện cực để làm tăng nhiệt độ nhằmnung chảy và tinh luyện nguyên liệu (thép phế, gang cục) Trong lò hồ quang điện diễn ra quá trình oxy hóa và khử Xỉ oxy hóa và xỉ hoàn nguyên (quá trình khử) được tạo ra từ mỗi giai đoạn của quá trình luyện thép

 Xỉ oxy hóa: Khí oxy được thổi vào thép lỏng để làm tăng phản ứng oxy hóa với cacbon trong thép, tạo ra bọt khí CO, khi đó xỉ oxy hóa được tạo ra nhờ quá trình này.

 Xỉ hoàn nguyên: Sau khi xỉ oxy hóa được tạo ra do quá trình oxy hóa các thành phần tạp chất trong thép lỏng, các chất khử (là các hợp kim của sắt) vàvôi được cho vào để loại bỏ oxy và một số oxyt phi kim, lưu huỳnh (S) còn trong thép lỏng và tạo ra xỉ hoàn nguyên

Để sản xuất một tấn thép thông thường thải ra khoảng (70-100) kg xỉ oxy hóa và khoảng (30-50) kg xỉ hoàn nguyên Sơ đồng công nghệ quá trình tạo ra xỉ oxy hóa

và xỉ hoàn nguyên thể hiện trong hình:

II.2 Tính chất cơ học của xỉ thép:

Xỉ thép có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, đượcc so sánh tương tự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên

Xỉ thép có những ưu điểm sau:

- Nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên;

- Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt;

- Độ bền cao và chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu.

- Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của ximăng

- Thay thế các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nhằm hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng

Bảng so sánh sự phát triển cường độ tuổi của một số loại xi măng

II.3 Thành phần hóa học:

Các số liệu cho thấy, xỉ thép chứa một tỷ lệ lớn các oxít như CaO, MgO, Al2O3, SiO2 và Fe2O3 Đặt biệt, lượng oxít sắt 3 có trong xỉ ở Việt Nam và Úc là khá cao Nhìn chung, thành phần xỉ thép tại các nước là khá giống nhau Ngoài ra, các tạp chất có thể gây nguy hiểm đến môi trường và con người như lưu huỳnh là khá nhỏ,tất cả các mẫu cho thấy hợp chất có lưu huỳnh luôn ở mức dưới 0,1% Như vậy về mặt hóa học, xỉ thép ở Việt Nam hoàn toàn có thể được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng như ở các nước khác mà vẫn đảm bảo an toàn về môi trường

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

III.ỨNG DỤNG CỦA XỈ THÉP VÀ BÊ TÔNG XỈ THÉP

1-Ứng dụng của xỉ thép:

- Xỉ thép nếu đã qua quá trình xử lý, tái chế, sẽ cho ra các sản phẩm thay thế cho các vật liệu tự nhiên để làm đường bê tông asphalt, làm vật liệu trải đường hoặc làm móng các công trình giao thông;

- Làm cốt liệu cho đổ bê tông làm nền nhà xưởng, kho bãi;

- Xỉ thép thay thế cho đá để chống sạt lở các công trình đê, kè biển;

Xử lý nước mưa nhiễm bẩn hoặc lọc nước thải có chứa nhiều chất bẩn và kim loại nặng.

- Ngoài ra, do hàm lượng đá vôi có nhiều trong xỉ thép và chứa một số khoáng

chất đặc biệt nên nó còn có thể dùng làm phân bón, cải tạo đất hoặc phục hồi

hệ sinh thái đáy biển, đáy sông bị tàn phá do các hoạt động nạo vét luồng tàu

để làm cảng biển, cảng sông,…

thép được xem như là một sản phẩm có ích, thân thiện với môi trường,

không phải là chất thải cần phải loại bỏ hoặc đem chôn lấp

2.Ứng dụng của xỉ thép thay thế cốt liêu bê tông

a 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 xỉthép 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 3.1: Bê tông cốt liệu xỉ thép

 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

3.2 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

Sân vận động colonial Melboune

3.2.1 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.Xỉ thép có khả năng mất ổn định dưới tác động của nước cao do trương nở Tuy nhiên, mô-đun 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;

 Nếu

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

3.2.2 Xỉ thép cho bê tông nhựa

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 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 hỗnhợp 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

Bê tông nhựa làm từ xỉ thé

IV- SO SÁNH BÊ TÔNG XỈ THÉP VÀ BÊ TÔNG XI MĂNG

BÊ TÔNG XỈ

THÉP

*Tỷ lệ tái chế sử dụng xỉ thép đạt gần 100%

ở một số nước phát triển

* Xỉ thép hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu để

có thể được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng mà không gây ra các tác động xấu đối với môi trường

*Xỉ thép nên được sử dụng như một loại vật liệu địa phương nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, vì khi vận chuyển xỉ thép đi quá xa, giá thành có thể cao hơn dùng vật liệu đá tự nhiên

*xỉ thép có độ cứng, độ ma sát và khả năng chống mài mòn cao, còn chỉ số bong tróc thấp hơn nhiều so với đá

*vẫn đang trong giai đoạn kiểm tra và còn quá sớm để đưa ra các kết luận chắc chắn.

*vì khi vận chuyển xỉ thép đi quá xa, giá thành có thể cao hơn dùng vật liệu đá tự nhiên

* xỉ thép nếu không có giải pháp quản lý hữu hiệu, sẽ gây

ra ảnh hưởng xấu đến môi trường, do bụi của xỉ thép từ các bãi chứa và làm mất cảnh quan do việc lưu chứa xỉ thải bị quá tải

* Vững chắc, tính ổn định cao.

* Khả năng tạo khuôn tốt.

* Tiết kiệm thép hơn so với kết cấu thép.

* Cường độ chịu lực thấp, tính dẻo không cao.

* Độ bền kéo của bê tông thấp và dễ bị nứt.

* Xây dựng bị ảnh hưởng bởi thời tiết.

* Rất khó để củng cố

và sửa chữa.

V- CÁC VẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG VÀ SỨC KHỎE CON NGƯỜI:

Như chúng ta đã biết, xỉ thép nếu không có giải pháp quản lý hữu hiệu, sẽ gây ra ảnh hưởng xấu đến môi trường, do bụi của xỉ thép từ các bãi chứa và làm mất cảnhquan do việc lưu chứa xỉ thải bị quá tải Việc nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép vào thực tế sẽ giải quyết được các vấn đề nêu trên

Mặc dù Quyết định số 23/2006/QĐ-BTNMT ngày 26/12/2006 của Bộ Tài nguyên

và Môi trường về việc ban hành danh mục chất thải nguy hại quy định xỉ thép không phải là chất thải nguy hại Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là các thành phần có trong xỉ thép có gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người hay không khi xỉ thép được ứng dụng vào các công trình trong một thời gian dài

Tại Mỹ, các kết quả nghiên cứu của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA), Hiệp hội xỉthép châu Âu (Euroslag) chứng minh xỉ thép hoàn toàn không có mối đe dọa cho sức khỏe con người và môi trường Theo kết quả nghiên cứu này, dựa trên việc phân tích quá trình rò rỉ và tiếp xúc với môi trường của các chất có trong xỉ thép ra môi trường, các phân tích dựa trên liều lượng các chất, thời gian tiếp xúc và độc tính của từng chất cho thấy xỉ thép an toàn cho việc sử dụng ở nhiều mục đích khácnhau và không có mối nguy hiểm đáng kể nào tới sức khỏe con người và môi trường Các vấn đề chính bao gồm:

Nguy cơ gây ung thư liên quan đến các chất có trong xỉ thép được loại trừ khi xỉ thép tiếp xúc với con người trong các khu dân cư, với nông dân, hay các công nhântrong ngành xây dựng công nghiệp

Kim loại trong xỉ thép sẽ rất khó bị rò rỉ một lượng đủ lớn vào nguồn nước ngầm, nước mặt mà chỉ có một lượng rất nhỏ hoặc không đáng kể

Xỉ thép tác động không đáng kể tới động thực vật trên cạn tại ngay khu vực sử dụng, kể cả các khu vực lân cận Kim loại trong xỉ thép không tích lũy trong chuỗi

Xỉ thép có thể được áp dụng một cách an toàn trong môi trường nước như: sông,

hồ, suối mà không ảnh hưởng đến chất lượng nước, đời sống thủy sinh

Xỉ thép phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ 1600OC Ở nhiệt độ này, hầu hết các kim loại nặng nếu có trong thép phế (dùng làm nguyên liệu cho quá trình luyện phôi) đều thăng hoa (Zn, Mg, Pb, Hg,…) cuốn theo khí thải Các chất hữu cơ, các chất dễ bay hơi hoàn toàn không có mặt trong lò xỉ vì ở nhiệt độ > 1200OC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn

Theo kết quả nghiên cứu của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA), sử dụng phương pháp ngâm chiết để phân tích hàm lượng kim loại nặng có trong xỉ thép của các nhà máy thép tại Mỹ cho thấy các kim loại nặng đều nằm dưới ngưỡng cho phép

về mực độ độc hại, thậm chí có nhiều kim loại nặng có trong xỉ thép còn tương đương với hàm lượng kim loại nặng có trong nước uống theo tiêu chuẩn của EPA

Bảng 3.8 trích dẫn nghiên cứu của Paul Ziemkiewwicz (2010) về các kim loại nặng trong xỉ thép.

Thông

Tại Việt Nam, công ty TNHH Vật liệu Xanh đã lấy các mẫu xỉ thép của các Nhà máy thép Thép Việt, Nhà máy thép Phú Mỹ gửi các Viện và Phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn Quốc Gia (VILAS) để phân tích, xác định thành phần nguy hại có trong xỉ thép Kết quả phân tích các chất nguy hại có trong xỉ thép theo phương pháp phân tích EPA 1311 (phương pháp phân tích theo cục bảo vệ môi trường Mỹ) do viện công nghệ hoá học thực hiện tháng 06/2011 được qui định tại QCVN

07:2009/BTNMT- Ngưỡng chất thải nguy hại được thể hiện tại bảng dưới đây:

Bảng 3.9 Kết quả phân tích thành phần nguy hại của xỉ thép (tháng 6/2011)

Chỉ tiêu

Ngưỡng nguy hại theo QCVN 07:2009/BTNM T(mức ngâm chiết mg/l)

Giới hạn phát hiện

Kết quả phân tích đối chiếu với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN

07:2009/BTNMT – ngưỡng chất thải nguy hại cho thấy hầu hết các thành phần nguy hại vô cơ đều không phát hiện Có các chỉ tiêu phát hiện có trong thành phần xỉ là Ba, Cr6+, Sb, Se, As, Zn, Co, Fluoride đều nằm dưới ngưỡng cho phép nhiều lần Với những số liệu như vậy, chúng ta có thể yên tâm về vấn đề ảnh hưởng đến môi trưỡng cũng như sức khỏe con người mà các thành phần trong xỉ thép gây ra

Có thể nói xỉ thép là một vật liệu thân thiện với môi trường

VI-KẾT LUẬN:

1: Ưu điểm của BTXT:

- Xỉ thép thay thế cốt liệu đá trong hỗn hợp bê tông cường độ thấp

- Kết quả chịu nén BTXT đáp ứng được yêu cầu bê tông làm mặt đường ô tô;

- Sử dụng xỉ thép thay thế tận dụng được vật liệu phế thải, tránh gây ảnh hưởng tới môi trường

- Có thể ứng dụng BTXT vào các công trình cần bê tông nặng

2: Hạn chế của BTXT ở Việt Nam:

- Vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về các tính chất cơ lí khác của BTXT Như các nghiên cứu về cường độ chịu kéo, chịu uốn

- Chưa có nghiên cứu về BTXT theo thời gian (Sự thay đổi cường độ, tác động của môi trường…)

- Chưa có nhiều ứng dụng thực tế của BTXT vào các công trình xây dựng

- Chưa có tiêu chuẩn hay chỉ tiêu riêng cho loại vật liệu này