Nghiên cứu để tái chế các phụ phẩm của ngành công nghiệp làm vật liệu xây dựng là một xu thế đang được quan tâm, vì hạn chế được sự ảnh hưởng xấu đến môi trường và thay thế hoặc làm phong phú thêm nguồn vật liệu xây dựng truyền thống. Xỉ thép cũng là một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp sản xuất thép bằng công nghệ lò điện hồ quang. Trong bài viết này, nhóm tác giả nghiên cứu, đánh giá các tính chất cơ lý của bê tông xi măng khi cốt liệu lớn là đá dăm được thay thế bằng xỉ thép với hàm lượng thay thế là 25%, 50%, 75% và 100% (BTXT).
>> Nghiên cứu ảnh hưởng của xỉ thép trong bê tông xỉ thép dùng làm mặt đường ô tô (P1)
3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.1. Cường độ chịu nén
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Hình 9 thể hiện sự phụ thuộc của cường độ chịu nén vào hàm lượng xỉ thép và tuổi ngày thí nghiệm. Nhận thấy cả hai yếu tố đều ảnh hương nhiều đến xỉ thép:
- Ảnh hưởng của tuổi ngày thí nghiệm đến cường độ chịu nén: Cường độ phát triển trong giai đoạn từ 3 - 7 ngày tuổi nhanh hơn giai đoạn từ 7 - 28 ngày tuổi thể hiện qua độ dốc của biểu đồ cường độ chịu nén theo tuổi ngày thí nghiệm. Hình 11 cho thấy các cấp phối có sự tham gia của xỉ thép có sự phát triển cường độ ở tuổi sớm 3 và 7 ngày tuổi tốt hơn cấp phối không có sự tham gia của xỉ thép. Sự phát phát triển tỷ lệ thuận với hàm lượng xỉ thép sử dụng. Cụ thể là với cấp phối CP100XP, cường độ ở tuổi 3 ngày và 7 ngày đạt khoảng 77% và 92% so với tuổi 28 ngày; với BTXT75 tỷ lệ này khoảng 66% và 82%; với BTXT50 tỷ lệ này khoảng 63% và 74%; với BTXT25 tỷ lệ này khoảng 62% và 74% và với BTXT0 tỷ lệ này khoảng 62% và 70%.
- Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thép đến cường độ chịu nén: Khi hàm lượng xỉ thép tăng từ 0 - 25%, ?'c giảm, BTXT25 có cường độ chịu nén ở các tuổi đều nhỏ hơn BTXT0 (Hình 10 và 11), khi dùng hàm lượng xỉ thép tăng từ 25 - 100%, thì ?'c cũng tăng. Tuy nhiên khi hàm lượng xỉ thép từ 25 - 50%, cường độ chịu nén vẫn chưa được cải thiện nhiều, xấp xỉ bằng BTXT0. Mức độ tăng nhanh khi hàm lượng xỉ thép từ 75%-100%. Cường độ chịu nén có sự thay đổi đáng kể. Khi dùng 75% xỉ thép thay thế cho cốt liệu truyền thống, BTXT75 có cường độ chịu nén tăng khoảng 4.2% và 5.9% so với BTXT50 và BTXT0. BTXT100 với hàm lượng xỉ thép thay thế là 100% có cường độ được cải thiện tốt nhất, tăng khoảng 2.4% so với BTXT75, 6.8% so với BTXT50 và 8.5% so với BTXT0.
Khi so sánh với bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô trong nghiên cứu [16] của tác giả Trần Trung Hiếu nhận thấy BTXT75 có cường độ nén tương đương với mẫu bê tông sử dụng 33% tro bay, trong khi đó BTXT100 có cường độ nén lớn hơn tất cả các mẫu bê tông xi măng sử dụng tro bay trong nghiên cứu này.
3.2. Cường độ chịu kéo khi uốn
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn ?cr của các cấp phối BTXT ở tuổi 3, 7 và 28 ngày được trình bày trong Bảng 11.
![]()
![]()
![]()
Hình 13 cho thấy BTXT ở tuổi 28 ngày có độ bền uốn lớn hơn ở tuổi 3 và 7 ngày. Sự gia tăng này hoàn toàn phù hợp với sự gia tăng của cường độ nén (?'c) ở Hình 11. Theo TCCS 40:2022/TCĐBVN [9], để có thể ứng dụng làm mặt đường bê tông xi măng thì ?cr ở tuổi 28 ngày phải không được nhỏ hơn 5MPa đối với đường cao tốc, cấp I, cấp III, và không được nhỏ hơn 4,5MPa đối với đường cấp III trở xuống. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu kéo khi uốn theo hàm lượng xỉ thép và tuổi ngày thí nghiệm ở Hình 14 cho thấy 4.5 MPa < ?crBTXT25 < %MPa và ?cr'BTXT50, BTXT75, BTXT100 > 5 MPa. Nghĩa là, BTXT25 thỏa mãn yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn đối với các mặt đường BTXM của đường cấp III trở xuống và BTXT50, BTXT75, BTXT100 BTXT25 thỏa mãn yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn đối với các mặt đường BTXM của đường cao tốc, cấp I, cấp III.
3.3. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ
![]()
![]()
![]()
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ ?SPL của các cấp phối BTXT ở tuổi 3, 7 và 28 ngày được trình bày trong Bảng 12, Hình 15 và 16. Tương tự như cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn, ?SPLBTXT25 < ?SPLBTXT0 < ?SPLBTXT50 < ?SPLBTXT75 < ?SPLBTXT100
3.4. Độ mài mòn của bê tông
![]()
![]()
![]()
Độ mài mòn của BTXT được khảo sát ở hai trạng thái của mẫu: khô và bão hòa. Độ mài mòn của mẫu khô ?nk và độ mài mòn của mẫu bão hòa ?nbh được trình bày ở Bảng 13. Kết quả cho thấy khi làm việc ở trạng bão hòa bê tông chịu mài mòn kém hơn ở trạng thái khô. Tỷ số ?nbh/?nk dao động trong khoảng 1.50 - 1.65. Độ mài mòn cũng phụ thuộc nhiều vào hàm lượng xỉ thép sử dụng thể hiện ở Hình 17 và 18. BTXT0 với lượng dùng xỉ thép là 0% có độ mài mòn nhỏ nhất nghĩa bê tông thường chịu mài mòn tốt hơn BTXT. Với BTXT có hàm lượng xỉ thép thay đổi từ 25 - 100%, độ mài mòn có xu hướng giảm dần, tỷ lệ nghịch với sự tăng cường độ chịu nén.
Hình 18 cho thấy, tất cả các cấp phối bê tông nghiên cứu có độ mài mòn lớn hơn 0,3g/cm² và nhỏ hơn 0,6g/cm², nghĩa là các cấp phối này không phù hợp để làm mặt đường BTXM cho đường cao tốc, đường cấp I, cấp II nhưng có thể dùng cho đường cấp III trở lên theo TCCS 40:2022/TCĐBVN [9].
4. Kết luận
Dựa vào các kết quả thực nghiệm được phân tích ở trên có thể đưa ra một số kết luận như sau:
₋ Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu kéo khi ép chẻ có giá trị tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng xỉ thép sử dụng. Đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng hàm lượng xỉ thép là 100% và đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng hàm lượng xỉ thép là 25%.
₋ Khi ở trạng thái bão hòa nước, khả năng chống mài mòn của bê tông giảm. Tỷ lệ giữa độ mài mòn của mẫu ở trạng thái bão hòa và khô dao động từ 1.50 - 1.64.
₋ Bê tông thường chịu mài mòn tốt hơn bê tông xỉ thép.
₋ Với BTXT, độ mài mòn tỷ lệ nghịch với hàm lượng xỉ thép sử dụng và giá trị cường độ chịu nén.
₋ BTXT đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật theo TCCS 40:2022/TCĐBVN để làm mặt đường ô tô cấp III trở xuống . Trong đó BTXT100, với tỷ lệ xỉ thép thay thế 100% là tối ưu nhất.
(Hết)
Tài liệu tham khảo
[1] Freer-Hewish. Richard Ghataora. Gurmel, Jessic. James "The utilisation of recycled aggregates generated from highway arisings and steel slag fines," p. 2004.
[2] K. P. Verian, N. M. Whiting, J. Olek, J. Jain, and M. B. Snyder. "Using Recycled Concrete as Aggregate in Concrete Pavements to Reduce Materials Cost.," Publication FHWA/IN/JTRP-2013/18., vol. Transportation Research Program, Indiana Department of Transportation and Purdue University, West Lafayette, Indiana, 2013. doi: 10.5703/1288284315220, p. 2013.
[3] Ahmed Tahwia, Ahmed Abd El Raheem et al. "Use of Steel Slag in EcoFrienfly Rigid Pavement," Bulletin of the Faculty of Engineering. Mansoura University, vol. 45, p. 10-15, 2020.
[4] Carmenlucia Santos Giordano Penteado, Beatriz Leão Evangelista et al. "Use of electric arc furnace slag for producing concrete paving blocks," Ambiente Construído, vol. 19, p. 21-32, 2019.
[5] Ioanna Papayianni, Eleftherios Anastasiou et al. "Steel slag concrete for pavement construction". in Proceedings of the 3nd International Balkans Conference On Challenges Of Civil Engineering, Epoka University, Tirana, Albania, 2016, p.
[6] Sử dụng xỉ gang, xỉ thép của thế giới - Bài học kinh nghiệm về bảo vệ môi trường cho ngành thép Việt Nam (2019). https://congnghiepxanh.wordpress.com/2019/10/08/su-dung-xi-gang-xi-thep-cuathe-gioi-bai-hoc-kinh-nghiem-ve-bao-ve-moi-truong-cho-nganh-thep-viet-nam/.
[7] Chanh Van Nguyen Mien Tran Van, Toyoharu Nawa, Boonchai Stitmannaithum. "Properties of high strength concrete using steel slag coarse aggregate," Proceedings of the 6th ACEC and the 6th AEEC 21 - 22. November 2013, Bangkok, Thailand, p. 2014.
[8] Mai Hồng Hà. "Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu Trong xây dựng đường Ôtô.," p. 2019.
[9] TCCS 40:2022/TCĐBVN. Thi công và nghiệm thu mật đường bê tòng xi măng trong xây dựng cõng trình giao thòng, Tổng Cục đường bộ Việt Nam, Bộ Giao thông vận tải, 2022.
[10] TCVN 10306:2014. Bê tông cường độ cao - Thiết kế thành phần mẫu hình trụ, Bộ Khoa học và Công nghệ, 2014.
[11] TCVN 3105 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Hỗn hợp bê tông và bê tông - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[12] TCVN 3118 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu nén, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[13] TCVN 3119 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi uốn, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[14] TCVN 3120 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[15] TCVN 3114 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định độ mài mòn, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[16] Trần Trung Hiếu, "Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam". Trường Đại học học Giao thông vận tải Cơ sở II, 2017.
3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.1. Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén (?'c) của các mẫu BTXT0, BTXT25, BTXT50, BTXT75, BTXT100 được khảo sát ở tuổi 3, 7, 28 ngày. Kết quả được tổng hợp ở Bảng 10 và Hình 9 - 12.
Hình 9 thể hiện sự phụ thuộc của cường độ chịu nén vào hàm lượng xỉ thép và tuổi ngày thí nghiệm. Nhận thấy cả hai yếu tố đều ảnh hương nhiều đến xỉ thép:
- Ảnh hưởng của tuổi ngày thí nghiệm đến cường độ chịu nén: Cường độ phát triển trong giai đoạn từ 3 - 7 ngày tuổi nhanh hơn giai đoạn từ 7 - 28 ngày tuổi thể hiện qua độ dốc của biểu đồ cường độ chịu nén theo tuổi ngày thí nghiệm. Hình 11 cho thấy các cấp phối có sự tham gia của xỉ thép có sự phát triển cường độ ở tuổi sớm 3 và 7 ngày tuổi tốt hơn cấp phối không có sự tham gia của xỉ thép. Sự phát phát triển tỷ lệ thuận với hàm lượng xỉ thép sử dụng. Cụ thể là với cấp phối CP100XP, cường độ ở tuổi 3 ngày và 7 ngày đạt khoảng 77% và 92% so với tuổi 28 ngày; với BTXT75 tỷ lệ này khoảng 66% và 82%; với BTXT50 tỷ lệ này khoảng 63% và 74%; với BTXT25 tỷ lệ này khoảng 62% và 74% và với BTXT0 tỷ lệ này khoảng 62% và 70%.
- Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thép đến cường độ chịu nén: Khi hàm lượng xỉ thép tăng từ 0 - 25%, ?'c giảm, BTXT25 có cường độ chịu nén ở các tuổi đều nhỏ hơn BTXT0 (Hình 10 và 11), khi dùng hàm lượng xỉ thép tăng từ 25 - 100%, thì ?'c cũng tăng. Tuy nhiên khi hàm lượng xỉ thép từ 25 - 50%, cường độ chịu nén vẫn chưa được cải thiện nhiều, xấp xỉ bằng BTXT0. Mức độ tăng nhanh khi hàm lượng xỉ thép từ 75%-100%. Cường độ chịu nén có sự thay đổi đáng kể. Khi dùng 75% xỉ thép thay thế cho cốt liệu truyền thống, BTXT75 có cường độ chịu nén tăng khoảng 4.2% và 5.9% so với BTXT50 và BTXT0. BTXT100 với hàm lượng xỉ thép thay thế là 100% có cường độ được cải thiện tốt nhất, tăng khoảng 2.4% so với BTXT75, 6.8% so với BTXT50 và 8.5% so với BTXT0.
Khi so sánh với bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô trong nghiên cứu [16] của tác giả Trần Trung Hiếu nhận thấy BTXT75 có cường độ nén tương đương với mẫu bê tông sử dụng 33% tro bay, trong khi đó BTXT100 có cường độ nén lớn hơn tất cả các mẫu bê tông xi măng sử dụng tro bay trong nghiên cứu này.
3.2. Cường độ chịu kéo khi uốn
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn ?cr của các cấp phối BTXT ở tuổi 3, 7 và 28 ngày được trình bày trong Bảng 11.
Hình 13 cho thấy BTXT ở tuổi 28 ngày có độ bền uốn lớn hơn ở tuổi 3 và 7 ngày. Sự gia tăng này hoàn toàn phù hợp với sự gia tăng của cường độ nén (?'c) ở Hình 11. Theo TCCS 40:2022/TCĐBVN [9], để có thể ứng dụng làm mặt đường bê tông xi măng thì ?cr ở tuổi 28 ngày phải không được nhỏ hơn 5MPa đối với đường cao tốc, cấp I, cấp III, và không được nhỏ hơn 4,5MPa đối với đường cấp III trở xuống. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu kéo khi uốn theo hàm lượng xỉ thép và tuổi ngày thí nghiệm ở Hình 14 cho thấy 4.5 MPa < ?crBTXT25 < %MPa và ?cr'BTXT50, BTXT75, BTXT100 > 5 MPa. Nghĩa là, BTXT25 thỏa mãn yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn đối với các mặt đường BTXM của đường cấp III trở xuống và BTXT50, BTXT75, BTXT100 BTXT25 thỏa mãn yêu cầu về cường độ chịu kéo khi uốn đối với các mặt đường BTXM của đường cao tốc, cấp I, cấp III.
3.3. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ ?SPL của các cấp phối BTXT ở tuổi 3, 7 và 28 ngày được trình bày trong Bảng 12, Hình 15 và 16. Tương tự như cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn, ?SPLBTXT25 < ?SPLBTXT0 < ?SPLBTXT50 < ?SPLBTXT75 < ?SPLBTXT100
3.4. Độ mài mòn của bê tông
Độ mài mòn của BTXT được khảo sát ở hai trạng thái của mẫu: khô và bão hòa. Độ mài mòn của mẫu khô ?nk và độ mài mòn của mẫu bão hòa ?nbh được trình bày ở Bảng 13. Kết quả cho thấy khi làm việc ở trạng bão hòa bê tông chịu mài mòn kém hơn ở trạng thái khô. Tỷ số ?nbh/?nk dao động trong khoảng 1.50 - 1.65. Độ mài mòn cũng phụ thuộc nhiều vào hàm lượng xỉ thép sử dụng thể hiện ở Hình 17 và 18. BTXT0 với lượng dùng xỉ thép là 0% có độ mài mòn nhỏ nhất nghĩa bê tông thường chịu mài mòn tốt hơn BTXT. Với BTXT có hàm lượng xỉ thép thay đổi từ 25 - 100%, độ mài mòn có xu hướng giảm dần, tỷ lệ nghịch với sự tăng cường độ chịu nén.
Hình 18 cho thấy, tất cả các cấp phối bê tông nghiên cứu có độ mài mòn lớn hơn 0,3g/cm² và nhỏ hơn 0,6g/cm², nghĩa là các cấp phối này không phù hợp để làm mặt đường BTXM cho đường cao tốc, đường cấp I, cấp II nhưng có thể dùng cho đường cấp III trở lên theo TCCS 40:2022/TCĐBVN [9].
4. Kết luận
Dựa vào các kết quả thực nghiệm được phân tích ở trên có thể đưa ra một số kết luận như sau:
₋ Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu kéo khi ép chẻ có giá trị tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng xỉ thép sử dụng. Đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng hàm lượng xỉ thép là 100% và đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng hàm lượng xỉ thép là 25%.
₋ Khi ở trạng thái bão hòa nước, khả năng chống mài mòn của bê tông giảm. Tỷ lệ giữa độ mài mòn của mẫu ở trạng thái bão hòa và khô dao động từ 1.50 - 1.64.
₋ Bê tông thường chịu mài mòn tốt hơn bê tông xỉ thép.
₋ Với BTXT, độ mài mòn tỷ lệ nghịch với hàm lượng xỉ thép sử dụng và giá trị cường độ chịu nén.
₋ BTXT đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật theo TCCS 40:2022/TCĐBVN để làm mặt đường ô tô cấp III trở xuống . Trong đó BTXT100, với tỷ lệ xỉ thép thay thế 100% là tối ưu nhất.
(Hết)
Tài liệu tham khảo
[1] Freer-Hewish. Richard Ghataora. Gurmel, Jessic. James "The utilisation of recycled aggregates generated from highway arisings and steel slag fines," p. 2004.
[2] K. P. Verian, N. M. Whiting, J. Olek, J. Jain, and M. B. Snyder. "Using Recycled Concrete as Aggregate in Concrete Pavements to Reduce Materials Cost.," Publication FHWA/IN/JTRP-2013/18., vol. Transportation Research Program, Indiana Department of Transportation and Purdue University, West Lafayette, Indiana, 2013. doi: 10.5703/1288284315220, p. 2013.
[3] Ahmed Tahwia, Ahmed Abd El Raheem et al. "Use of Steel Slag in EcoFrienfly Rigid Pavement," Bulletin of the Faculty of Engineering. Mansoura University, vol. 45, p. 10-15, 2020.
[4] Carmenlucia Santos Giordano Penteado, Beatriz Leão Evangelista et al. "Use of electric arc furnace slag for producing concrete paving blocks," Ambiente Construído, vol. 19, p. 21-32, 2019.
[5] Ioanna Papayianni, Eleftherios Anastasiou et al. "Steel slag concrete for pavement construction". in Proceedings of the 3nd International Balkans Conference On Challenges Of Civil Engineering, Epoka University, Tirana, Albania, 2016, p.
[6] Sử dụng xỉ gang, xỉ thép của thế giới - Bài học kinh nghiệm về bảo vệ môi trường cho ngành thép Việt Nam (2019). https://congnghiepxanh.wordpress.com/2019/10/08/su-dung-xi-gang-xi-thep-cuathe-gioi-bai-hoc-kinh-nghiem-ve-bao-ve-moi-truong-cho-nganh-thep-viet-nam/.
[7] Chanh Van Nguyen Mien Tran Van, Toyoharu Nawa, Boonchai Stitmannaithum. "Properties of high strength concrete using steel slag coarse aggregate," Proceedings of the 6th ACEC and the 6th AEEC 21 - 22. November 2013, Bangkok, Thailand, p. 2014.
[8] Mai Hồng Hà. "Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu Trong xây dựng đường Ôtô.," p. 2019.
[9] TCCS 40:2022/TCĐBVN. Thi công và nghiệm thu mật đường bê tòng xi măng trong xây dựng cõng trình giao thòng, Tổng Cục đường bộ Việt Nam, Bộ Giao thông vận tải, 2022.
[10] TCVN 10306:2014. Bê tông cường độ cao - Thiết kế thành phần mẫu hình trụ, Bộ Khoa học và Công nghệ, 2014.
[11] TCVN 3105 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Hỗn hợp bê tông và bê tông - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[12] TCVN 3118 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu nén, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[13] TCVN 3119 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi uốn, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[14] TCVN 3120 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[15] TCVN 3114 : 2022. Tiêu chuẩn quốc gia. Bê tông - Phương pháp xác định độ mài mòn, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, 2022.
[16] Trần Trung Hiếu, "Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam". Trường Đại học học Giao thông vận tải Cơ sở II, 2017.
ximang.vn (TH/ TCXD)
