Nghiên cứu sử dụng cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay làm móng đường ô tô

1. Giới thiệu

Xỉ thép là sản phẩm được sinh ra trong quá trình tách thép nóng chảy khỏi tạp chất trong lò luyện thép. Xỉ thép đã dược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong nông nghiệp, làm cốt liệu cho bê tông, làm vật liệu xây dựng đường [1]. Một số nghiên sử dụng xỉ thép ở Việt Nam [2-6] và nước ngoài [7-12] đã chứng minh xỉ thép không phải là chất thải rắn nguy hại, có thể dùng xỉ thép tái chế dể thay thế các nguồn vật liệu truyền thống trong xây dựng. Khi không gia cố xi măng, cấp phối xỉ thép chỉ có thể làm lớp móng dưới của đường ô tô [13]. Khi được gia cố với xi măng từ 4 - 10%, các chỉ tiêu về cường độ được cải thiện nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu để làm móng trên của đường ô tô [14]. Để cải thiện cấp phối hạt của xỉ thép, cát mịn hay đá mi được phối trộn với xỉ thép tạo ra cấp phối xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng [15] hay cấp phối xỉ thép - đá mi gia cố xi măng [16]. Hai loại cấp phối này đã khắc phục được nhược điểm của của cấp phối xỉ thép gia cố xi. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng tro bay, là phụ phẩm trong sản xuất công nghiệp tham gia vào cấp phối với vai trò là chất gia cố. Cấp phối xỉ thép gia cố sử dụng chất gia cố là xi măng 4% (so với khối lượng của cấp phối xỉ thép) và tro bay với hàm lượng từ 10 - 30%. Để đánh giá sự phù hợp của cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay trong việc làm lớp móng của đường ô tô, các chỉ tiêu cường độ chịu nén, cường độ kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi ở các ngày tuổi 7, 14, 28 và 56 ngày được khảo sát để so sánh với các yêu cầu về cường độ trong tiêu chuẩn TCVN 8858:2023 [17] và quyết định 2218/QĐ-BGTVT [18].

2. Vật liệu thử nghiệm

2.1. Xi măng

Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý của Xi măng Insee PCB40

Xi măng Insee PCB40, được dùng để làm chất kết dính trong nghiên cứu. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng được xác định bao gồm cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày (xác định theo TCVN 6016:2011), khối lượng riêng và độ mịn blaine của xi măng (xác định theo TCVN 13605:2023), lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết (xác định theo TCVN 6017:2015). Kết quả về chi tiêu cơ lý của xi măng được trình bày ở Bảng 1 thỏa yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8858:2023 [19]

2.2. Nước

Nước dùng trộn cấp phối gia cố là nước sạch đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 4506-2012 [20]

2.3. Xỉ thép

Hình 1. Thành phần hạt của cấp phối xỉ thép.

Xỉ thép tái chế có có các tính chất cơ lý tương đồng như cấp phối đá dăm đã được nghiên cứu ở [13] Tuy nhiên, thành phần hạt của cấp phối xỉ thép trình bày ở Hình 1 cho thấy lượng lọt sàng tích lũy tại các mắt sàng nhỏ hơn 5 mm không đạt yêu cầu theo TCVN 8858:2023 nên cấp phối xỉ thép gia cố xi măng chỉ phù hợp để làm lớp móng dưới của kết cấu áo đường [14]. Để cải thiện cấp phối gia cố, trong nghiên cứu này đã phối trộn thêm tro bay.

2.4. Tro bay
 

Tro bay là một loại sản phẩm phụ được sản sinh từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện [21]. Trữ lượng tro bay hiện rất lớn và đang được xử lý bằng cách chôn lấp. Một số nghiên cứu cho thấy tro bay có thể sử dụng làm phụ gia trong bê tông [22] hoặc sử dụng tro bay nhiệt điện thay thế đất sét sản xuất clinker xi măng [23]. Tro bay cũng được khuyến khích bổ sung cùng với xi măng trong các cấp phối gia cố. Trong nghiên cứu này, hàm lượng tro bay (15÷25)% khối lượng của xi măng được dùng làm chất gia cố của cấp phối xỉ thép. Thành phần hóa học của tro bay trình bày ở Bảng 2 [24].

3. Thiết kế thí nghiệm

Bốn loại cấp cấp phối xỉ thép gia cố CP01, CP02, CP03, CP04 với hàm lượng xi măng là 4% và lượng tro bay lần lượt là 0%, 10%, 20% và 30% so với khối lượng của xi măng được thiết lập để nghiên cứu.

3.1. Xác định độ ẩm hợp lý và khối lượng thể tích khô lớn nhất

Hình 2. Biểu đồ quan hệ giữa khối lượng thể tích và độ ẩm.

Để có thể chế tạo mẫu gia cố, cần xác định độ ẩm hợp lý và khối lượng thế tích lớn nhất theo phương pháp II-D trong TCVN 12790:2020 [25] của các cấp phối CP01, CP02, CP03, CP04. Kết quả được trình bày ở Hình 2.

3.2. Chế tạo mẫu cấp phối xỉ thép gia cố

Cấp phối xỉ thép được trộn với xi măng và tro bay cùng với lượng nước đảm bảo các cấp phối đạt được độ ẩm tốt nhất (Bảng 3), sau đó ủ ẩm trong 2 giờ rồi mới tiến hành chế tạo mẫu.
 

Các mẫu hình trụ có đường kính 152 mm, chiều cao 117 mm được chế tạo để xác định cường độ chịu nén theo TCVN 8858:2023 [17] và cường độ ép chẻ theo TCVN 8862:2011 [26]. Các mẫu hình trụ có đường kính 101.6 mm, chiều cao 117 mm được chế tạo để xác định mô đun đàn hồi theo TCVN 9843:2013 [27]. Các chỉ tiêu thí nghiệm ở trên được khảo sát ở các tuổi ngày 7, 14, 28 và 56 ngày.

4. Kết quả thí nghiệm

4.1. Phân tích cường độ chịu nén R_n

Kết quả về cường độ chịu nén (R_n) ở tuổi 7, 14, 28, 56 ngày được thể hiện ở Bảng 4.
 

Hình 7. Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến R_n.

Hình 7 cho thấy sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và tuổi ngày thí nghiệm đến cường độ chịu nén. Cả hàm lượng tro bay sử dụng và tuổi thí nghiệm đều có những ảnh hưởng nhất định đến cường độ chịu nén của cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay.

Tương tự như cấp phối xỉ thép gia cố xi măng [14] hay cấp phối xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng [15] hay cấp phối xỉ thép đá mi gia cố xi măng [16], cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay có cường độ phát triển theo thời gian. Cường độ phát triển nhanh nhất được ghi nhận ở giai đoạn tuổi từ 7 - 14 ngày sau đó giảm dần; Hàm lượng tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của cấp phối gia cố. Cường độ chịu nén tăng tỷ lệ thuận với lượng tro bay sử dụng. Hình 7a cho thấy cường độ chịu nén của cấp phối CP02 tăng khoảng 13% so với cấp phối không sử dụng tro bay CP01, cấp phối CP03 tăng khoảng 19% so với cấp phối CP01 và cấp phối CP04 tăng khoảng 23% so với cấp phối CP01.

Hình 8. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu nén của cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay.

Biểu đồ tổng hợp cường độ nén R_n theo lượng tro bay và ngày tuổi được minh họa ở Hình 8. Cho thấy cường đô chịu nén ở 14 ngày tuổi của các cấp phối đều lớn hơn 4.0MPa, nghĩa là các cấp phối CP01, CP02, CP03 và CP04 có chỉ tiêu cường độ chịu nén đạt yêu cầu làm lớp móng trên của kết cấu mặt đường có tầng mặt BTN và BTXM của đường cao tốc, đường cấp I, cấp II hoặc lớp mặt có láng nhựa theo quy định của [17].

Cường độ chịu nén của cấp phối gia cố xi măng - tro bay cũng được cải thiện hơn cấp phối xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng với tỷ lệ 4% [14]. So với cấp phối xỉ thép - đá mi gia cố xi măng 4% thì cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi lại nhỏ hơn khoảng 40%.

4.2. Phân tích cường độ chịu ép chẻ R_ech

Kết quả về cường độ chịu kéo khi ép chẻ (R_ech) ở tuổi 7, 14, 28, 56 ngày được thể hiện ở Bảng 5.

Bảng 5. Bảng kết quả thí nghiệm cấp phối xỉ thép gia cố xi măng tro bay

Hình 9. Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến R_ech. 

Sự ảnh hưởng của tuổi ngày thí nghiệm và hàm lượng tro bay đến cường độ chịu kéo khi ép chẻ (R_ech) được trình bày ở Hình 9. R_ech tăng khi tuổi ngày thí nghiệm và hàm lượng tro bay tăng. Sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến R_ech là nhiều hơn so với tuổi ngày thí nghiệm. Hình 9a cho thấy cường độ chịu kéo khi ép chẻ của cấp phối xỉ thép gia cố được cải thiện đáng kể khi sử dụng chất gia cố là xi măng - tro bay. R_ech của CP02, CP03, CP04 tăng lần lượt khoảng 75%, 82% và 83% so với cấp phối không sử dụng tro bay CP01.

Hình 10. Biểu đồ tổng hợp R_ech của câp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay.

Hình 10 cho thấy với cấp phối CP02 có R_ech ở 14 ngày tuổi nhỏ hơn 0.35 MPa nên chỉ có thể làm vật liệu cho lớp móng dưới. Trong khi đó CP03 có R_ech ở 14 ngày tuổi lớn hơn 0.35 MPa và nhỏ hơn 0.45 MPa nên có thể dùng làm vật liệu cho lớp móng trên của đường cấp III và IV. Cấp phối CP04 có R_ech ở 14 ngày tuổi lớn hơn 0.45 MPa nên có thể dùng làm vật liệu cho lớp móng trên của kết cấu áo đường trong mọi trường hợp. Cường độ ép chẻ của cấp phối gia cố CP04 mặc dù không lớn hơn so với cấp phối xỉ thép -cát mịn gia cố xi măng với tỷ lệ 4% [14] và cấp phối xỉ thép - đá mi gia cố xi măng nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về cường độ ép chẻ của cấp phối gia cố theo TCVN 8858:2023 [17].

4.3. Phân tích mô đun đàn hồi E

Kết quả về mô đun đàn hồi (E) ở tuổi 7, 14, 28, 56 ngày được thể hiện ở Bảng 6.
 

Tương tự như chỉ tiêu cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi ép chẻ, mô đun đàn hồi của cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay được phân tích ở Hình 11. Kết quả cho thấy, ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến mô đun đàn hồi lớn hơn so với tuổi ngày thí nghiệm.

Hình 11. Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến mô đun đàn hồi.

Biểu đồ tổng hợp mô đun đàn hồi E theo lượng tro bay và ngày tuổi ở Hình 12 cho thấy khi bổ sung thêm tro bay vào chất gia cố, mô đun đàn hồi ứng của các cấp phối gia cố ở 14 ngày tuổi trở lên đều nằm trong giới hạn 600 - 800 MPa. Riêng mô đàn hổi sau 14 ngày của cấp phối CP03 và mô đun đàn hồi sau 7 ngày của cấp phối CP04 đều lớn hơn 800 MPa, nghĩa là xét về tiêu chí mô đun đàn cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay có thể đáp ứng yêu cầu về mô đun đàn hồi đối với lớp móng trên cho kết cấu mặt đường.

Hình 12. Biểu đồ tổng hợp E của xỉ thép gia cố xi măng - tro bay.

So với cấp phối xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 4% [14], cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay có mô đun đàn hồi được cải thiện khoảng 15 - 35%, và lớn nhất khi hàm lượng tro bay là 30%.

5. Kết luận

Dựa những phân tích ở trên, có thể đưa ra một số kết luận như sau: Cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay có các chỉ tiêu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ mà mô đun độ lớn được cải thiện so với cấp phối xỉ thép gia cố xi măng nhưng kém hơn so với cấp phối xỉ thép cát mịn gia cố xi măng và cấp phối xỉ thép đá mi gia cố xi măng.

Cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay với hàm lượng tro bay từ 10 - 30% có thể dùng làm vật liệu cho lớp móng dưới của đường ô tô tất cả các cáp.

Cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay với hàm lượng tro bay 20% có thể dùng làm vật liệu cho móng trên của đường ô tô cấp III và IV Cấp phối xỉ thép gia cố xi măng - tro bay với hàm lượng tro bay 30% có thể dùng làm vật liệu cho lớp móng trên của đường ô tô tất cả các cấp.

Tài liệu tham khảo

[1]. Wei, L.J., et al. Utilizing steel slag in environmental application-An overview. in IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. IOP Publishing.

[2]. Nguyen, T.-T.-H., et al., Investigation on Compressive Characteristics of Steel-Slag Concrete.2020. 13(8): p. 1928.

[3]. Nguyen, T.-T.-H., et al., Responses of Concrete Using Steel Slag as Coarse Aggregate Replacement under Splitting and Flexure.Sustainability, 2020. 12(12): p. 4913.

[4]. Nguyen, T.T.H., D.H. Phan, and H.H. Mai, Modified compositions of concretes using steel slag coarse aggregate.Jour. Build, 2016. 2&3: p. 63-71.

[5]. Van Tran, M., et al., Properties of high strength concrete using steel slag coarse aggregate. The IES Journal Part A: Civil Structural Engineering, 2009. 2: p. 202-214.

[6]. Tran, A.T., et al., Characterization of carbonated steelmaking slag and its potential application in construction. VN. Jour. Sci.Tech, 2019. 57(3A): p. 61.

[7]. Furlani, E., G. Tonello, and S.J.W.M. Maschio, Recycling of steel slag and glass cullet from energy saving lamps by fast firing production of ceramics.2010. 30(8-9): p. 1714-1719.

[8]. Gurmel S Ghataora, Richard J Freer-Hewish, and James Jessic, The utilisation of recycled aggregates generated from highway arisings and steel slag fines. 2004, Department of Civil Engineering, School of Engineering, The University of Birmingham. p. 2.

[9]. Hunt, L. and G. Boyle, Steel slag in hot mix asphalt concrete. 2000: Oregon Department of TransportationResearch Group.

[10]. Behiry, A.E.A.E.-M., Evaluation of steel slag and crushed limestone mixtures as subbase material in flexible pavement.Ain Shams Engineering Journal, 2013. 4(1): p. 43-53.

[11]. Mladenović, A., Application of steel slag aggregate in road construction, in ARCHES and SPENS Final Seminar. 2009: Slovenian National Building and Civil Engineering Institute.

[12]. Barra, M., E. Ramonich, and M. Munoz. Stabilization of soils with steel slag and cement for application in rural and low traffic roads. in Beneficial Use of Recycled Materials in Transportation ApplicationsUniversity of New Hampshire, Durham. 2001.

[13]. Mai Hong Ha and N.T.T. Hang, Nghiên cứu sử dụng xỉ thép tái chế làm lớp móng đường ô tô. Khoa học công nghệ giao thông vận tải, 2018(27+28).

[14]. Mai Hong Ha, N.T.T. Hang, and P.D. Hung, Nghiên cứu sử dụng xỉ thép tái chế gia cố xi măng làm lớp móng đường ô tô. Khoa học công nghệ giao thông vận tải, 2019(31-32): p. 149-154.

[15]. Hằng, N.T.T., M.H. Hà, and T.V.J.T.c.K.h.C.n.X.d.-Đ. Tiếng, Nghiên cứu sử dụng xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng làm lớp móng đường ô tô.2019. 13(5V): p. 93-101.

[16]. Mai Hong Ha, N.T.T.H., Study on improving the properties of steel slag to apply for pavement foundations.Journal of Transportation Science and Technology, 2018. 30.

[17]. Móng cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng trong kết cấu áo đường ô tô - Thi công và nghiệm thu. 2023: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[18]. Hướng dẫn điều chỉnh, bổ sung một số nội dung kỹ thuật trong công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong kết cấu mặt đường ô tô, in Quyết định số 2218/QĐ-BGTVT. 2018, Bộ Giao thông vận tải: Việt Nam.

[19]. Móng cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng trong kết cấu áo đường ô tô - Thi công và nghiệm thu. 2011: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam. [20]. Nước trộn bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. 2012: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[21]. Arulrajah, A., et al., Strength and microstructure evaluation of recycled glass-fly ash geopolymer as low-carbon masonry units.2016. 114: p. 400-406.

[22]. Plowman, C. and J.J.W.M. Cabrera, The use of fly ash to improve the sulphate resistance of concrete.1996. 16(1-3): p. 145-149.

[23]. Chindaprasirt, P., et al., Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer.2007. 29(3): p. 224-229.

[24]. Tran, T.T. and V.M.H.J.J.o.T.E.S. Pham, Use Recycled Glass As Fine Aggregate in SlagBlended Fly Ash-Based Geopolymer Mortar.2023. 18(4): p. 1-7.

[25]. Đất, đá dăm dùng trong công trình giao thông - Đầm nén Proctor. 2020: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[26]. Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu hạt liên kết bằng các chất kết dính. 2011: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[27]. Xác định mô đun đàn hồi của vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ. 2013: Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
 

ximang.vn (TH/ TC Xây dựng)