Xỉ thép là sản phẩm phụ, được tạo ra trong quá trình luyện thép. Theo thống kê của Sở TN&MT (2017), tại Bà Rịa Vũng Tàu có 6 nhà máy thép đang hoạt động với tổng công suất 4,5 triệu tấn/năm và lượng xỉ thép phát sinh vào khoảng 10% sản lượng thép, phần lớn đang được lưu trữ và là nguyên nhân gây tác độngxấu đến môi trường. Trong nghiên cứu này, cấp phối hạt của xỉ thép được điều chỉnh bằng cách phối trộn với cát mịn tạo thành cấp phối xỉ thép - cát mịn (tỷ lệ xỉ thép/cát mịn là 80/20%), sau đó gia cố với xi măng vớihàm lượng 4%, 6%, 8%.
>> Nghiên cứu sử dụng xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng làm lớp móng đường ô tô (P1)
3. Thiết kế thí nghiệm
3. Thiết kế thí nghiệm
 |  |
 |  |
Cát mịn được trộn với xỉ thép với tỷ lệ 80% là xỉ thép và 20% là cát mịn thành cấp phối xỉ thép - cát mịn, sau đó được gia cố xi măng với tỷ lệ 4%; 6%; 8%. Một tổ hợp gồm có 36 mẫu như Hình 1 được chế tạo từ cấp phối gia cố trên, trong đó có 24 mẫu đúc bằng cối Proctor cải tiến (chiều cao 11,7 cm; đường kính 15,2 cm), để thí nghiệm cường độ chịu nén theo TCVN 8858:2011 [15] và cường độ
ép chẻ theo TCVN 8862:2011 [21] (Hình 2 và 3); 12 mẫu đúc bằng cối tiêu chuẩn (có đường kính 10,16 cm, cao 11,7 cm), để thí nghiệm mô đun đàn hồi theo TCVN 9843:2013 [22] (Hình 4). Đối với mẫu đúc bằng cối tiêu chuẩn được chia thành 5 lớp, mỗi lớp đầm 25 chày 4,5 kg; mẫu đúc bằng cối Proctor cải tiến được chia thành 5 lớp, mỗi lớp đầm 56 chày 4,5 kg. Tất cả các mẫu đúc thí nghiệm được xác định cường độ chịu nén, cưởng độ ép chẻ và mô đun đàn hồi.
4. Kết quả thí nghiệmép chẻ theo TCVN 8862:2011 [21] (Hình 2 và 3); 12 mẫu đúc bằng cối tiêu chuẩn (có đường kính 10,16 cm, cao 11,7 cm), để thí nghiệm mô đun đàn hồi theo TCVN 9843:2013 [22] (Hình 4). Đối với mẫu đúc bằng cối tiêu chuẩn được chia thành 5 lớp, mỗi lớp đầm 25 chày 4,5 kg; mẫu đúc bằng cối Proctor cải tiến được chia thành 5 lớp, mỗi lớp đầm 56 chày 4,5 kg. Tất cả các mẫu đúc thí nghiệm được xác định cường độ chịu nén, cưởng độ ép chẻ và mô đun đàn hồi.
Cường độ chịu nén (Rn); Cường độ chịu ép chẻ (Rech); Mô đun đàn hồi (E) ở tuổi 7, 14, 28, 56 ngày được thể hiện ở Bảng 6.
4.1. Phân tích cường độ chịu nén Rn
Hình 5 thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố hàm lượng xi măng và tuổi mẫu thí nghiệm đến cường độ chịu nén. Nhận thấy cả 2 yếu tố đều ảnh hưởng nhiều đến Rn.
- Độ tuổi đến cường độ chịu nén: ở giai đoạn đầu từ 7 - 14 ngày thì cường độ nén phát triển chậm, từ 14 - 28 ngày thì mức độ tăng nhanh hơn thể hiện qua độ dốc của biểu đồ cường độ nén theo ngày tuổi, từ 28 - 56 ngày thì Rn lại tăng chậm. Biểu đồ ảnh hưởng ngày tuổi đến cường độ nén không là dạng tuyến tính mà là bậc 2;
- Ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng: Khi tỷ lệ xi măng tăng thì Rn cũng tăng lên, tỷ lệ tăng nhiều hơn với hàm lượng 4 - 6% thể hiện bằng độ dốc của các đoạn đường thẳng;
- Ảnh hưởng tương tác của xi măng tuổi cơ bản như nhau đối với các ngày tuổi và tỷ lệ xi măng. Tuy nhiên ở ngày tuổi 28 và 56 ngày thì ảnh hưởng rõ rệt hơn.
- Độ tuổi đến cường độ chịu nén: ở giai đoạn đầu từ 7 - 14 ngày thì cường độ nén phát triển chậm, từ 14 - 28 ngày thì mức độ tăng nhanh hơn thể hiện qua độ dốc của biểu đồ cường độ nén theo ngày tuổi, từ 28 - 56 ngày thì Rn lại tăng chậm. Biểu đồ ảnh hưởng ngày tuổi đến cường độ nén không là dạng tuyến tính mà là bậc 2;
- Ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng: Khi tỷ lệ xi măng tăng thì Rn cũng tăng lên, tỷ lệ tăng nhiều hơn với hàm lượng 4 - 6% thể hiện bằng độ dốc của các đoạn đường thẳng;
- Ảnh hưởng tương tác của xi măng tuổi cơ bản như nhau đối với các ngày tuổi và tỷ lệ xi măng. Tuy nhiên ở ngày tuổi 28 và 56 ngày thì ảnh hưởng rõ rệt hơn.
Hình 6 là biểu đồ tổng hợp cường độ nén Rn theo lượng xi măng và ngày tuổi. Tất cả các Rn ở tuổi 14 ngày đều lớn hơn 4,0 MPa nên theo quy định của [14] thì cấp phối trên có thể làm lớp móng trên cho kết cấu mặt đường. So với xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 6 - 8% (Hình 7), xỉ thép - cát mịn gia cố xi măng có cường độ chịu nén tăng đáng kể, và lớn nhất ở tuổi 14 ngày (khoảng 50%).
4.2. Phân tích cường độ chịu ép chẻ Rech
Tương tự như đối với cường độ chịu nén, Hình 8 thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng và tuổi của mẫu thí nghiệm đến cường độ ép chẻ Rech. Nhận thấy cả 2 yếu tố tỷ lệ xi măng và ngày tuổi đều ảnh hưởng nhiều đến Rech. Tuy nhiên ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng lớn hơn ảnh hưởng của ngày tuổi đến Rech.
Biểu đồ tổng hợp cường độ nén Rech theo lượng xi măng và ngày tuổi ở Hình 9 cho thấy cường độ ép chẻ ở tuổi 14 ngày ứng với tỷ lệ xi măng 4% nhỏ hơn 0,35 MPa nên chỉ dùng được làm lớp móng dưới theo quy định của [14]; Với tỷ lệ xi măng 6 - 8%, thì giá trị này đều lớn hớn 0,35 Mpa, do đó đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu làm lớp móng trên theo quy định của [14], Yêu cầu kỹ thuật về thiết kế mặt đường bê tông Asphalt cho đường cao tốc ở Trung Quốc quy định giá trị này là 0,4 - 0,6 MPa [10]. So với xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 6 - 8% [13], cường độ ép chẻ tăng đáng kể, và lớn nhất ở tuổi 14 ngày (gần 90%).
4.3. Phân tích mô đun đàn hồi E
4.3. Phân tích mô đun đàn hồi E
Tương tự như đối với cường độ chịu nén và cường độ chịu ép chẻ, sự ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng và tuổi của mẫu thí nghiệm đến mô đun đàn hồi của xỉ thép + cát mịn gia cố xi măng được thể hiện ở Hình 11.
Biểu đồ tổng hợp mô đun đàn hồi E theo lượng xi măng và ngày tuổi ở Hình 12 cho thấy mô đun đàn hồi ứng với các tỷ lệ xi măng, các ngày tuổi đều lớn hơn giới hạn 600 - 800 MPa, như vậy có thể đạt yêu cầu về mô đun đàn hồi đối với lớp móng trên cho kết cấu áo đường. Yêu cầu kỹ thuật về thiết kế mặt đường bê tông Asphalt cho đường cao tốc ở Trung Quốc quy định giá trị này là 1300 - 1700 MPa [10]. So với xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 4 - 8% (Hình 13), mô đun đàn hồi tăng đáng kể, và lớn nhất ở tuổi 7 và 14 ngày (khoảng 50 - 60%).
5. Kết luận
Khi xỉ thép được phối trộn với cát mịn với tỷ lệ 20% cát mịn và 80% xỉ thép tạo thành cấp phối xỉ thép - cát mịn có các chỉ tiêu cơ lý được cải thiện đáng kể. Dựa vào các kết quả thực nghiệm và các phân tích được trình bày ở trên có thể đưa ra một số kết luận như sau:
- Với tỷ lệ xi măng 4%, hỗn hợp xỉ thép + cát mịn gia cố;
- Xi măng có thể dùng làm lớp móng dưới cho kết cấu áo đường;
- Xỉ thép + cát mịn (tỷ lệ 80/20) gia cố xi măng có 2 chỉ tiêu cường độ nén và mô đun đàn hồi thỏa mãn điều kiện để làm lớp móng trên của kết cấu áo đường, riêng chỉ tiêu cường độ chịu ép chẻ thì chỉ có hỗn hợp gia cố tỷ lệ xi măng từ 6-8% mới thỏa mãn điều kiện để làm lớp móng trên của kết cấu áo đường;
- So với xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 6 - 8% [13], xỉ thép-cát mịn gia cố xi măng có cường độ chịu nén tăng khoảng 50% (Hình 7), cường độ ép chẻ tăng khoảng 90% (Hình 10), module đàn hồi tăng khoảng 50 - 60% (Hình 13), tăng đáng kể, và lớn nhất ở tuổi 14 ngày.
(Hết)
Tài liệu tham khảo
[1] Lim, J. W., Chew, L. H., Choong, T. S. Y., Tezara, C., Yazdi, M. H. (2016). Utilizing steel slag in environmental application - An overview. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing.
[2] Hằng, N. T. T., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2016). Hiệu chỉnh thành phần cấp phối bê tông cốt liệu xỉ thép. Người Xây dựng.
[3] Hằng, N. T. T., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2016). Xác định các đặc trưng cơ học của bê tông sử dụng xỉ thép như cốt liệu lớn. Tạp chí Xây dựng.
[4] Hằng, N. T. T., Vũ, N. H., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2015). Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép cốt liệu xỉ thép. Tạp chí Người Xây dựng.
[5] Du, N. (2016). Nghiên cứu khả năng sử dụng cốt liệu xỉ thép để sản xuất bê tông nhựa nóng ở khu vực phía nam Việt Nam. Trường Đại học học Giao thông Vận tải Cơ sở II, Tp. Hồ Chí Minh.
[6] Liêm, N. D., Ngà, V. T. B., Sơn, Đ. X., Phụng, T. M. (2019). Nghiên cứu dùng muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn trong việc cải thiện khả năng tự cảm biến của bê tông tính năng cao. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(4V):151–158.
[7] Maruthachalam, V., Palanisamy, M. (2014). High performance concrete with steel slag aggregate.
[8] Maruthachalam, V., Palanisamy, M. (2014). High performance concrete with steel slag aggregate. GRAĐEVINAR, 66:605–612.
[9] Oluwasola, E. A., Hainin, M. R., Aziz, M. M. A. (2014). Characteristics and utilization of steel slag in road construction. Jurnal Teknologi, 70(7).
[10] Shen, W., Zhou, M., Ma, W., Hu, J., Cai, Z. (2009). Investigation on the application of steel slag–fly ash–phosphogypsum solidified material as road base material. Journal of Hazardous Materials, 164(1):99–104.
[11] Van Oss, H. G. (2003). Slag–iron and steel. US geological survey minerals yearbook.
[12] Ha, M. H., Hang, N. T. T. (2018). Nghiên cứu sử dụng xỉ thép tái chế làm lớp móng đường ô tô. Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, 27-28:149–154.
[13] Ha, M. H., Hang, N. T. T., Hung, P. D. (2019). 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, 31-32:149–154.
[14] Quyết định số 2218/QĐ-BGTVT (2018). 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. Bộ Giao thông vận tải, Việt Nam.
[15] TCVN 8858:2011. 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. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[16] TCVN 6016:2011. Xi măng - phương pháp thử – xác định cường độ. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[17] TCVN 4030:2003. Xi măng – Phương pháp xác định độ mịn. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[18] TCVN 6017:2015. Xi măng - Phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[19] TCVN 4506:2012. Nước trộn bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[20] TCVN 7572-4:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[21] TCVN 8862:2011. Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu hạt liên kết bằng các chất kết dính. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[22] TCVN 9843:2013. Xác định mô đun đàn hồi của vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
5. Kết luận
Khi xỉ thép được phối trộn với cát mịn với tỷ lệ 20% cát mịn và 80% xỉ thép tạo thành cấp phối xỉ thép - cát mịn có các chỉ tiêu cơ lý được cải thiện đáng kể. Dựa vào các kết quả thực nghiệm và các phân tích được trình bày ở trên có thể đưa ra một số kết luận như sau:
- Với tỷ lệ xi măng 4%, hỗn hợp xỉ thép + cát mịn gia cố;
- Xi măng có thể dùng làm lớp móng dưới cho kết cấu áo đường;
- Xỉ thép + cát mịn (tỷ lệ 80/20) gia cố xi măng có 2 chỉ tiêu cường độ nén và mô đun đàn hồi thỏa mãn điều kiện để làm lớp móng trên của kết cấu áo đường, riêng chỉ tiêu cường độ chịu ép chẻ thì chỉ có hỗn hợp gia cố tỷ lệ xi măng từ 6-8% mới thỏa mãn điều kiện để làm lớp móng trên của kết cấu áo đường;
- So với xỉ thép gia cố xi măng với tỷ lệ 6 - 8% [13], xỉ thép-cát mịn gia cố xi măng có cường độ chịu nén tăng khoảng 50% (Hình 7), cường độ ép chẻ tăng khoảng 90% (Hình 10), module đàn hồi tăng khoảng 50 - 60% (Hình 13), tăng đáng kể, và lớn nhất ở tuổi 14 ngày.
(Hết)
Tài liệu tham khảo
[1] Lim, J. W., Chew, L. H., Choong, T. S. Y., Tezara, C., Yazdi, M. H. (2016). Utilizing steel slag in environmental application - An overview. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing.
[2] Hằng, N. T. T., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2016). Hiệu chỉnh thành phần cấp phối bê tông cốt liệu xỉ thép. Người Xây dựng.
[3] Hằng, N. T. T., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2016). Xác định các đặc trưng cơ học của bê tông sử dụng xỉ thép như cốt liệu lớn. Tạp chí Xây dựng.
[4] Hằng, N. T. T., Vũ, N. H., Hùng, P. Đ., Hà, M. H. (2015). Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép cốt liệu xỉ thép. Tạp chí Người Xây dựng.
[5] Du, N. (2016). Nghiên cứu khả năng sử dụng cốt liệu xỉ thép để sản xuất bê tông nhựa nóng ở khu vực phía nam Việt Nam. Trường Đại học học Giao thông Vận tải Cơ sở II, Tp. Hồ Chí Minh.
[6] Liêm, N. D., Ngà, V. T. B., Sơn, Đ. X., Phụng, T. M. (2019). Nghiên cứu dùng muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn trong việc cải thiện khả năng tự cảm biến của bê tông tính năng cao. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(4V):151–158.
[7] Maruthachalam, V., Palanisamy, M. (2014). High performance concrete with steel slag aggregate.
[8] Maruthachalam, V., Palanisamy, M. (2014). High performance concrete with steel slag aggregate. GRAĐEVINAR, 66:605–612.
[9] Oluwasola, E. A., Hainin, M. R., Aziz, M. M. A. (2014). Characteristics and utilization of steel slag in road construction. Jurnal Teknologi, 70(7).
[10] Shen, W., Zhou, M., Ma, W., Hu, J., Cai, Z. (2009). Investigation on the application of steel slag–fly ash–phosphogypsum solidified material as road base material. Journal of Hazardous Materials, 164(1):99–104.
[11] Van Oss, H. G. (2003). Slag–iron and steel. US geological survey minerals yearbook.
[12] Ha, M. H., Hang, N. T. T. (2018). Nghiên cứu sử dụng xỉ thép tái chế làm lớp móng đường ô tô. Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, 27-28:149–154.
[13] Ha, M. H., Hang, N. T. T., Hung, P. D. (2019). 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, 31-32:149–154.
[14] Quyết định số 2218/QĐ-BGTVT (2018). 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. Bộ Giao thông vận tải, Việt Nam.
[15] TCVN 8858:2011. 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. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[16] TCVN 6016:2011. Xi măng - phương pháp thử – xác định cường độ. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[17] TCVN 4030:2003. Xi măng – Phương pháp xác định độ mịn. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[18] TCVN 6017:2015. Xi măng - Phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[19] TCVN 4506:2012. Nước trộn bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[20] TCVN 7572-4:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[21] TCVN 8862:2011. Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu hạt liên kết bằng các chất kết dính. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[22] TCVN 9843:2013. Xác định mô đun đàn hồi của vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)
