(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sử dụng xi thép thay thế một phần cát trong hỗn hợp bê tông

CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 7 năm 2018

Nguyễn Thanh Vinh

xi


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn thạc sỹ này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ
bạn bè quý Thầy Cô trong Khoa xây dựng và Cơ học Ứng dụng - Trường đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã giảng dạy, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Thầy Lê
Anh Thắng đã tận tình hướng dẫn, cung cấp các thông tin nghiên cứu cần thiết và
chỉ bảo tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn thạc sỹ.
Tơi chân thành biết ơn gia đình cùng bạn bè động viên và giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian tôi thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 7 năm 2018

Nguyễn Thanh Vinh

xii


STUDY ON THE REPLACING A PART OF SAND IN
CONCRETE BY STEEL SLAG
TÓM TẮT
Bài báo khảo sát sự thay đổi về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo

khi uốn, cường độ chịu kéo gián tiếp khi ép chẻ và khối lượng thể tích của bê
tơng sử dụng xỉ thép thay thế một phần cát có trong cấp phối. Khối lượng xỉ
thép thay thế cho cát lần lượt tăng từ 20%, 40% và 60% có trong cấp phối.
Kết quả cho thấy các cấp phối bê tông sử dụng bột xỉ thép thay thế cát ở mức
40% có giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và khi ép chẻ
cao nhất. Khi tăng hàm lượng xỉ thép vượt ngưỡng 40% thì các giá trị về
cường độ bắt đầu có xu hướng giảm mạnh. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm
lượng xỉ thay cát đạt 40% không chỉ giúp giảm lượng cát cần sử dụng trong
bê tơng mà cịn có thể nâng cao được một số tính chất cơ học của bê tông..
ABSTRACT
The thesis surveys the change mechanical characteristics of concrete
using steel slag replaces a portion of the sands in mixture.The intensity targets
include: compressive strength, bending strength and tensile strength which
were analysed in this research. The volume of steel slag replacement for turn
up from 20%, 40% to 60%. The results illustrate the value of compression
resistant strength were the highest when the volume of thesteel slag replaces
sands by 40%. the result of bending strength and tensile strength were like
compressive strength.When the steel slag of content increase more than 40%,
then the values of the intensity tends to fall down strongly. The study results
suggest using the level concrete mixing with 40% of finely slag to rise
quanlity of concrete or improve the concrete.

xiii


MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI………………………………………………………I
XÁC NHẬN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ............................................................. II
BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN .......................................................................... III
LÝ LỊCH KHOA HỌC ......................................................................................... IX

CAM ĐOAN ......................................................................................................... XI
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... XII
TĨM TẮT .......................................................................................................... XIII
MỤC LỤC ......................................................................................................... XIV
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................... XVI
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... XVIII
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu.................................................................. 1
1.2 Tình hình nghiên cứu..................................................................................... 4
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc ............................................................. 4
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .............................................................. 7
1.3 Mục tiêu đề tài............................................................................................... 8
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 8
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 8
1.6 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 9
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài........................................................ 9
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP ........................................................... 10
2.1 Xỉ thép ........................................................................................................ 10
2.1.1 Khái quát về xỉ thép................................................................................ 10
2.1.2 Tính chất hố học của xỉ thép ................................................................. 12
2.1.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép ...................................................................... 13
2.1.4 Ƣu điểm của xỉ thép ............................................................................... 14
2.1.5 Vai trò của xỉ thép .................................................................................. 15

xiv


2.2 Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ............... 17
2.2.1 Phƣơng pháp tra bảng ............................................................................. 17
2.2.2 Phƣơng pháp tính tốn ............................................................................ 20

CHƢƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ........ 22
3.1 Nguyên vật liệu ........................................................................................... 22
3.1.1 Cốt liệu lớn............................................................................................. 22
3.1.2 Cốt liệu nhỏ ............................................................................................ 23
3.1.3 Xỉ thép ................................................................................................... 24
3.2 Thiết kế thành phần cấp phối ....................................................................... 27
3.3 Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 28
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 33
4.1 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xỉ thay thế cát và hàm lƣợng giảm xi măng đến
cƣờng độ chịu nén. ................................................................................................ 33
4.2 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng XTC đến cƣờng độ chịu kéo ............................. 38
4.3 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng XTC đến cƣờng độ chịu uốn ............................. 40
4.4 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng XTC đến modul đàn hồi ................................... 40
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................... 44
5.1 Kết luận ....................................................................................................... 44
5.2 Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................ 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 46

xv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần hoá học của xỉ thép.............................................................. 12
Bảng 2.2 Thành phần hoá học của xỉ thép.............................................................. 13
Bảng 2.3 So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vôi tự nhiên và đá bazan ............... 14
Bảng 2.4 Phân loại xỉ thép ..................................................................................... 14
Bảng 2.5 Ứng dụng từ xỉ thép ................................................................................ 16
Bảng 2.6 Mẻ trộn bê tông nén ................................................................................ 18
Bảng 2.7 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 2 - 4 cm .......................... 19
Bảng 2.8 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 6 - 8 cm .......................... 20

Bảng 2.9 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 14 - 17 cm ...................... 20
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng............................................................ 22
Bảng 3.2 Thành phần hạt của đá ............................................................................ 23
Bảng 3.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN .................................. 25
Bảng 3.4 Thành phần hóa xỉ thép .......................................................................... 25
Bảng 3.5 Đặc tính cơ lý của vật liệu ...................................................................... 27
Bảng 3.6 Thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông ................................................... 27
Bảng 3.7 Kích thước mẫu thí nghiệm theo TCVN 5574-2012................................ 28
Bảng 4.1 Cường độ chịu nén bê tông B20 ............................................................. 33
Bảng 4.2 Cường độ chịu nén bê tông B20 ............................................................. 35
Bảng 4.3 Tổng hợp giá trị tính tốn hàm hồi quy ................................................... 38
Bảng 4.4 Cường độ chịu kéo bê tông B20 ............................................................. 38
Bảng 4.5 Cường độ chịu uốn bê tông B20 ............................................................. 40
Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm modul đàn hồi .......................................................... 41

xviii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Tình trạng khai thác cát trái phép tại địa phương ....................................... 2
Hình 1.2 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại ........................................................ 3
Hình 1.3 Mối quan hệ giữa độ sụt và cường độ chịu nén bê tơng xỉ đồng ................ 6
Hình 1.4 Mối tương quan giữa cường độ uốn và kéo bê tông xỉ đồng ...................... 6
Hình 2.1 Xỉ thép .................................................................................................... 10
Hình 2.2 Quy trình sản xuất thép lị cao ................................................................. 11
Hình 2.3 Quy trình sản xuất thép lị hồ quang điện ................................................ 11
Hình 2.4 Cấu trúc hạt xi măng ............................................................................... 13
Hình 2.5 Cấu trúc xắp xếp hạt xỉ ........................................................................... 15
Hình 2.6 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại ...................................................... 15
Hình 2.7 Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính ............................................... 16

Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm ......................................................... 23
Hình 3.2 Đá dăm ................................................................................................... 23
Hình 3.3 Cát sử dụng cho cấp phối bê tơng............................................................ 24
Hình 3.4 Biểu đồ thành phần kích cỡ hạt cát .......................................................... 24
Hình 3.5 Quy trình tách thành phần hạt xỉ ............................................................. 25
Hình 3.6 Xỉ được phân loại theo kích cở hạt .......................................................... 26
Hình 3.7 Thiết bị nén mẫu xác định cường độ chịu nén ......................................... 29
Hình 3.8 Thiết bị nén mẫu xác định cường độ chịu nén ......................................... 29
Hình 3.9 Thiết bị uốn 4 điểm ................................................................................. 30
Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ thời gian – tải trọng thí nghiệm uốn ............................ 30
Hình 3.11 Thiết bị ép chẻ xác định cường độ chịu kéo gián tiếp ............................ 31
Hình 3.12 Sơ đồ truyền tải thí nghiệm ép chẻ ........................................................ 31
Hình 3.13 Mẫu t.n modul đàn hồi & màn hình hiển thị thơng số chuyển vi ............ 32
Hình 4.1 Cường độ chịu nén bê tơng B20 .............................................................. 34
Hình 4.2 Tỷ lệ cường độ chịu nén bê tông bụi xỉ thép 28 ngày .............................. 35
Hình 4.3 SEM xỉ thép 20, 50µm ............................................................................ 36
Hình 4.4 SEM xỉ thép ngồi mơi trường sau 360 ngày........................................... 37

xvi


Hình 4.5 Biểu đồ hàm hồi quy (bậc 2) đối với bê tơng B20 ................................... 37
Hình 4.6 Biểu đồ hàm hồi quy (bậc 2) đối với bê tông B20 giảm 5% xi măng ....... 38
Hình 4.7 Cường độ chịu kéo bê tơng bụi xỉ thép 28 ngày ...................................... 39
Hình 4.8 Cường độ chịu uốn bê tông bụi xỉ thép 28 ngày ...................................... 40
Hình 4.9 Biểu đồ mối tương quan modul đàn hồi và hàm lượng xtc ...................... 41
Hình 4.10 Mối quan hệ cường độ chịu nén và modul đàn hồi các nghiên cứu trước
đây của nhiều tác giả ............................................................................................. 42
Hình 4.11 So sánh mối tương quan giữa cường độ chịu nén và modul đàn hồi giữa
các nghiên cứu với tiêu chuẩn Eurocode2 .............................................................. 43

xvii


Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
Đi cùng với sự phát triển của một quốc gia, là quy mô cũng như mức độ đa
dạng của kết cấu cơng trình, trong đó bê tơng là một trong những vật liệu xây dựng
được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Theo ước tính sau năm 2010, ngành bê
tông cung ứng hàng năm từ 8 đến 12 tỷ tấn sản lượng (U.S.G.S and
nationalatlas.gov, accessed Nov 2008). Theo ước tính trung bình trong 25 năm qua,
việc khai đá vơi tăng với tỷ lệ hàng năm khoảng 3,3%. Khai thác cốt liệu tăng dưới
1%. Dựa vào những con số này, đến năm 2020, dự kiến sản lượng đá vôi khai thác
tăng 20%, đạt khoảng 1,6 tỷ tấn. Trong khi đó sản lượng khai thác đá và cát tăng
14%, đạt 1,1 tỷ tấn. Về bản chất, lượng đá vôi khai thác được sản xuất trong 20 năm
tới sẽ bằng với số lượng của tất cả các loại đá được sản xuất trong thế kỷ trước đó,
ước tính khoảng 36,5 tỷ tấn. Chính bởi điều này, sản lượng khai thác đá vơi, phục
vụ nhu cầu sản xuất xi măng ngày một lớn, dẫn đến những tác động môi trường
nghiêm trọng, bao gồm những tác động trực tiếp và gián tiếp, ngắn hạn và lâu dài,
những tác động tiềm ẩn và tích luỹ, những tác động có thể khắc phục hoặc khơng
thể khắc phục có tiềm năng lớn gây suy thối, ơ nhiễm môi trường khu vực. Ảnh
hưởng xấu này đặt ra một vấn đề cấp bách là giảm khai thác nguồn tài ngun đá
vơi, mà có thể giải quyết trước mắt là giảm lượng xi măng trong bê tơng, và tìm
được nguồn nguyên liệu thân thiện môi trường để thay thế.
Với hơn 70% cốt liệu thô gồm cát vàng và đá là thành phần chính trong sản
phẩm bê tơng, đống vai trị quyết định đến cường độ, độ bền và chất lượng sản
phẩm. Do đó, việc thay thế vật liệu tư nhiên này ln là một thách thức. Có thể
thấy, một khó khăn tồn động lâu nay ở Việt Nam, cát vàng được biết đến là cốt liệu
được sử dụng rất phổ biến để chế tạo bê tơng do đặc tính kỹ thuật phù hợp với các

tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành. Tuy nhiên, do nhu cầu xây dựng ngày càng cao,
mà lượng cát vàng ngày một trở nên khan hiếm và giá thành cao. Giá cát bị đẩy lên

1


vào khoảng giữa năm 2017. Nguyên nhân một phần là do các địa phương ngăn chặn
việc khai thác cát lậu, nguồn tài nguyên cát vàng chỉ có giới hạn ở một số địa
phương nhất định, dẫn đến việc khai thác vượt ngưỡng cho phép, làm ảnh hưởng
trực tiếp đến hệ sinh thái cảnh quan và tác động xấu đến địa tầng và dịng chảy của
sơng . Chính điều này, hàng loạt các chính sách được đưa ra bởi Nhà nước liên quan
đến quản lý việc khai thác cát để tránh làm ảnh hưởng đến môi trường. Tránh gây
sạt lở, ảnh hưởng đến dòng chảy, ảnh hưởng đến người dân sống hai bên bờ sông.
Nhiều nhà nghiên cứu trong nước đã và đang đi tìm các giải pháp để thay thế cát.
Xuất phát từ gợi ý của một nhà thầu xây dựng, báo cáo nghiên cứu thay thế một
phần cát bằng xỉ thép.

.
Hình 1.1 Tình trạng khai thác cát trái phép tại địa phương
Trong khi đó, xỉ thép được biết đến là nguồn phế phẩm công nghiệp tương
đối lớn, không thể tránh được trong quá trình sản xuất, chiếm đến 15-25% sản
lượng thép. Theo thống kê 2009, quốc gia đứng đầu trong công nghiệp luyện thép là
Trung Quốc đạt sản lượng gần 740 triệu tấn. Phạm vi trong nước, có hơn 30 nhà
máy luyện thép đang hoạt động. Sản lượng thép ở Việt Nam năm 2007 khoảng 12
triệu tấn/năm và dự kiến sẽ đạt khoảng 18 triệu tấn/năm vào năm 2025. Như vậy,
mỗi năm, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy luyện thép trên cả nước sẽ lên đến 1 - 1,5
triệu tấn. Điều này gây nên khó khăn trong tài nguyên đất, đất bị chiếm dụng để
chôn lắp mà cịn tác động xấu đến mơi trường đất xung quanh khu vực xử lý xỉ thép

2

Xỉ thép tự nhiên

Xỉ thép nghiền

Xỉ thép sàn

Hình 1.2 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại
Khi ứng dụng xỉ thép trong xây dựng, hai vấn đề chính đối với cốt liệu xỉ
thép là: sự giản nở thể tích và mật độ phân tử khối cao (khối lượng riêng lớn). Vấn
đề thứ nhất, dựa theo thành phần hóa học của xỉ thép, hai tạp chất không thể loại bỏ
trong quá trình chế tạo xỉ thép là một tỷ lệ nhỏ calcium và magnesium oxides.
Những calcium và magnesium oxides chưa bị loại bỏ này sau khi đưa ra khỏi môi
trường, tiếp xúc với khơng khí ẩm xảy ra q trình hydrat. Q trình hydrat hóa tạo
calcium hydroxide làm giản nở thể tích, điều này đặc trưng cho sự tồn tại tự do của
pha khí có trong xỉ thép. Sự giản nở này khiến việc sử dụng xỉ thép để chế tạo vật
liệu có tính ổn định cao như bê tơng cường độ cao là không phù hợp (Rao, 2006).
Vấn đề thứ hai, lật độ phân tử khối cao, dẫn đến xỉ có khối lượng riêng nặng hơn
các loại đá tự nhiên như đá bazan, granit hoặc đá vơi. Do đó, khối lượng riêng của
bê tơng xỉ thép có trọng lượng lớn hơn 15, 25% so với bê tông OPC, làm cho khối
lượng bê tông xỉ nặng hơn bê tông OPC rất chiều, chính điều này được xem là yêu
tố bất lợi kinh tế khi thành phẩm bê tông và chị phí phận chuyển rất lớn.
Tuy nhiên khi sử dụng xỉ thép với định lượng phù hợp trong cấp phối bê tơng
đã được chứng mình mang lại hiệu quả cao đối với việc giải quyết một số vấn đề
ngành công nghiêp bê tông, vừa tận dụng được lượng phế phẩm dồi dào xỉ thép,
thay cho tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt, làm giảm chi phí cho q trình xử lý
và các tổn thất về năng lượng để tạo ra nguồn xỉ, giảm thiểu được phần diện tích đất
kho bãi để lưu trử, mà còn phải kể đến khả năng cả thiện được đặc tính cơ học, vật

3


liệu và hóa học của vật liệu này. việc sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu xỉ vào
chế tạo bê tông ở Việt Nam là nội dung phải triển bền vững
1.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Chen Meizhu (2007) làm việc với xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) và vữa để
tạo các hạt đất lò cao, thạch cao, clinker. Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp
dụng cát xỉ thép có thể giảm liều lượng xi măng clinker và tăng lượng thay thế phế
phẩm công nghiệp sử dụng cát xỉ thép.
Isa Yuksel (2006) sử dụng thử nghiệm xỉ hạt hạt lò cao thay cốt liệu mịn
trong bê tông. Nghiên cứu kết luận rằng tỉ lệ GGBs/cát (Ground Granulated Blast
Furnace Slag) được điều chỉnh theo tiêu chuẩn để đạt hiệu quả về đặc tính cường
độ và độ bền.
Juan Manso (2004) thực hiện công việc trong phịng thí nghiệm, nghiên cứu
sản xuất bê tơng chất lượng tốt bằng cách oxy hoá xỉ EAF (Electric Arc Furnace)
thay cho các cốt liệu mịn và thô. Bê tông được thử nghiệm tính bền, độ ngậm nước,
sự ngưng kết nhanh…Độ bền của bê tơng xỉ EAF được tính tốn có thể chấp nhận
được, đặc biệt là ở các vùng địa lý sử dụng chúng, nơi nhiệt độ mùa đông hầu như
không bao giờ giảm xuống dưới 32F (0˚C).
Keun Hyeok Yang (2010) nghiên cứu các loại vữa kiềm hoạt tính và bê tông
sử dụng cốt liệu nhẹ. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén của vữa
kiềm hoạt tính giảm tuyến tính với sự gia tăng mức độ thay thế cốt liệu trọng lượng
nhẹ, không phụ thuộc vào tỷ lệ chất kết dính và nước.
Li Yun-feng cùng cộng sự (2010) tìm ra tác dụng của bột xỉ thép dựa trên
tính dễ tạo hình và cơ học của bê tơng. Kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất cơ
học có thể được cải thiện hơn nữa do tác dụng đồng thời và tương tác lẫn nhau khi
trộn hỗn hợp các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lị cao trong bê tơng.
Chang-long Wang(2013) kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén của bê

tông sử dụng xỉ thép thay thế cát có tương đương với bê tơng truyền thống, ngồi ra
nghiên cứu đánh giá được mức độ ảnh hưởng của xỉ thép đến độ sụt là cao nhất.

4


Jigar Patel (2006) nghiên cứu về xỉ thép đã chỉ ra rằng việc thay thế một số
phần trăm cốt liệu tự nhiên bởi cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể nào
về cường độ và lượng xỉ thép thay thế có thể đạt đến 70%. Tính khả thi của hỗn hợp
bê tông là một vấn đề quan trọng đòi hỏi lượng nước giảm, tăng phụ gia để đạt giảm
được độ sụt tối thiểu. Kết quả cho thấy rằng khi thay thế khoảng 50- 75% cốt liệu xỉ
thép cho cốt tự nhiên sẽ không gây hại cho bê tông và cũng khơng có bất kỳ tác
dụng phụ về cường độ và độ bền.
Yunxia Lun, Fang Xu (2008) xỉ thép được sử dụng như cốt liệu mịn để tăng
cường ổn định khối lượng của vữa. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ bột của
vôi tự do và tỷ lệ mở rộng tuyến tính có thể diễn đạt sự cải thiện ổn định khối
lượng của các phương pháp ứng xử khác nhau. Q trình sử dụng lị hấp trong tiến
trình xử lý hơi nước đạt hiệu quả hơn trong việc tăng cường sự ổn định của khối
lượng xỉ thép.
Zeghichi (2006) thí nghiệm thay thế cát bằng tinh xỉ GBF (Ground Blast
Furnace). Thử nghiệm được thực hiện trên khối bê tông đã cho thấy hiệu quả của
các phần thay thế cát bằng xỉ hạt (30%, 50%) và tổng lượng thay thế dựa trên sự
tăng của độ bền nén. Kết quả kiểm tra cường độ chịu nén tại 3, 7, 28, 60 ngày và 5
tháng làm cứng bê tông, kết luận rằng lượng thay thế của cốt liệu thô tự nhiên với
tinh xỉ ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo, độ bền uốn và nén của bê tông. Việc
thay thế một phần cốt liệu tự nhiên có cốt liệu xỉ cho phép tăng cường độ dài hạn
nhưng thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ.
Saud Al-Otaibi (2008) đã nghiên cứu sử dụng thép tái chế tại các nhà máy
cho cốt liệu mịn trong vữa xi măng. Việc thay thế 40% thép tái chế cho cốt liệu mịn
làm tăng cường độ nén đến 40%, co ngót khơ thấp hơn khi sử dụng xỉ thép.

Wei Wu cùng cộng sự (2010) nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với tỷ lệ tối ưu thay
thế xỉ đồng ít hơn 40% trong cấp phối thay thế cốt liệu bê tông, cho ra cường độ
nén, uốn, kéo và khả năng chịu tải động là tốt nhất.

5


Hình 1.3 Mối quan hệ giữa độ sụt và cường độ chịu nén bê tông xỉ đồng
Wei Wu cùng cộng sự (2010)

Hình 1.4 Mối tương quan giữa cường độ uốn và kéo bê tông xỉ đồng
Wei Wu cùng cộng sự (2010)
Vijaya Gowri (2004) đã thay thế 50% cốt liệu xỉ thép cho xi măng với các tỉ
lệ nước và chất kết dính khác nhau để tìm ra cường độ chịu nén, chịu kéo và độ bền
uốn của bê tông dầm ở tuổi 28 ngày, 90 ngày, 180 ngày và 360 ngày
Chandini cùng cộng sự (2017) đưa ra được các phân tích đánh giá xoay
quanh việc thay thế một phần cốt liệu nhỏ là cát cho xỉ, kết quả cho thấy khi hàm
lượng xỉ thay thế 15 - 30% cường độ chịu nén đạt giá trị tối ưu nhất, cường độ chịu

6


kéo tăng 1.1 – 1.5 lần. Nhưng khi hàm lượng xỉ thay cát đạt trên 50 – 70%, khi phối
trộn với vật liệu chế tạo bê tơng truyền thống thì hầu như khơng có ảnh hưởng đến
chất lượng bê tơng.
Rui Vasco Silva cùng cộng sự (2016) báo cáo đã tổng hợp 121 ấn phẩm được
xuất bản trong khoảng thời gian 43 năm từ 1973 đến năm 2015, liên quan đến việc
sử dựng phế phẩm tái chế để phối trộn bê tơng, các vấn đề liện quan bao gồm hàm
lượng, kích thước, nguồn gốc và phản ứng trong các môi trường. từ đó chỉ ra vị trí
cấp thiết sử dụng ngun liệu sỉ thép trong ứng dụng đời sống.

Prasanna (2014) kế thừa từ các nghiên cứu trước đây, tác giả đã ứng dụng xỉ
thay thế cốt liệu lớn đối với bê tơng cường độ cao, nghiên cứu chứng mình được
răng, với hàm lượng xỉ thay thế không vượt quá 25%, bê tơng cho cường độ chịu
nén cao nhất ngồi ra, báo cáo cịn lý giải được đặc tính phân tử xỉ có ảnh hưởng
trực tiếp đến chất lượng bê tơng khi thay thế.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Nguyễn Văn Chánh (2010) nghiên cứu sử dụng xỉ thép để làm vật liệu thay
thế đá, đất,…sẽ giảm được một phần sức ép về nguồn cung cấp vật liệu xây dựng,
giảm tình trạng khai thác cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và góp phần bảo vệ môi
trường, giúp các nhà máy thép thay đổi hình ảnh theo hướng tích cực về bảo vệ môi
trường. Tác giả dùng phế thải xỉ thép tái chế làm cốt liệu trong chế tạo bê tông,
nhựa đường asphalt.
Trần Văn Miền (2011) đã nghiên cứu thuộc tính cơ lý và các thành phần
khống của xỉ thép. Sau đó sử dụng chúng thay thế 100% cốt liệu thô cho bê tông
cường độ cao để đạt được những cường độ nén khác nhau như 60, 70 đến 80 MPa
vào các cấu kiện dầm. Kết quả cho thấy rằng cường độ của bê tông sử dụng xỉ thép
tổng hợp là tương đương với bê tông thông thường. Tuy nhiên, độ bền của bê tông
cốt liệu xỉ thép là tốt hơn so với bê tông thông thường về khả năng chống xâm nhập
clorua và điện trở suất. Hơn nữa, kích thước của vữa xi măng xỉ thép rất ổn định.
Kết quả nghiên cứu của tác giả Trần Hữu Bằng (2011) cho thấy, cường độ
của của bê tơng xi măng phụ gia khống xỉ thép có tốc độ phát triển thấp hơn so với

7


bê tông xi măng thông thường và hàm lượng phụ gia khống xỉ thép càng cao thì
cường độ bề tơng xi măng càng giảm.
Nguyễn Quốc Hiển (2015) đã trình bày về ứng dụng của Xỉ thép trong lĩnh
vực cơng trình xây dựng. Xỉ thép có thể thay thế cốt liệu trong bê tơng, làm nền,
móng đường, sản xuất bê tơng nhựa, xây dựng các cơng trình thủy lợi, làm chất ổn

định nền cho kho bãi và nhà xưởng, chế tạo gốm sứ.
Nguyễn Thị Thúy Hằng (2015) đã phân tích ứng xử của dầm bê tông sử dụng
xỉ thép làm cốt liệu lớn. Kết quả chỉ ra rằng, cường độ chịu nén tăng khoảng 16%,
khả năng chịu tải của dầm bê tông xỉ lớn hơn khoảng 30% và độ võng tại cùng một
cấp tải trong gian đoạn biến dạn đàn hồi nhỏ hơn 30% so với dầm bê tông cốt liệu
tự nhiên.
Lê Anh Thắng cùng cộng sự (2017) với nghiên cứu phân tích ứng xử dầm bê
tơng cốt thép sử dụng xỉ thay đá làm cốt liệu lớn. Phân tích cho thấy, ứng suất chịu
kéo trong thép dọc của bê tông xỉ cao hơn 12.5% so với khi sử dụng vật liệu nền là
bê tơng OPC ở cùng cấp tải. Ngồi ra, đối với dầm bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép,
ứng suất lớn nhất đối với thép đai vào khoảng 56% so với théo dọc khi dầm bị phá
hủy và thời gian bắt đầu xuất hiện vết nứt khi uốn dầm cũng chậm hơn so với bê
tông OPC
1.3 Mục tiêu đề tài
Đánh giá ảnh hưởng của bê tông khi sử dụng xỉ thép thay thế một phần cát
theo phần trăm khối lượng của hàm lượng cát), đến cường độ và modul đàn hồi.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu xỉ thép tái chế với các thành phần
hạt và tính chất đạt chỉ tiêu chất lượng dùng cho thiết kế bê tông, sử dụng xỉ thép
thay thế một phần cốt liệu.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu là quá trình thực nghiệm kết hợp với lý thuyết tính tốn.
Đưa ra kết luận, đánh giá chính xác về vật liệu xỉ tái chế, từ đó đề xuất, kiến nghị sử

8


dụng rộng rãi nguồn vật liệu này theo tiêu chí phát triển bền vững cho ngành xây
dựng ở Việt nam.
1.6 Nội dung nghiên cứu

1. Xác định thành phần cấp phối B20
2. Thay thế cát theo phần trăm (20, 40, 60 %) kết hợp giảm hàm lượng xi măng
trong cấp phối (5,10,15%) để chế tạo bê tông bụi xỉ
3. Từ các biểu đồ, xác định tỷ lệ tối ưu lượng xỉ thay cho cát, để bê tông đạt cấp
độ bền chịu nén B20, B22.5 dựa theo đường hồi quy tuyến tính.
4. Xét ảnh hưởng xỉ thép đến 4 tính chất cơ lý bê tông: nén, uốn, kéo và modul
đàn hồi
5. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép thay cát
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hoàn thiện thêm lý thuyết về cấu trúc của loại vật liệu mới như xỉ thép tái
chế, Ngoài ra cho thấy tiềm năng của việc ứng dụng xỉ thay thế cốt liệu tự nhiên
trong bê tông. Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp
bê tơng xỉ.
Kết quả nghiên cứu góp phần hồn thiện lý thuyết bê tông xỉ thép, phục vụ
công tác thiết kế và sản xuất ứng dụng vào thực tế trong các lĩnh vực khác nhau.
Thành công của nghiên cứu này sẽ bổ sung vào nguồn tài liệu tham khảo cho các
đơn vị xây dựng cơng trình, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học và
sau đại học.

9


Chương 2
TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP
2.1 Xỉ thép
2.1.1 Khái quát về xỉ thép
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 Ơxít 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
hồn tồn khơng có mặt trong xỉ thép vì ở nhiệt độ lớn hơn 1.200 oC thì mọi chất
thải nguy hại đều bị tiêu hủy hồn tồn.

Hình 2.1 Xỉ thép
Dựa trên kích thước hạt, xỉ thép chia thành 3 loại:
-

Xỉ thép thô, cần được nghiền nhỏ để có thể sử dụng

-

Xỉ thép mịn xỉ ở trạng thái trơ, phù hợp trở thành cốt liệu sử dụng trực
tiếp cho bê tông, mà không qua sử lý.

-

Xỉ thép bụi, cần được xử lý trước khi sử dụng cho bê tông.

Dựa trên công nghệ sản xuất, xỉ thép chia thành 3 loại:
-

Xỉ lò cao

10


-

Xỉ thép lò hồ quan điện

-

Xỉ thép tinh chế (khử tất cả tạp chất tạo nên thép carbon siêu nhẹ) sử
dụng kết hợp 2 phương pháp trên.

Hình 2.2 Quy trình sản xuất thép lị cao – Valentin (1997)

Hình 2.3 Quy trình sản xuất thép lị hồ quang điện – Valentin (1997)
Xỉ thép có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được so sánh
tương tự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên. Xỉ thép có những ưu điểm

11


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. Vì vậy, xỉ thép
được dùng để 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.
Hiện nay, trên thế giới, thép được sản xuất bằng hai cơng nghệ chính: Cơng
nghệ lị cao - đúc liên tục và Cơng nghệ lò điện hồ quang. Ở Việt Nam, phần lớn
thép được sản xuất bằng cơng nghệ lị điện hồ quang – đúc liên tục.
2.1.2 Tính chất hố học của xỉ thép
Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có
dạng cục như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch
phun trào từ núi lửa. Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF là Ơxít 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 thép tồn tại ở hai trạng thái phân tử, là cấu trúc hình học dạng khối và
dạng honeycomb. Đặc tính nhẵn, giịn. Khối lượng riêng phụ thuộc vào lực dính
giữa sức căng mặt ngoài của dung dịch xỉ thép và lượng oxit, kim loại sắt, lổ rỗng
trong cấu trúc.
Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ EAF có chứa nhiều
khống chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates
(2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và
Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7) và CaO, MgO tự do.
Bảng 2.1 Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) – Valentin (2004)
Thành phần

Xỉ thép

Đất núi

Đá tổ ong

Xi Măng

SiO2

13.8

59.6

59.6

22

Cao

44.3

0.4

5.8

64.2

Al2O3

1.5

22

17.3

5.5

12


Tổng Fe

17.5

--

3.1

3.0

MgO

6.4

0.8

2.8

1.5

S

0.07

0.01

--

2.0

MnO

5.3

0.1

0.2

--

TiO2

1.5

--

0.8

--

Bảng 2.2 Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) - Ivanka Netingerm (2014)
Phương pháp thí nghiệm

Hợp chất phân tích

% khối lượng

Combination of complexometric
(Described in HRN EN 1744-1)

CaO

0.28

X-ray diffraction

MgO

4.82

Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khống CS, đây là
loại khống chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao
gồm các khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium
Aluminate (C3Al).

Hình 2.4 Cấu trúc hạt xi măng
Ngồi ra, thành phần của xỉ thép cịn có các khống Brownmillerite,
Mayenite là một loại khống chất có trong đá vơi dùng cho ngành cơng nghiệp sản
xuất xi măng.
2.1.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép
Xỉ lị điện hồ quang có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt,
được so sánh với cấu trúc của đá tự nhiên. Xỉ thép cịn có :
-

Độ pH: 10-11;

13


-

Độ xốp: 31 - 45%;

-

Độ dẫn điện: 3,7 mS/cm.

Bảng 2.3 So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vơi tự nhiên và đá bazan

Tanya Richter (2013)
Tính chất

Xỉ thép Đá vôi sau khi nghiền Bazan

Trọng lượng riêng ( kg / m3)

3.2-3.6

2.68

2.76

Trọng lượng riêng rời ( kg / m3)

1.482

1.382

1.412

Độ rỗng (%)

55.5

48.3

69.37

Độ hút nước (%)

0.2-2

0.75

0.56

Khả năng chống phân mảnh(%)

13.9

24.1

18.6

Chỉ số bong tróc (%)

8.0

38.4

24.1

Khả năng chống tan chảy (1%Nacl)

0.81

0.87

0.85

Tính bền vững của Magie Sunphat (%)

23.6

21.4

24.2

Cường độ chịu nén (MPa)

169-300

-

-

Bảng 2.4 Phân loại xỉ thép- Valentin ( 1997)
Chỉ tiêu phân loại
Hàm lượng hóa học
Xỉ lị điện
Open hearth slag
Khống vật oxit hiếm

Đặc tính
Xỉ giàu hoạt tính sillic
Xỉ giàu can xi phốt phát ( vơi)

Xỉ có tính oxi hóa
Xỉ có tính khử cao

Early stage slag
Later stage slag
B= 0.9 – 1.4 Monoticllite slag
B= 1.4 – 1.6 Merwinite slag
B= 0.9 – 1.4 C2S slag
B= 0.9 – 1.4 C3S slag

2.1.4 Ưu điểm của xỉ thép
Trên cơ sở các kết quả hố và lý học, xỉ thép có những ưu điểm sau:
-

Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt;

-

Độ bền cao;

14


-

Chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu;

-

Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi
măng.

Hình 2.5 Cấu trúc xắp xếp hạt xỉ - Hasan Alanyali (2009)

2.1.5 Vai trò của xỉ thép
Xỉ lò điện có thể xem như đá nhân tạo, giống đá tự nhiên, bao gồm FeO,
CaO, SiO2 và các Oxit khác như MgO, Al2O3, MnO. Xỉ lị điện có thể sử dụng để
làm đường, san lấp, sản xuất xi măng,... Tuy nhiên, trước khi sử dụng, xỉ phải được
chế biến như nghiền, sàng và phân loại kích thước. 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.

Xỉ thép tự nhiên

Xỉ thép nghiền

Xỉ thép sàn

Hình 2.6 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại

15


Hình 2.7 Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính – National Slag (2003)
Với các loại kích thước khác nhau xỉ thép hồn tồn có thể thay thế cho các
cốt liệu khác nhau trong bê tông như thay thế cốt liệu mịn như cát và cốt liệu lớn
như đá tự nhiên sỏi …Tuỳ theo mục đích sử dụng và yêu cầu thiết kế, người ta dùng
xỉ thay thế các cốt liệu trong bê tông với tỉ lệ thay thế khác nhau.
Bảng 2.5 Ứng dụng từ xỉ thép – National Slag (2003)
Ứng dụng
Làm cốt liệu cho bê tông asphalt, làm đường,
Độ cứng và chịu mài mòn cao
nền nhà xưởng, làm gạch block, tấm đan….
Chịu được sự giản nở cao và độ ẩm thấp Làm vật liệu trải đường giao thông đường tàu

Làm bê tông asphalt rỗng tạo ra những con
Cấu trúc tổ ong, hút nước tốt
đường chất lượng cao, an tồn và giảm tiếng
ồn
Có thể thay thế cát, xỉ đồng để làm vật liệu
Chịu được sự ma sát cao
làm sạch bề mặt kim loại
Thành phần hoá học chứa nhiều khoáng
Phụ gia xi măng
chất CS, C4F, CA
Thành phần hoá học chứa FeO, Cao, Làm phân bón và cải tạo những vùng đất xấu
SiO2 và MgO
(nhiễm phèn, độ chua cao,...)
Thành phần có độ pH cao, gốc vơi và có Làm vật liệu đa năng xử lý nước thải, khí thải,
cấu trúc tổ ong, chứa nhiều khống chất bảo vệ mơi trường
Tính chất

Ngồi ra, thành phần hố chính của xỉ lị cao gồm các oxit CaO, MgO, SiO2
và Al2O3 với tổng hàm lượng là 90 – 95% nên dùng để thay thế xi măng là hoàn
toàn khả quan.

16


2.2 Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
Để xác định cấp phối bê tơng có thể thực hiện bằng 2 phương pháp

- Xác định cấp phối bê tơng bằng phương pháp tính toán kết hợp với thực
nghiệm.

- Xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tra bảng kết hợp với thực
nghiệm.
Nội dung phần thí nghiệm sẽ xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tra
bảng kết hợp với thực nghiệm.
2.2.1 Phương pháp tra bảng
Căn cứ vào điều kiện cơ bản về nguyên vật liệu, độ sụt và mác bê tông yêu
cầu ta sử dụng bảng tra để xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m3 bê tơng, sau
đó tiến hành kiểm tra bằng thực nghiệm theo vật liệu thực tế sẽ thi công trên công
trường và điều chỉnh để có cấp phối bê tơng phù hợp nhất.
Các bước thực hiện:

Bước 1: Tra bảng để xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông.
Căn cứ vào: Loại mác xi măng, Độ sụt, Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu (Dmax),
Mác bê tông. Tra bảng xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông . Sau khi
tra bảng tìm được thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông cần lập 3 thành phần định
hướng.
Thành phần 1 (thành phần cơ bản) như đã tra bảng .
Thành phần 2 là thành phần tăng 10% xi măng so với lượng xi măng ở thành
phần 1. Lượng nước như thành phần 1. Thành phần cốt liệu lớn và nhỏ cũng tính lại
theo lượng xi măng và lượng nước đã hiệu chỉnh.
Thành phần 3 là thành phần giảm 10% xi măng so với lượng xi măng ở thành
phần 1. Lượng nước như thành phần 1. Thành phần cốt liệu lớn và nhỏ cũng tính lại
theo lượng xi măng.
Chú ý: Khi tra bảng, cốt liệu biểu thị bằng m3 nhưng để bước kiểm tra
thực nghiệm được chính xác ta cần chuyển cách biểu thị từ thể tích sang khối lượng
(kg).

17