(Luận văn thạc sĩ) Ứng xử cấu kiện Bê tông cốt thép cốt liệu Xỉ Thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HỒNG VŨ

ỨNG XỬ CẤU KIỆN
BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU XỈ THÉP

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP - 60580208

S K C0 0 4 6 6 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


MỤC LỤC
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ................................ 9
1.1 Tổng quan........................................................................................................... 9
1.1.1 Nguồn gốc xỉ thép ...................................................................................... 9
1.1.2 Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép ............................................................... 10
1.1.2.1 Xỉ thép .................................................................................................. 10
1.1.2.2 Bê tông cốt liệu xỉ thép ........................................................................ 12
1.1.2.3 Cấu kiện xỉ thép ................................................................................... 15
1.1.3 Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép ...................................... 15
1.2 Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu................................................ 15
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................... 15
1.2.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................... 16
1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 16

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 17
1.2.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................. 18
CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG
BÊ TÔNG CỐT THÉP............................................................................................. 19
2.1 Mối tương quan giữa cốt liệu xỉ và cốt liệu thiên nhiên .................................. 19
2.1.1 Khái quát về xỉ thép ................................................................................. 19
2.1.2 Tính chất hố học của xỉ thép .................................................................. 20
2.1.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép ....................................................................... 22
2.1.4 Ưu điểm của xỉ thép ................................................................................. 23
2.1.5 Ứng dụng của xỉ thép ............................................................................... 23
2.1.6 Vai trò của xỉ thép .................................................................................... 24
2.2 Khả năng sử dụng xỉ trong bê tông .................................................................. 26
1


2.2.1 Một số kết quả nghiên cứu ....................................................................... 26
2.2.2 Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ......... 34
2.2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp .............................................................. 34
2.2.2.2 Các bước thực hiện: ............................................................................. 35
2.2.3 Bảng tra thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông thông thường ................... 38
2.2.4 So sánh bê tông xỉ và bê tông thường ...................................................... 40
2.3 Khả năng sử dụng bê tông xỉ cho các cấu kiện dầm ........................................ 40
2.4 Khả năng chịu lực của cấu kiện dầm ............................................................... 43
2.4.1 Các đặc trưng ký hiệu .............................................................................. 43
2.4.2 Tính tốn khả năng chịu lực của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn
thứ nhất (TCVN 5574:2012).................................................................... 44
2.4.3 Tính tốn độ võng của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ hai
(TCVN 5574:2012) .................................................................................. 45
2.4.4 Vết nứt...................................................................................................... 46
CHƯƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ........ 49

3.1 Nguyên liệu sử dụng ........................................................................................ 49
3.1.1 Cốt liệu xỉ thép ......................................................................................... 49
3.1.2 Cốt liệu lớn (đá dăm) ............................................................................... 51
3.1.3 Cốt liệu mịn (cát vàng) ............................................................................ 53
3.1.4 Nước ......................................................................................................... 54
3.1.5 Xi măng .................................................................................................... 55
3.2 Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép .......................................... 56
3.3 Thí nghiệm cấu kiện dầm ................................................................................. 57
3.3.1 Mục đích thí nghiệm ................................................................................ 57
3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm ........................................................... 57
2


3.3.2.1 Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gage (cảm biến điện trở dây).......... 58
3.3.2.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement
Transducer) .......................................................................................... 58
3.3.2.3 Máy uốn cấu kiện ................................................................................. 59
3.3.2.4 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger) ............................ 60
3.3.3 Cơng tác chuẩn bị..................................................................................... 61
3.3.4 Trình tự thí nghiệm .................................................................................. 61
3.3.5 Kiểm tra mẫu thử ..................................................................................... 63
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG CẤU
KIỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP .................................................................................. 65
4.1 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 65
4.1.1 Kết quả nén mẫu bê tông ......................................................................... 65
4.1.2 Kết quả uốn cấu kiện dầm bê tông cốt thép ............................................. 67
4.1.2.1 Biến dạng ............................................................................................. 69
4.1.2.2 Chuyển vị giữa dầm ............................................................................. 77
4.2 So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết ...................................................... 84
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO................. 85

5.1 Kết luận và đánh giá......................................................................................... 85
5.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................................. 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 89

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) ........................................... 21
Bảng 2. So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vôi tự nhiên và đá bazan ............ 23
Bảng 3. Ứng dụng từ xỉ thép (Nguồn : Euroslag 2006) ....................................... 24
Bảng 4. Khối lượng cần thiết cho 1m3 bê tông xỉ ................................................ 26
Bảng 5. Cường độ tại 28 ngày tuổi của bê tông xỉ thép ....................................... 26
Bảng 6. Cường độ chịu nén tại 28, 90, 180 và 360 ngày tuổi.............................. 26
Bảng 7. Cấp phối sử dụng trong thí nghiệm ........................................................ 28
Bảng 8. Thành phần hoá học của xỉ sắt................................................................ 30
Bảng 9. So sánh các tính chất của đá dăm và xỉ sắt ............................................ 30
Bảng 10. Cấp phối bê tông cốt liệu xỉ sắt ............................................................ 30
Bảng 11. Những tính chất của bê tơng dùng cốt liệu xỉ ....................................... 31
Bảng 12. Độ bền của bê tông dùng cốt liệu xỉ ..................................................... 31
Bảng 13. Kết quả so sánh bê tông sử dụng 60% đá dăm và bê tông sử dụng cốt
liệu xỉ lần lượt 45%, 50%, 55%, 60% và 65% ..................................................... 32
Bảng 14. Cấp phối bê tông mác 500, 600, 700 dùng cốt liệu là xỉ sắt................. 32
Bảng 15. Thành phần cỡ hạt của xỉ trong bê tông asphalt .................................. 33
Bảng 16. Mẻ trộn bê tông nén .............................................................................. 36
Bảng 17. Bảng tra cấp phối 1 ............................................................................... 38
Bảng 18. Bảng tra cấp phối 2 ............................................................................... 39
Bảng 19. Bảng tra cấp phối 3 ............................................................................... 39
Bảng 20. Bảng tra cấp phối 4 ............................................................................... 39
Bảng 21. Bảng tra cấp phối 5 ............................................................................... 40

Bảng 22. Bảng cấp phối và đặc trưng mẫu thử .................................................... 41
Bảng 23. Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN ............................... 50
4


Bảng 24. Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép .......................................................... 51
Bảng 25. Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng ......................................................... 52
Bảng 26. Các chi tiêu cơ lý của cát sử dụng ....................................................... 54
Bảng 27. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng sử dụng ................................................ 55
Bảng 30. Bảng cấp phối thay thế xỉ cho đá tự nhiên (1m3) ................................. 56
Bảng 31. Kết quả chịu nén của mẫu..................................................................... 65
Bảng 32. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết ......................................................... 84

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Cơng trình cổ đại ....................................................................................... 9
Hình 2. Xỉ thép ..................................................................................................... 11
Hình 3. Xỉ thép nghiền thay thế cốt liệu mịn ...................................................... 13
Hình 4. Gạch xỉ thép ............................................................................................ 13
Hình 5. Quy trình sản xuất thép lị điện hồ quang ............................................... 20
Hình 6. Thành phần khống trong xỉ thép ........................................................... 22
Hình 7. Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính (Nguồn : Euroslag 2006)..... 24
Hình 8. Quy trình tái chế xỉ thành sản phẩm có ích (Euroslag 2006).................. 25
Hình 9. Cường độ chịu nén tại 28 , 90, 180, 360 ngày với các tỉ số N/CKD khác
nhau ...................................................................................................................... 27
Hình 10. Cường độ nén theo thời gian ................................................................. 28
Hình 11. So sánh cường độ nén tại 28 ngày ........................................................ 29
Hình 12. Độ giãn nở của vữa xi măng cát và xỉ................................................... 29

Hình13. Đường cong cấp phối cùa cốt liệu xỉ sắt cho bê tông xi măng theo
ASTM C33 ........................................................................................................... 32
Hình 14. Mơ hình tính tốn .................................................................................. 41
Hình 15. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng .............................................. 41
Hình 16. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị ..................................................... 42
Hình 17. Quan hệ giữa moment và vết nứt .......................................................... 42
Hình 18. Quan hệ giữa moment và độ cong ........................................................ 43
Hình 19. Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất ......................................................... 44
Hình 20. Vết nứt do ứng suất pháp ...................................................................... 46
Hình 21. Xỉ thép thay cốt liệu thơ tự nhiên .......................................................... 50
Hình 22. Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép sử dụng ......................................... 51
6


Hình 23. Đá dăm .................................................................................................. 52
Hình 24. Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng ................................................ 53
Hình 25. Cát vàng ................................................................................................ 53
Hình 26. Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng ...................................................... 54
Hình 27. Xi măng ................................................................................................. 55
Hình 28. Strain gauge ........................................................................................... 58
Hình 29. Thiết bị đo chuyển vị ............................................................................ 59
Hình 30. Máy uốn cấu kiện .................................................................................. 60
Hình 31. Máy ghi số liệu thực nghiệm................................................................. 60
Hình 32. Gia cơng cốt thép và ván khn ............................................................ 61
Hình 33. Q trình trộn bê tơng ........................................................................... 62
Hình 34. Cơng tác đầm dùi .................................................................................. 62
Hình 35. Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm.................................. 63
Hình 36. Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 300 mm ........................................... 63
Hình 37. Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm ........................................................ 64
Hình 38. Thiết kế dầm tính tốn........................................................................... 64

Hình 39. Vị trí Strain gauge và LVDT................................................................. 64
Hình 40. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm ....................................................... 67
Hình 41. Tải trọng phá hoại các mẫu dầm thí nghiệm ......................................... 68
Hình 42. Quan hệ lực và biến dạng CPĐ1 ........................................................... 69
Hình 43. Mẫu Đ1-1 xuất hiện vết nứt .................................................................. 70
Hình 44. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt Đ1-1 ..................................................... 70
Hình 45. Mẫu Đ1-1 bị phá huỷ hồn tồn............................................................ 71
Hình 46. Mẫu Đ1-2 xuất hiện vết nứt .................................................................. 71
Hình 47. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt Đ1-2 ..................................................... 71
7


Hình 48. Mẫu Đ1-2 bị phá huỷ ........................................................................... 71
Hình 49. Quan hệ lực và biến dạng CPX1 ........................................................... 72
Hình 50. Mẫu X1-1 xuất hiện vết nứt .................................................................. 73
Hình 51. Mẫu X1-1 bị phá huỷ hồn tồn .......................................................... 73
Hình 52. Mẫu X1-2 xuất hiện vết nứt .................................................................. 74
Hình 53. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt X1-2 ..................................................... 74
Hình 54. Mẫu X1-2 bị phá huỷ hồn tồn............................................................ 74
Hình 55. Quan hệ lực và biến dạng CPX2 ........................................................... 75
Hình 56. Quan hệ lực và biến dạng của CPX1 và CPX2 .................................... 76
Hình 57. Quan hệ lực và biến dạng của CPĐ1 và CPX1 .................................... 76
Hình 58. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ1 vị trí giữa dầm............................ 77
Hình 59. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ2 vị trí giữa dầm............................ 78
Hình 60. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ1, CPĐ2 và CPĐ3 vị trí giữa dầm 79
Hình 61. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX1 vị trí giữa dầm............................ 79
Hình 62. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX2 vị trí giữa dầm............................ 80
Hình 63. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX1 và CPX2 vị trí giữa dầm ............ 81
Hình 64. Quan hệ giữa lực và chuyển vị CPĐ1 và CPX1 vị trí giữa dầm .......... 82
Hình 65. Quan hệ giữa lực và chuyển vị CPĐ2 và CPX2 vị trí giữa dầm .......... 83

Hình 66. Phần mềm Abaqus................................................................................. 87
1

8


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan
1.1.1 Nguồn gốc xỉ thép
Thép và xỉ thép đã được sử dụng từ rất lâu đời. Theo hiệp hội Xỉ thép
Châu Âu (Euroslag, 2006), người đầu tiên là Aristotle - Nhà Triết học, khoa học
Hy Lạp cổ đại đã ứng dụng xỉ thép cho các mục đích xây dựng, y tế vào năm 350
trước cơng ngun.

Hình 1. Cơng trình cổ đại

Cách đây hơn 2.000 năm, đế chế La Mã đã sử dụng xỉ thép (từ các lị rèn
binh khí) để xây dựng các con đường của thành Rome, thậm chí đấu trường
Colosseum danh tiếng cũng được xây dựng từ một phần vật liệu có nguồn gốc từ
xỉ thép.
Theo dịng chảy của thời gian, xỉ thép đã được bắt đầu ứng dụng rộng rãi
hơn ở những thế kỷ tiếp theo như: đúc đạn cho súng thần công ở Đức (1589),
9


làm bến cảng ở Anh (1652), sản xuất sợi và bông từ xỉ ở xứ Wales (1840), sản
xuất xi măng xỉ ở Đức (1852), làm bê tông xỉ cốt thép ở Đức và Châu Âu (1892),
gạch không nung từ xỉ và đá vôi ở Nhật (1901).
Ngày nay, tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép

không được xem là chất thải nếu xỉ đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt
buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp.
Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các
cơng trình dân dụng, công nghiệp, phát triển giao thông, hạ tầng kỹ thuật, sản
xuất nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải.
1.1.2 Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép
Tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được
xem là chất phế thải nếu xỉ đã qua quá trình xử lý phù hợp để tái chế, tái sử dụng
lại. Các sản phẩm xỉ thép 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 sẽ được sử dụng thay thế vật liệu tự nhiên. Khảo sát một số đề
tài nghiên cứu về xỉ thép.
1.1.2.1 Xỉ thép
Chen Meizhu Error! Reference source not found. 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 Error! Reference source not found. sử dụng thử nghiệm xỉ
hạt hạt lò cao thay cốt liệu mịn trong bê tông. Nghiên cứu kết luận rằng tỉ lệ

10


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.

Hình 2. Xỉ thép

Juan M. Manso Error! Reference source not found. thực hiện cơng việc
trong phịng thí nghiệm, nghiên cứu sản xuất bê tông chất lượng tốt bằng cách

oxy hoá xỉ EAF (Electric Arc Furnace) thay cho các cốt liệu mịn và thơ. Bê tơng
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 Error! Reference source not found. 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 Error! Reference source not found. 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

11


tương tác lẫn nhau khi trộn hỗn hợp các phụ gia khống với bột xỉ thép và bột xỉ
lị cao trong bê tông.
Jigar P.Patel [6] 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 5075% cốt liệu xỉ thép cho cốt tự nhiên sẽ không gây hại cho bê tơng và cũng
khơng có bất kỳ tác dụng phụ về cường độ và độ bền.
1.1.2.2 Bê tông cốt liệu xỉ thép
Lun Yunxia, Xu Fang [7]. 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.
L. Zeghichi Error! Reference source not found.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

12


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 [9] Error! Reference source not found.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 thép.

Hình 3. Xỉ thép nghiền thay thế cốt liệu mịn

Sean Monkman [10] Error! Reference source not found.kiểm tra khả
năng sử dụng xỉ LF (Laddle Furnace) bão hồ thay cốt liệu mịn trong bê tơng. Xỉ
được xử lý với CO2 để giảm hàm lượng vôi tự do khi liên kết khí CO2 trong
cacbonat rắn. Xỉ LF bão hoà được sử dụng như cốt liệu mịn khi độ sụt bằng 0
của những mẫu vữa rắn chịu nén.
Cường độ của những mẫu vữa 28 ngày tuổi sử dụng xỉ cát bão hồ có thể
so sánh với cường độ vữa cát sơng. Xỉ LF bão hồ phù hợp để sử dụng như một
cốt liệu nhỏ. Một lượng đáng kể carbon riêng biệt có thể được nhận ra ở dạng

tiềm năng hữu ích khi sử dụng một loại vật liệu xỉ thải. Vữa bão hoà sử dụng cát
xỉ LF cho lợi ích về mặt hấp thu CO2.

13


Hình 4. Gạch xỉ thép

Tarun R Naik [11] Error! Reference source not found.nghiên cứu ứng
dụng vật liệu sản phẩm phụ lị đúc trong sản xuất bê tơng và gạch. Cường độ nén
của bê tông giảm nhẹ do sự thay thế của cốt liệu thô thường với xỉ đúc, tuy nhiên
cường độ này thích hợp dùng cho bê tơng kết cấu.
Nguyễn Văn Chánh [12] 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 mơi 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 [14] đã nghiên cứu thuộc tính cơ lý và các thành phần
khoáng của xỉ thép. Sau đó sử dụng chúng thay thế 100% cốt liệu thơ 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.

14

Trong thí nghiệm của tác giả, cốt liệu thơ chiếm một khối lượng lớn trong
bê tông, khối lượng cốt liệu thơ chiếm đóng có thể khác nhau từ 50% đến 70%.
Xỉ thép đã được sử dụng thay cốt liệu thô tự nhiên với khối lượng lớn như
thay thế khoáng andesit, đá bazan và đá vôi trong sản xuất bê tông. Kết quả là
cốt liệu xỉ làm cho các tính chất cơ học của bê tông tốt hơn về cường độ chịu
kéo, chịu uốn và mô đun đàn hồi so với bê tông cốt liệu tự nhiên.
1.1.2.3 Cấu kiện xỉ thép
T.Vijaya Gowri [13] Error! Reference source not found.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.
Sang Woo Kim [15] nghiên cứu đánh giá ứng xử dầm bê tông chịu uốn cốt
liệu xỉ thép. Tác giả dùng xỉ thép thay thế lần lượt các cốt liệu mịn (cát tự nhiên )
và cốt liệu thô (đá tự nhiên ) cho những dầm bê tông cốt thép đơn giản nhằm
xem xét các biến dạng, chuyển vị, mơ măng vết nứt, ….
1.1.3 Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép
Dựa trên những cơ sở ứng dụng xỉ thép ở Việt Nam cũng như trên thế
giới, việc xử lý xỉ thép khá phức tạp do chúng đều bắt đầu từ nguyên tắc làm
giảm kích thước, tuyển từ để tách thép phế liệu còn lẫn trong xỉ và sàng phân
loại để thu được các sản phẩm hạt xỉ có kích thước khác nhau dùng cho nhiều
mục đích sử dụng khác nhau, nó địi hỏi cơng nghệ xử lý, tái chế xỉ thép phải đạt
trình độ cao, hiện đại.
Ở Việt Nam, việc sử dụng xỉ làm cốt liệu cho bê tông để đạt đến cường độ
chịu nén 80 MPa như tiến sĩ Trần Văn Miền thực hiện cũng đòi hỏi tỉ số giữa

15


nước và chất kết dính khá cao (khoảng 0.33; 0.36; 0.39), rất khó để tiến hành thí
nghiệm [14] .

1.2 Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những phát minh lớn nhất trong kỹ thuật xây dựng ở thế kỷ 20
là bê tông cốt thép, một loại vật liệu khá thơng dụng và phổ biến. Sản phẩm của
nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện chịu lực của các
cơng trình xây dựng. Tuy nhiên, theo xu hướng phát triển thời đại, việc sử dụng
các thành phần cốt liệu của bê tông phần nào làm ảnh hưởng đến môi trường
sống, làm cạn kiệt các nguồn tài ngun quốc gia.
Trước tình trạng đó, việc phát triển, sản xuất và sử dụng vật liệu xanh
ngày càng được đánh giá cao. Và Xỉ, một phế phẩm trong ngành công nghiệp
sản xuất thép đã và đang được nghiên cứu để có thể thay thế các thành phần cốt
liệu trong bê tông. Sử dụng Xỉ phần nào giảm bớt việc chôn lấp tốn kém, vừa tiết
kiệm quỹ đất, tránh lãng phí nguồn tài ngun, ơ nhiễm…
Do vậy việc: “Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong nhiều ngành công
nghiệp khác nhau nói chung và trong xây dựng nói riêng” của chuyên đề này là
cần thiết và đúng hướng.
1.2.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng xỉ thép tái chế thay thế cho cốt liệu
lớn tự nhiên (đá dăm) nhằm phân tích, đánh giá tính chất, khả năng ứng xử của
xỉ thép trong bê tông so với cốt liệu đá tự nhiên truyền thống.
Trình bày các kết quả nghiên cứu giữa thực nghiệm kết hợp với lý thuyết
tính tốn. Đưa ra những kết luận, đánh giá chính xác về vật liệu xỉ tái chế, từ đó

16


đề xuất, kiến nghị sử dụng rộng rãi nguồn vật liệu này theo tiêu chí phát triển
bền vững cho ngành xây dựng ở Việt nam.
Tuy nhiên, để có được những kết luận sâu sắc hơn về vấn đề này, cần có
những nghiên cứu tiếp theo cả về lý thuyết và thực nghiệm.

1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu xỉ thép tái chế bao gồm các
thành phần hạt, tính chất của xỉ thép tái chế, độ bền nén của bê tông xỉ, ứng xử
của cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép thay thế.
Phạm vi nghiên cứu
- Lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép ứng dụng trong bê tông xỉ.
- Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến cấp phối bê tông.
- Ứng dụng xỉ thép tái chế cho bê tông xỉ và cấu kiện xỉ trong điều kiện
thực tế ở Việt Nam.
- Ứng xử và cường độ của dầm bê tông xỉ thép dưới tác dụng của tải
trọng tác động (khả năng chịu uốn, hình dạng vết nứt, hình dạng phá
hủy…).
- So sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính tốn theo tiêu chuẩn áp
dụng đối với cấu kiện tương tự áp dụng vật liệu thông thường.
1.2.4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thay thế hồn tồn xỉ thép cho cốt liệu thơ tự nhiên dựa trên
các phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam.
- Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 và TCVN 7572
: 2006.
- Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử bê tông hạt thô chất
lượng cao theo TCVN 3105: 1993.
17


- Xác định độ sụt của bê tông theo TCVN 3106 : 1993.
- Xác định khối lượng thể tích cốt liệu theo TCVN 3108 : 1993.
- Xác định độ mài mịn của bê tơng theo TCVN 3114 : 1993.
- Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993.
- Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tơng theo TCVN 3119 : 1993.
Đề tài trình bày các ứng xử của cấu kiện dầm bê tông xỉ thép theo các tiêu

chuẩn hiện hành trong nước và trên thế giới. Bên cạnh đó, đề tài cịn sử dụng các
biện pháp thực nghiệm để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của cấu
kiện như nguồn nguyên vật liệu trong nước, các điều kiện bảo dưỡng và thí
nghiệm.
Kết hợp giữa các kết quả tính tốn lý thuyết và so sánh với các kết quả
thực nghiệm. Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế, ứng dụng cấu kiện bê tông
xỉ vào sản xuất công nghiệp ở Việt Nam.
1.2.5 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.
- Khả năng ứng dụng xỉ trong bê tông so với bê tông cốt liệu tự nhiên.
- Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê
tơng xỉ và cấu kiện bê tông xỉ đặc biệt là các tính chất của loại bê tơng
này khi có thêm chất phụ gia, cốt liệu sợi…
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và sản xuất các
thành phần cốt liệu phục vụ trong các lĩnh vực khác nhau. Các kết quả nghiên
cứu cũng có thể làm 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.

18


2

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ
TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 Mối tương quan giữa cốt liệu xỉ và cốt liệu thiên nhiên
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 1.200oC thì
mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hồn tồn.
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
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 lị điện hồ quang. Ở Việt Nam,
phần lớn thép được sản xuất bằng cơng nghệ lị điện hồ quang – đúc liên tục.

19


Hình 5. Quy trình sản xuất thép lị điện hồ quang

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 Fe xOy,
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.

20


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 1. Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %)
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

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

--

Thành phần khoáng chất của xỉ EAF bao gồm:
- W: Wustite (FeO);
- CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S);
- B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);
- M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7);
- P: khe rỗng;
- Và thép (phần mầu trắng).
21


Hình 6. Thành phần khống trong xỉ thép

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).
Ngoài 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;
- Độ xốp: 31 - 45%;
- Độ dẫn điện: 3,7 mS/cm.

22


Bảng 2. So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vơi tự nhiên và đá bazan
Tính chất

Xỉ thép

Đá vôi sau khi nghiền

Bazalt

Trọng lượng riêng ( kg / m3 )

3.33

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 (%)

2.5

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

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;
- 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.
2.1.5 Ứng dụng của xỉ thép
Hơn 100 năm qua, tại Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản, xỉ thép được sử dụng rộng

rãi vào nhiều mục đích xây dựng các cơng trình dân dụng và công nghiệp, phát
triển giao thông, nông nghiệp, công nghiệp xử lý chất thải,…

23


Hình 7. Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính (Nguồn : Euroslag 2006)

Tại Việt Nam, xỉ thép được xem là chất thải rắn công nghiệp thông thường
và được nhà nước khuyến khích tái chế, tái sử dụng, hạn chế chôn lấp.
Bảng 3. Ứng dụng từ xỉ thép (Nguồn : Euroslag 2006)
Tính chất
Độ cứng và chịu mài mịn cao
Chịu được sự giản nở cao và độ ẩm thấp
Cấu trúc tổ ong, hút nước tốt
Chịu được sự ma sát cao
Thành phần hoá học chứa nhiều khoáng
chất CS, C4F, CA
Thành phần hố học chứa FeO, Cao, SiO2
và MgO
Thành phần có độ pH cao, gốc vơi và có
cấu trúc tổ ong, chứa nhiều khống chất

Ứng dụng
Làm cốt liệu cho bê tơng asphalt, làm đường, nền
nhà xưởng, làm gạch block, tấm đan….
Làm vật liệu trải đường giao thông đường tàu
Làm bê tông asphalt rỗng tạo ra những con
đường chất lượng cao, an toàn và giảm tiếng ồn
Có thể thay thế cát, xỉ đồng để làm vật liệu làm

sạch bề mặt kim loại
Phụ gia xi măng
Làm phân bón và cải tạo những vùng đất xấu
(nhiễm phèn, độ chua cao,...)
Làm vật liệu đa năng xử lý nước thải, khí thải,
bảo vệ mơi trường

2.1.6 Vai trị của xỉ thép
Xỉ lị 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 lò điện có thể sử dụng để

24