Nghiên cứu sử dụng xỉ lõ cao nghiền mịn thay thế một phần xi măng trong sản xuất bê tông bột hoạt tính các tính chất vật lý và cơ học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

UBND TỈNH THANH HÓA

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC

LÊ CÔNG THỨC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LÕ CAO NGHIỀN MỊN THAY
THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG TRONG SẢN XUẤT BÊ TƠNG
BỘT HOẠT TÍNH- CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ:

XÂY DỰNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8580201

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Dũng

THANH HÓA, NĂM 2021
i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này không trùng lặp với các khóa luận, luận văn,
luận án và các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố.
Ngƣời cam đoan

Lê Công Thức

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới TS. Nguyễn Văn Dũng
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt
nhất giúp tơi trong suốt q trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn tới các thầy cơ bộ mơn Kỹ thuật Cơng
trình, các thầy cơ ở khoa Kỹ thuật Cơng nghệ, Phòng Sau Đại học, Trƣờng
Đại Hồng Đức đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi
cho tôi trong suốt thời gian qua.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè, anh, em và sự động viên,
tạo điều kiện của những ngƣời thân trong gia đình trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Thanh Hóa, tháng 6 năm 2021
Tác giả

Lê Cơng Thức

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................2
6. Cấu trúc luận văn ....................................................................................................3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................5
1.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng tro, xỉ nhiệt điện, luyện kim trên thế giới và tại
Việt Nam .....................................................................................................................5
1.1.1. Tình hình sử dụng tro, xỉ nhiệt điện và luyện kim của một số nƣớc trên thế
giới

.......................................................................................................................5

1.1.2. Tình hình sử dụng tro, xỉ nhiệt điện và luyện kim ở Việt Nam ........................6
1.2. Các nghiên cứu về xỉ lò cao, cát mịn, silica fume trong sản xuất bê tơng ...........8
1.2.1. Xỉ lị cao ............................................................................................................8
1.2.2 Cát mịn ...............................................................................................................9
1.2.3 Silica fume .......................................................................................................10
1.3. Các nghiên cứu về bê tơng bột hoạt tính ............................................................11
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .............................15
2.1. Vật liệu ...............................................................................................................15
2.1.1 Xi măng ............................................................................................................15
2.1.2 Cát ...................................................................................................................16
2.1.3 Xỉ lò cao ...........................................................................................................16
2.1.4 Silica fume .......................................................................................................17

iv

2.1.5 Phụ gia hóa dẻo ................................................................................................18
2.2. Thiết thế thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm ..................................................18
2.3. Tạo mẫu thí nghiệm ...........................................................................................19
2.4. Phƣơng pháp thí nghiệm ....................................................................................20
2.4.1. Độ chảy xịe của vữa bê tơng ..........................................................................20
2.4.2. Khối lƣợng đơn vị thể tích của bê tông tƣơi ...................................................22
2.4.3. Cƣờng độ chịu nén ..........................................................................................22
2.4.4. Độ hút nƣớc .....................................................................................................23
2.4.5. Vận tốc truyền xung siêu âm trong bê tông ....................................................24
2.4.6 Điện trở suất .....................................................................................................24
2.4.7. SEM.................................................................................................................25
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ...................................27
3.1. Các đặc tính của bê tơng tƣơi .............................................................................27
3.3. Cƣờng độ chịu nén .............................................................................................29
3.4. Vận tốc truyền xung siêu âm ..............................................................................31
3.5. Điện trở suất .......................................................................................................33
3.6. SEM ....................................................................................................................34
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................39

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục ký hiệu
M:

Mô đun độ lớn

o :

Khối lƣợng riêng

t :

Khối lƣợng thể tích khơ tự nhiên

tn :

Độ ẩm tự nhiên

:

Độ hút nƣớc

mk :

Khối lƣợng của khn hình trụ đƣờng kính 10cm, cao

20cm.

mm :

Khối lƣợng của mẫu

mo :

Khối lƣợng mẫu sau khi sấy khơ

m1 :

Khối lƣợng mẫu đã bảo hịa nƣớc

X:

Độ hút nƣớc của mẫu

2. Danh mục các chữ viết tắt
N:

Nƣớc

X:

Xi măng

SL:

Xỉ lị cao nghiền mịn

N/CKD

: Nƣớc/chất kết dính

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

ASTM

: Tiêu chuẩn của Mỹ

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Tính chất vật lý và hóa học của xi măng ........................................ 15
Bảng 2.2. Các thơng số kỹ thuật của xỉ lò cao nghiền mịn ............................. 16
Bảng 2.3. Thành phần hỗn hợp bê tông .......................................................... 19
Bảng 3.1. Các đặc tính của bê tơng tƣơi ......................................................... 27
Bảng 3.2 Độ hút nƣớc của các mẫu bê tông ................................................... 29
Bảng 3.3 Cƣờng độ chịu nén của các mẫu bê tông theo ngày tuổi (MPA) .... 29
Bảng 3.4 Vận tốc truyền xung siêu âm (m/s).................................................. 32
Bảng 3.5 Điện trở suất theo hàm lƣợng xỉ lò cao nghiền mịn ........................ 33

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Xỉ sinh ra trong q trình luyện thép ................................................. 9
Hình 2.1 Hình ảnh vi cấu trúc của xi măng .................................................... 16
Hình 2.2. Hình ảnh vi cấu trúc của xỉ lị cao nghiền mịn ............................... 17
Hình 2.3 Hình ảnh vi cấu trúc của silica fume ................................................ 18
Hình 2.4. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ................................................................ 20
Hình 2.5 Bàn dằn vữa xi măng quay tay ......................................................... 21
Hình 2.6. Thí nghiệm xác định độ chảy xịe ................................................... 22
Hình 2.7. Máy nén bê tơng .............................................................................. 23
Hình 2.8. Thí nghiệm xác định vận tốc truyền xung siêu âm trong bê tông... 24

Hình 2.9. Thiết bị đo điện trở suất .................................................................. 25
Hình 2.10. Thí nghiệm xác định khả năng truyền nhiệt của bê tơng .............. 26
Hình 3.1 Khối lƣợng bê tơng tƣơi theo hàm lƣợng xỉ lị cao nghiền mịn ...... 28
Hình 3.2 Độ hút nƣớc ...................................................................................... 29
Hình 3.3. Sự phát triển cƣờng độ nén của các mẫu bê tơng ........................... 30
Hình 3.4. Thí nghiệm cƣờng độ bê tơng ......................................................... 31
Hình 3.5. Vận tốc truyền xung siêu âm trong bê tông .................................... 32
Hình 3.6. Điện trở kháng của bê tơng theo hàm lƣợng xỉ lị cao nghiền mịn . 34
Hình 3.7. Hình ảnh vi cấu trúc của các mẫu bê tơng thí nghiệm .................... 37

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bê tơng bột hoạt tính là loại bê tơng sử dụng các loại vật liệu có hạt mịn và
có độ hoạt tính cao có thể tham gia các phản ứng hóa học trong q trình thủy
hóa. Chính vì vậy bê tơng bột hoạt tính có cƣờng độ chịu lực cao (thƣờng lớn
hơn 100 MPa) [17], có khả năng chống chống lại các tác động xấu từ mơi trƣờng
bên ngồi [13] và chống cháy [14], [18]. Để sản xuất bê tơng bột hoạt tính cần
phải sử dụng hàm lƣợng lớn xi măng và muội silic, dẫn tới giá thành cao, lƣợng
nhiệt sinh ra trong q trình phản ứng thủy hóa lớn, đồng thời làm cho độ co
ngót của bê tơng cao. Để hạn chế các nhƣợc điểm này, các nghiên cứu trƣớc đã
sử dụng tro bay [20], [23], xỉ thép [19], [20], [22], hoặc kết hợp cả tro bay và xỉ
thép [15], [21], [24] nhằm giảm hàm lƣợng xi măng trong thành phần cấp phối
của bê tông. Các vật liệu đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu ở trên đều phải
thông qua tuyển chọn và phải có chất lƣợng tốt nhƣ có độ hoạt tính và độ mịn
cao, lƣợng mất khi nung nhỏ, do vậy chi phí sản xuất thƣờng là khá cao.
Mặt khác, hàng năm có tới 500 † 600 triệu tấn tro xỉ nhiệt điện, xỉ luyện
kim đƣợc thải ra, chủng loại phế thải cũng rất đa dạng. Các loại phế thải này

thƣờng gây ô nhiễm môi trƣờng và việc xử chúng rất tốn kém, làm giảm hiệu
quả kinh tế. Do vậy, thay vì xử lý chúng, các nhà nghiên cứu đang tìm cách sử
dụng hiệu quả chúng trong việc tái chế thành các loại vật liệu xây dựng nhƣ bê
tông, gạch không nung. Trong vài năm tới, khi nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 2
có cơng suất gấp đơi nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 và đi vào hoạt động, lƣợng
tồn dƣ của xỉ lò cao sẽ là vấn đề lớn cần đƣợc giải quyết.
Trong khi đó, các cơng trình xây dựng tại Việt Nam nói chung và tại
Thanh Hóa nói riêng có u cầu cƣờng độ khơng q cao (nhỏ hơn 100 MPa),
do vậy để giảm chi phí trong sản xuất, nghiên cứu này đề xuất sử dụng các loại
vật liệu sẵn có tại địa phƣơng (xỉ lị cao nghiền mịn, cát tự nhiên) trong việc chế
1


tạo bê tơng bột hoạt tính.
Xuất phát từ những u cầu cấp thiết nhƣ vậy, đề tài: “Nghiên cứu sử
dụng xỉ lò cao nghiền mịn thay thế một phần xi măng trong sản xuất bê tơng
bột hoạt tính- các tính chất vật lý và cơ học” đƣợc đề xuất nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định đƣợc hàm lƣợng xỉ lị cao nghiền mịn thích hợp để thay thế xi
măng trong sản xuất bê tơng bột hoạt tính.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng: Bê tông bột hoạt tính.
- Phạm vi nghiên cứu: chế tạo bê tơng bột hoạt tính từ các vật liệu mịn sẵn
có ở địa phƣơng nhƣ: cát, xỉ lò cao, xi măng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tơng bột hoạt tính với 1 tỷ lệ nƣớc-chất
kết dính (N/CKD); sử dụng lần lƣợt 0%, 15%, 30%, 45% và 60% xỉ lò cao thay
thế xi măng (tổng cộng 5 hỗn hợp bê tông).
- Đúc mẫu, bảo dƣỡng mẫu: mỗi hỗn hợp bê tông đúc 36 mẫu để thực hiện
các thí nghiệm nhƣ bên dƣới (tổng cộng 180 mẫu bê tơng);

- Thí nghiệm xác định các thơng số kỹ thuật của bê tơng: khối lƣợng thể
tích, độ hút nƣớc, cƣờng độ nén, độ truyền xung siêu âm, độ kháng điện, SEM.
Các thí nghiệm khối lƣợng thể tích, độ hút nƣớc, độ kháng điện, SEM đƣợc tiến
hành khi mẫu ở 28 ngày tuổi. Thí nghiệm xác định cƣờng độ nén và độ truyền
xung siêu âm đƣợc tiến hành khi mẫu ở 3, 7, 14 và 28 ngày tuổi. Mỗi lần thí
nghiệm với 3 mẫu thử để lấy giá trị trung bình.
- Đánh giá kết quả thu đƣợc và đề xuất cấp phối hợp lý cho sản xuất.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế

2


thành phần cấp phối bê tơng bột hoạt tính, các nghiên cứu trƣớc liên quan đến
việc sử dụng xỉ lò cao trong sản xuất bê tơng bột hoạt tính.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu bê tông với các hàm lƣợng xỉ
lò cao thay thế xi măng khác nhau, thí nghiệm xác định các đặc tính kỹ thuật của
bê tơng bột hoạt tính.
- Phƣơng pháp thống kê tốn học: Tổng hợp và xử lý số liệu.
- Phƣơng pháp so sánh: So sánh các đặc tính kỹ thuật của các mẫu nghiên
cứu, từ đó đề xuất cấp phối hợp lý cho sản xuất.
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn đƣợc chia thành các chƣơng mục nhƣ sau:
Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu đề tài
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4. Nội dung nghiên cứu
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng tro, xỉ nhiệt điện, luyện kim trên thế
giới và tại Việt Nam
1.2. Các nghiên cứu về xỉ lò cao, cát mịn, silica fume trong sản xuất bê tông
1.3. Các nghiên cứu về bê tông bột hoạt tính
Chƣơng 2: Vật liệu và phƣơng pháp thí nghiệm
2.1. Vật liệu

3


2.2. Thiết thế thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm
2.3. Tạo mẫu thí nghiệm
2.4 Phƣơng pháp thí nghiệm
Chƣơng 3: Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.1. Các đặc tính của bê tông tƣơi
3.2. Độ hút nƣớc
3.3. Cƣờng độ chịu nén
3.4. Vận tốc truyền xung siêu âm
3.5. Điện trở suất
3.6. SEM
Kết luận và kiến nghị

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng tro, xỉ nhiệt điện, luyện kim trên thế
giới và tại Việt Nam
1.1.1. Tình hình sử dụng tro, xỉ nhiệt điện và luyện kim của một số nước trên

thế giới
Theo số liệu thống kê của Hội tro than Mỹ [10], năm 2014 lƣợng phế thải
nhiệt điện của nƣớc này là 130 triệu tấn. Trong đó lƣợng phế thải đƣợc tái chế
và sử dụng lên đến 62,5%. Ứng dụng lớn nhất là hoàn nguyên mỏ (16,2 triệu tấn
– 12%) và làm phụ gia khống cho bê tơng, vữa (14,2 triệu tấn – 12%).
Theo thống kê của Hiệp hội tro, xỉ Châu Âu [10], các loại phế thải này chủ
yếu đƣợc sử dụng làm vật liệu xây dựng. Tổng lƣợng sử dụng làm vật liệu xây
dựng vào năm 2004 chiếm khoảng 40%, tiếp đó là vật liệu đắp nền, gia cố nền
đất. Trong các ứng dụng làm phụ gia khống trong các ngành cơng nghiệp sản
xuất vật liệu xây dựng, tỷ trọng đƣợc phân bố cụ thể nhƣ sau:
- Nguyên liệu sản xuất xi măng: 26,9%
- Phụ gia cho xi măng hỗn hợp: 14,5%
- Phụ gia cho bê tông: 29,5%
- Chế tạo block bê tông: 5,8%
-Vật liệu làm đƣờng bê tông: 3,4%
- Vật liệu khác: 1%
Tại Nhật Bản [10] tro, xỉ thải ra trong năm 2007 là 11 triệu tấn. Trong đó
lƣợng phế thải đƣợc tái sử dụng khoảng 10 triệu tấn (chiếm hơn 90%), ứng dụng
chủ yếu là làm nguyên liệu cho sản xuất xi măng, phụ gia cho bê tông. Theo báo
cáo của Hiệp hội xi măng Nhật Bản [10], đến năm 2013, tổng lƣợng tro, xỉ đƣợc
sử dụng là 12,5 triệu tấn. Cụ thể là:
- Nguyên liệu sản xuất clanhke là 8,2 triệu tấn (chiếm 65,6%)
- Phụ gia cho xi măng là 0,1 triệu tấn (chiếm 0,8%)
- Phụ gia cho bê tông là 0,1 triệu tấn (chiếm 0,8%)

5


- Vật liệu gia cố là 0,5 triệu tấn (chiếm 4%)
- Vật liệu san lấp là 0,7 triệu tấn ( chiếm 5,6%)

- Vật liệu làm đƣờng là 0,2 triệu tấn (chiếm 1,6%)
- Vật liệu khác là 0,4 triệu tấn (chiếm 3,2%)
Tại Ấn Độ, theo báo cáo của các cơ quan chức năng [10] năm 2013 tổng
lƣợng phế thải ngành nhiệt điện và luyện kim là 165 triệu tấn. Trong đó tỷ lệ sử
dụng đƣợc là khoảng 62,5%. Cụ thể của các ứng dụng này là:
- Sản xuất xi măng là 41,33 triệu tấn (chiếm 41,18%)
- San lấp mặt bằng là 11,83 triệu tấn (chiếm 11,78%)
- Làm đƣờng giao thông và vật liệu đắp là 6,02 triệu tấn (chiếm 6%)
- Bê tông là 1,03 triệu tấn (chiếm 1%)
- Đắp đê là 10,93 triệu tấn (chiếm 10,89%)
- Hoàn nguyên mỏ là 10,34 triệu tấn (chiếm 10,3%)
- Gạch và ngói là 9,98 triệu tấn (chiếm 9,94%)
- Các mục đích khác 8,88%.
Tại Trung Quốc, theo báo có của Hiệp hội tro than Châu Á [10], năm 2012
Trung Quốc phát sinh 440 triệu tấn tro, xỉ. Lƣợng đƣợc tái sử dụng là 294
triệu tấn (chiếm khoảng 67%), chủ yếu dùng cho mục đích làm vật liệu xây
dựng và san lấp đƣờng, mặt bằng.
Còn tại Hàn Quốc, lƣợng tro, xỉ đƣợc tái sử dụng bằng 77% tổng lƣợng tro,
xỉ đƣợc thải ra hàng năm.
1.1.2. Tình hình sử dụng tro, xỉ nhiệt điện và luyện kim ở Việt Nam
Theo số liệu tổng hợp của Bộ Công Thƣơng, hiện cả nƣớc phát thải ra
tổng lƣợng tro, xỉ từ các nhà máy nhiệt điện khoảng 13 triệu tấn/năm, trong đó
tro bay chiếm từ 80% đến 85%. Lƣợng phát thải tập trung chủ yếu ở khu vực
miền Bắc, chiếm 65%, miền Trung chiếm 23% và miền Nam chiếm 12% tổng
lƣợng thải.

6


Trong số này, lƣợng tro xỉ phát thải từ 13 nhà máy nhiệt điện than thuộc

Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) là 8,57 triệu tấn, chiếm 64% tổng lƣợng
phát thải của cả nƣớc. Tập đồn Cơng nghiệp Than-Khống sản Việt Nam
(TKV) có 6 nhà máy với lƣợng tro, xỉ phát thải là 2,05 triệu tấn, chiếm 15%
tổng lƣợng phát thải và 1 nhà máy thuộc Tập đồn Dầu khí Việt Nam với 0,784
triệu tấn chiếm khoảng 6% tổng lƣợng tro xỉ phát thải. Cùng với đó là 5 nhà máy
của các chủ đầu tƣ BOT và các chủ đầu tƣ khác phát thải khoảng 2 triệu tấn,
chiếm 15% tổng lƣợng phát thải của cả nƣớc.
Tính đến cuối năm 2020, tổng lƣợng tro, xỉ nhiệt điện đã tiêu thụ trên cả
nƣớc khoảng 44,5 triệu tấn, tƣơng đƣơng với 42% tổng lƣợng phát thải qua các
năm. Trong đó, EVN tiêu thụ khoảng gần 23 triệu tấn, TKV tiêu thụ đƣợc
khoảng hơn 6 triệu tấn, PVN tiêu thụ đƣợc gần 1,5 triệu tấn. Các nhà máy BOT
và các chủ đầu tƣ khác tiêu thụ khoảng 4 triệu tấn.
Thực tế cho thấy tro, xỉ đƣợc sử dụng nhiều nhất là lĩnh vực làm phụ gia
khoáng cho xi măng, ƣớc khoảng 24 triệu tấn, chiếm 70%; sản xuất gạch đất sét
nung và gạch không nung ƣớc khoảng 4 triệu tấn, chiếm 12%; làm phụ gia cho
sản xuất bê tông tƣơi, bê tông cho các cơng trình thủy lợi, cơng trình giao thơng
(đƣờng bê tơng xi măng vùng nơng thơn) và cơng trình xây dựng dân dụng (kết
cấu móng khối lớn ít tỏa nhiệt) ƣớc khoảng 3 triệu tấn, chiếm 8%; và làm vật
liệu san lấp, đắp đƣờng giao thông các loại khoảng 3,5 triệu tấn, chiếm 9%.
Theo báo cáo Hiệp Hội Thép Việt Nam [26] sản lƣợng gang, thép và số
lƣợng xỉ gang, xỉ thép năm 2018 của Việt Nam nhƣ sau:
- Sản lƣợng gang lò cao (BF) là 8,13 triệu tấn và phát sinh lƣợng xỉ gang
BF khoảng 2,85 triệu tấn;
- Sản lƣợng thép thô năm 2018 là 15,12 triệu tấn, bao gồm:
+) 8,2 triệu tấn thép sản xuất trong lò chuyển (BOF) đã phát sinh lƣợng xỉ
thép BOF khoảng 1,23 triệu tấn;

7

+) 6,92 triệu tấn thép sản xuất theo công nghệ lò điện (EAF + IF) đã phát
sinh lƣợng xỉ thép khoảng 1,0 triệu tấn.
Tổng lƣợng xỉ gang và xỉ thép ngành Thép Việt Nam tạo ra trong giai đoạn
năm 2005-2010 chỉ dƣới 2 triệu tấn/năm, đến năm 2018 có 5 triệu tấn và số
lƣợng này sẽ tăng nhanh trong những năm tiếp theo. Dự báo đến năm 2020 số xỉ
gang và xỉ thép các loại sẽ là 7 triệu tấn, năm 2025 là 10 triệu tấn và đến 2030 là
15 triệu tấn.
1.2. Các nghiên cứu về xỉ lò cao, cát mịn, silica fume trong sản xuất bê tông
Bê tông là loại vật liệu xây dựng đƣợc sử dụng khá phổ biến và rộng rãi ở
Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới. Việc sử dụng xi măng Portland trong sản xuất
bê tơng làm gia tăng lƣợng khí CO2 vào khơng khí và là nguyên nhân gây ra
hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên. Chính vì vậy, ngày nay việc tìm ra các
loại vật liệu thay thế một phần xi măng trong sản xuất bê tông đang là hƣớng đi
cần thiết.
1.2.1. Xỉ lò cao
Xỉ là các sản phẩm phụ của q trình luyện kim. Ngành cơng nghiệp sản
xuất gang và thép tạo ra các loại xỉ khác nhau. Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của
quá trình sản xuất gang có hàm lƣợng SiO2 cao, do đó xỉ lị cao làm nguội
nhanh có cấu trúc vơ định hình và các tính chất puzolan (đá bazan). Do tính chất
đó có lợi cho xi măng, xỉ lò cao phát sinh mỗi năm đƣợc sử dụng hồn tồn cho
ngành cơng nghiệp xi măng và bê tơng. Ngƣợc lại với xỉ lị cao, xỉ luyện thép
tạo ra từ quá trình sản xuất và tinh luyện thép, hiện nay chƣa đƣợc sử dụng
nhiều trong thực tế.
Xỉ luyện gang, luyện thép tại Việt Nam qua khảo sát đánh giá cũng có đặc
tính kỹ thuật tƣơng đƣơng với các đặc tính của xỉ luyện gang, xỉ luyện thép trên
thế giới. Cấu trúc của xỉ luyện kim đen có thể khác nhau từ tinh thể đến vơ định
hình (thủy tinh) tùy thuộc vào thành phần hóa học và quá trình xử lý xỉ [26]:

8

- Thành phần hóa học chính của xỉ lị cao gồm có: ơxit silic, ơxit nhơm,
ơxit canxi và ơxit magiê - chiếm khoảng 95% tổng thành phần. Hàm lƣợng CaO,
SiO2, Al2O3, MgO, MnO và Fetổng trong xỉ lò cao tƣơng ứng dao động từ 30 45%, 25 - 45%, 8 - 22%, 3- 16%, 6 - 11% và < 2.
- Thành phần khống vật: Khống vật điển hình của xỉ cục lò cao bao gồm
các dung dịch rắn của các oxít canxi, silic, nhơm, magiê. Thành phần khống vật
của xỉ hạt là vơ định hình. - Khối lƣợng riêng: Xỉ cục trong khoảng 2,45 - 2,55
g/cm3 . Xỉ hạt trong khoảng 2,25 – 2,95 g/cm3 .
- Khối lƣợng thể tích xốp của xỉ cục với cấp hạt 0 † 20 mm trong khoảng
1100 † 1300 kg/m3, của xỉ hạt với cấp hạt 0 † 5mm trong khoảng 700 † 1300
kg/m3

Hình 1.1 Xỉ sinh ra trong quá trình luyện thép
1.2.2 Cát mịn
Cát mịn đƣợc phân bố rộng rãi trên toàn lãnh thổ Việt Nam. Tại miền
Bắc, cát mịn đƣợc phân bố chủ yếu tại vùng đồng bằng Bắc Bộ dọc theo các con
sơng lớn. Cát mịn Sơng Hồng có chất lƣợng tƣơng đối ổn định. Tại vùng Đồng
bằng sông Cửu Long, chỉ riêng con sông Mê Kông đã cung cấp một lƣợng cát

9


ƣớc tính lên đến 850 triệu m3 (chƣa kể lƣợng cát bồi đắp hàng năm), trong đó
Bến Tre (29,89%), Đồng Tháp (24,60%), Vĩnh Long (15,20%), Tiền Giang
(2,11%), Cà Mau (1,41%)… Tuy nhiên cát đạt yêu cầu dùng cho bê tông lại
khan hiếm.
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN7570:2006, phân chia cát dùng trong bê
tơng và vừa thành 2 nhóm: cát thơ có mơ đun độ lớn từ lớn hơn 2,0 đến 3,3 và
cát mịn có mo đun độ lớn từ 0,7 đến 1,0 chỉ đƣợc dùng để chế tạo bê tông tới
mác 200 (cấp B15), cát mịn có mơ đun độ lớn từ 1,0 đến 2,0 chỉ đƣợc dùng chế

tạo bê tông tới mác 300 (cấp B25).
Do trữ lƣợng cát thô (cát vàng) của nƣớc ta ít, phân bố khơng đồng đều ở
các vùng miền nên nhiều nơi phải nhập khẩu cát hoặc vận chuyển xa, giá thành
cao, thiếu sự chủ động về nguồn cát để chế tạo bê tông. Do đó việc nghiên cứu
sử dụng cát mịn để chế tạo bê tông là rất cần thiết, đáp ứng đƣợc nhu cầu tại các
địa phƣơng, giảm giá thành cơng trình.
1.2.3 Silica fume
Về việc nghiên cứu sử dụng silica fume trong sản xuất bê tơng ở Việt
Nam cũng đã có những cơng bố nhƣ Nguyễn Văn Chính và Đặng Cơng Thuận
[13] đã thực hiện thí nghiệm thay thế silica fume bởi xi măng từ 0, 5%, 10%,
20% . Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng silicafume làm giảm độ sụt của hỗn hợp
bê tơng. Ngồi ra silicafume cịn góp phần giảm khối lƣợng thể tích của bê tơng.
khi đó 5% silicafume làm tăng cƣờng độ chịu nén của bê tông là lớn nhất.
Bên cạnh đó, Nguyễn Nhƣ Quý và Vũ Hải Nam [7] đã đi theo hƣớng
nghiên cứu về ảnh hƣởng của Nano-Silica đến sự phát triển cƣờng độ, độ co
toàn phần và co nội sinh của bê tông cƣờng độ cao. Trong thực tế khi chế tạo bê
tông cƣờng độ cao thƣờng kết hợp với phụ gia khoáng siêu mịn Silica-fume
nhằm thúc đẩy sự phát triển cƣờng ở độ tuổi sớm. Tuy nhiên, khi tỷ lệ nƣớc-xi
măng thấp hơn 0,40 cũng nhƣ sự có mặt của Silica-fume thì co nội sinh tăng do
đó co tồn phần tăng, có khả năng gây nứt cho bê tông khi xuất hiện cản biến
10


dạng của lớp bê tơng cũ, nền đá hay chính bản thân bê tông. Nghiên cứu đƣợc
thực hiện bằng cách so sánh sự phát triển cƣờng độ, độ co toàn phần và co nội
sinh của bê tông cƣờng độ cao chỉ sử dụng xi măng Pclăng với bê tơng cƣờng
độ cao thay thế 5% xi măng bằng Silica-fume và bê tông cƣờng độ cao thay thế
0,5%,0,7% và 0,9% xi măng bằng Nano-Silica. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự
có mặt của Nano-Silica với các tỷ lệ thay thế sử dụng trong nghiên cứu có tác
dụng thúc đẩy tốc độ phát triển cƣờng độ của bê tông cƣờng độ cao, giảm co

tồn phần và co nội sinh của bê tơng cƣờng độ cao so với bê tông cƣờng độ cao
không chứa phụ gia siêu mịn và bê tông cƣờng độ cao chứa Silica-fume.
1.3. Các nghiên cứu về bê tông bột hoạt tính
Bê tơng bột hoạt tính là loại bê tơng sử dụng các loại vật liệu có hạt mịn
và có độ hoạt tính cao có thể tham gia các phản ứng hóa học trong q trình thủy
hóa. Các nghiên cứu trƣớc đây, vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông bột hoạt tính
thƣờng thì đều thơng qua tuyển chọn. Ngay cả cát sử dụng trong bê tơng bột
hoạt tính cũng phải đƣợc sàng qua rây sàng có đƣờng kính 0,15 mm để tuyển
chọn các hạt mịn. Vì vậy bê tơng bột hoạt tính thƣờng có cƣờng độ chịu lực cao
(lớn hơn 100 MPa) [17], có khả năng chống chống lại các tác động xấu từ mơi
trƣờng bên ngồi [13] và chống cháy [14], [18]. Tuy nhiên, để sản xuất bê tơng
bột hoạt tính cần phải sử dụng hàm lƣợng lớn xi măng và muội silic, dẫn tới giá
thành cao, lƣợng nhiệt sinh ra trong q trình phản ứng thủy hóa lớn làm cho độ
co ngót của bê tơng cao. Để hạn chế các nhƣợc điểm này, các nghiên cứu trƣớc
đã sử dụng tro bay [20], [23], xỉ thép [19], [20], [22], hoặc kết hợp cả tro bay và
xỉ thép [15], [21], [24] nhằm giảm hàm lƣợng xi măng trong thành phần cấp
phối của bê tông. Các vật liệu đƣợc sử dụng trên cũng phải thơng qua tuyển
chọn và có chất lƣợng tốt nhƣ phải có độ hoạt tính và độ mịn cao, lƣợng mất khi
nung nhỏ, do vậy chi phí sản xuất vẫn là vấn đề cần đƣợc quan tâm và giải
quyết.
Ở Việt Nam, bê tông cƣờng độ cao đã đƣợc nghiên cứu từ khá sớm. Trần

11


Đức Chung và cộng sự [4] đã sử dụng nguồn cát mịn để thay thế cho cát thô
trong chế tạo các sản phẩm bê tơng có tính thực tiễn và đem lại hiệu quả kinh tế
cao. Khi sử dụng làm cốt liệu nhỏ cho bê tông, cát mịn với tỷ diện tích bề mặt
lớn có thể làm tăng lƣợng nƣớc nhào trộn để đạt đƣợc tính cơng tác u cầu dẫn
tới tăng lƣợng dùng xi măng 5-15%, tùy theo mô đun độ lớn của cát. Ở Việt

Nam, cát mịn ít đƣợc sử dụng trong bê tông do lƣợng dùng xi măng yêu cầu
phải lớn hơn so với quy định đối với bê tơng cát thơ. Bài báo này trình bày một
số kết quả của một cơng trình nghiên cứu thực nghiệm về sử dụng cát mịn phối
hợp với hỗn hợp phụ gia khống hoạt tính xỉ lị cao - tro trấu để chế tạo bê tơng
tự lèn có cƣờng độ nén đạt ≥ 60MPa.
Ngô Văn Tuấn và cộng sự [11] đã bƣớc đầu nghiên cứu sử dụng phụ gia
khoáng thay thế một phần xi măng chế tạo bê tông cƣờng độ cao.Trong nghiên
cứu đã sử dụng một số phụ gia khống sẵn có ở Việt Nam nhƣ silica fume, tro
bay, tro xỉ, tro trấu, bột đá vôi, cũng nhƣ một số tổ hợp phụ gia này trong việc
chế tạo bê tông cƣờng độ cao. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại phụ gia khống
này nhóm tác giả vẫn đang sử dụng qua tuyển chọn, chƣa dùng các phụ gia
khống thơ.
Nguyễn Trọng Lâm và Mai Quế Anh [5] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp
tro bay và cát để sản xuất bê tơng khí chƣng áp là một giải pháp nhằm đa dạng
hóa nguồn ngun liệu cho sản xuất bê tơng khí, giảm ơ nhiễm mơi trƣờng cũng
nhƣ nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lƣợng của bê tông. Kết quả nghiên cứu
cho thấy, khi sử dụng tro bay làm tăng độ chảy của hỗn hợp vữa, giảm khối
lƣợng thể tích và tăng cƣờng độ nén của bê tơng. Trong đó, tỷ lệ kết hợp 70%
tro bay và 30% cát cho cƣờng độ nén cao nhất.
Văn Viết Thiên Ân và nhóm nghiên cứu [1], [2] đã nghiên cứu ảnh hƣởng
của silica fume kết nén có kích thƣớc hạt ban đầu khác nhau đến các tính chất
của bê tơng chất lƣợng cao nhƣ lƣợng dùng phụ gia siêu dẻo, sự phát triển
cƣờng độ nén và độ thấm ion clo. Các tính chất của bê tông sử dụng tro trấu

12


cũng đƣợc so sánh với các mẫu có chứa silica fume để đánh giá khả năng thay
thế silica fume bằng tro trấu trong bê tông chất lƣợng cao. Kết quả nghiên cứu
cho thấy khi nghiền mịn thêm silica fume kết nén nhằm tăng khả năng phân tán

trong bê tông sẽ làm tăng tính cơng tác, cải thiện cƣờng độ nén và khả năng
chống thấm ion clo của bê tông. Khi tro trấu và silica fume kết nén đƣợc nghiền
đến độ mịn tƣơng đƣơng nhau thì cho hỗn hợp bê tơng có tính cơng tác và
cƣờng độ nén cũng tƣơng đƣơng nhau. Sử dụng phụ gia khoáng silica fume hoặc
tro trấu nghiền mịn đã cải thiện rõ rệt các tính chất của hỗn hợp bê tông so với
mẫu đối chứng. Cùng với đó, nhóm nghiên cứu cũng đã đánh giá ảnh hƣởng của
hàm lƣợng tro bay và nano carbon đến các tính chất cơ lý cũng nhƣ co ngót và
khả năng kháng nứt theo phƣơng pháp vòng hạn chế (Ring-Test) của bê tông
chất lƣợng siêu cao. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng hàm lƣợng tro bay
thay thế xi măng thì tính cơng tác và co ngót của bê tơng sẽ đƣợc cải thiện. Tuy
nhiên, cƣờng độ nén ở tuổi 28 ngày và khả năng kháng nứt của bê tông đạt đƣợc
cao nhất ở 20% tro bay thay thế xi măng theo thể tích. Khi sử dụng nano carbon
thì cƣờng độ nén ở 28 ngày tuổi và khả năng kháng nứt của bê tông tăng lên
Lê Trung Thành và Nguyễn Công Thắng [9] đã nghiên cứu về ảnh hƣởng
của hàm lƣợng xỉ lò cao nghiền mịn, thu đƣợc từ thải phẩm của ngành công
nghiệp sản xuất gang thép và silica fume đến độ nhớt của hồ chất kết dính trong
bê tông chất lƣợng siêu cao. Kết quả nghiên cứu khẳng định xỉ lò cao đã làm
giảm độ nhớt của hồ chất kết dính so với mẫu đối chứng (0% xỉ lò cao). Hơn
nữa, sự tác dụng tƣơng hỗ giữa silica fume và xỉ lò cao đã tạo ra độ nhớt hợp lý
của hồ chất kết dính. Điều này giúp làm tăng tổng hàm lƣợng phụ gia khoáng để
thay thế lƣợng dùng xi măng trong bê tông cƣờng độ cao.
Nguyễn Duy Liêm và cộng sự [6] đã nghiên cứu dùng muội than đen và xỉ
lò cao nghiền mịn cải thiện khả năng tự cảm ứng của bê tơng tính năng cao trong
giai đoạn đàn hồi lẫn trong quá trình tăng cứng cơ học. Ba loại vữa bê tơng tính
năng cao sử dụng gồm: cấp phối đối chứng (M1), cấp phối dùng muội than đen

13


thay thế 1% khối lƣợng xi măng (M2), cấp phối dùng xỉ lò cao nghiền mịn thay

thế 25% khối lƣợng xi măng (M3). Ba cấp phối này đƣợc gia cƣờng cốt sợi thép
loại 2 đầu móc, hàm lƣợng nhƣ nhau 1,5% theo thể tích. So sánh với cấp phối
M1 dƣới sơ đồ kéo trực tiếp, kết quả thí nghiệm cho thấy cấp phối M2 và M3
đƣợc cải thiện đáng kể khả tự cảm biến cũng nhƣ cƣờng độ kéo.
Qua các nghiên cứu trên cho thấy, các nghiên cứu về bê tơng cƣờng độ
cao, siêu cao có nhiều hƣớng đi khác nhau, tùy theo mục tiêu nghiên cứu. Tuy
nhiên, các nghiên cứu đều chủ yếu sử dụng các phụ gia khoáng hạt mịn phải qua
tuyển chọn. Trong khi đó, xỉ lị cao và silica fume là phế thải công nghiệp hàng
năm thải ra một lƣợng rất lớn. Bên cạnh đó, cát tự nhiên là nguồn vật liệu sẵn
có, thƣờng đƣợc sử dụng trong sản xuất bê tông thông thƣờng hiện nay tại địa
phƣơng. Bên cạnh đó, các cơng trình xây dựng tại Việt Nam nói chung và tại
Thanh Hóa nói riêng có u cầu cƣờng độ khơng q cao (nhỏ hơn 100 MPa),
do vậy để giảm chi phí trong sản xuất, nghiên cứu này đề xuất sử dụng các loại
vật liệu sẵn có tại địa phƣơng (xỉ lị cao, silica fume, cát mịn tự nhiên) trong việc
chế tạo bê tông bột hoạt tính.

14


CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
2.1. Vật liệu
Xi măng, cát hạt mịn, Silica fume và xỉ lò cao là thành phần chính đƣợc
dùng để sản xuất bê tơng bột hoạt tính. Ngồi các thành phên trên, trong nghiên
cứu có sử dụng phụ gia hóa dẻo để giảm lƣợng nƣớc cần dùng.
2.1.1 Xi măng
Xi măng đóng vai trị là chất kết dính trong q trình thủy hóa để tạo nên
cƣờng độ của gạch không nung. Trên thị trƣờng hiện nay có nhiều loại xi măng
thƣơng phẩm. Trong nghiên cứu này xi măng đƣợc sử dụng là xi măng dân dụng
Nghi Sơn PC40, có khối lƣợng riêng là 3,12 tấn/m3. Thành phần hóa học và hình
ảnh SEM của xi măng đƣợc thể hiện trong Bảng 2.1 và Hình 2.1

Bảng 2.1. Tính chất vật lý và hóa học của xi măng
Tính chất vật lý

Thành phần hóa
học (% theo khối
lƣợng)

Xi măng
Khối lƣợng riêng (T/m3)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
K2 O
Khác
Khối lƣợng mất khi nung

15

3,12
21,23
5,50
4,90
61,02
2,97
1,47
0,49
2,01

0,41


Hình 2.1 Hình ảnh vi cấu trúc của xi măng
2.1.2 Cát
Cát sử dụng trong thí nghiệm là cát tự nhiên với mô đun độ lớn (M) 2,87,
khối lƣợng riêng (  o ) 2,63 T/m3, khối lƣợng thể tích khơ tự nhiên (  t ) 1,50
T/m3, độ ẩm tự nhiên ( tn ) 3,5%, độ hút nƣớc ( ) 0,42%.
2.1.3 Xỉ lò cao
Xỉ lò cao nghiền mịn đƣợc lấy từ nhà máy thép Hịa Phát có khối lƣợng
riêng của 2,85 tấn/m3. Lƣợng mất khơng nung 3,0%. Thí nghiệm phân tích thành
phần hóa học của chúng đƣợc trình bày nhƣ Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật của xỉ lị cao nghiền mịn
Loại
Tính chất vật lý
Thành phần hóa
học (% theo
khối lƣợng)

Xỉ lò cao nghiền mịn
Khối lƣợng
riêng (T/m3)

2,85

SiO2

38,0

Al2O3

13,1

Fe2O3

0,6

CaO

36,8

16


Loại

Xỉ lị cao nghiền mịn
MgO

5,8

SO3

1,4

K2 O

0,8

Na2O

0,1

Khối lƣợng mất
khi nung

3,0

Hình ảnh vi cấu trúc của xỉ lò cao nghiền mịn đƣợc thể hiện trên Hình 2.2.

Hình 2.2. Hình ảnh vi cấu trúc của xỉ lò cao nghiền mịn
2.1.4 Silica fume
Silica fume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO2 vơ định hình, thu đƣợc trong
quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang. Tỷ lệ SiO 2 trong silica
fume phụ thuộc vào loại hợp kim sản xuất. Silica fume trong nghiên cứu có các
thành phần hóa học chính nhƣ sau: 70,1%SiO2, 21,98%Al2O3, 1,02%Fe2O3,
0,44%CaO, 1,86%MgO,… Hình ảnh vi cấu trúc của Silica fume đƣợc thể hiện
trên Hình 2.3.

17