(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu trong xây dựng đường ôtô

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI


MAI HỒNG HÀ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THÉP KHU VỰC
BÀ RỊA – VŨNG TÀU TRONG XÂY DỰNG
ĐƯỜNG Ơ TƠ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, năm 2019


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI


MAI HỒNG HÀ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THÉP KHU VỰC
BÀ RỊA – VŨNG TÀU TRONG XÂY DỰNG
ĐƯỜNG Ơ TƠ

Ngành
: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số
: 9.58.02.05
Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng đường ơtơ và đường thành phố

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Lã Văn Chăm

Hà Nội, năm 2019


I

MỤC LỤC
TRANG
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... XI
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP VÀ SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG
ĐƯỜNG Ô TÔ ........................................................................................................ 4
Khái niệm về xỉ thép. ........................................................................................ 4
Quá trình hình thành xỉ thép ............................................................................. 5
Hiện trạng công nghệ ngành thép tại Việt Nam .............................................. 5
Quá trình hình thành xỉ thép từ lò điện hồ quang............................................ 5
Công nghệ xử lý xỉ thép .................................................................................... 7
Các kết qủa nghiên cứu về xỉ thép ở nước ngoài ............................................... 9
Tính chất hóa học .......................................................................................... 9
Tính chất cơ lý ............................................................................................. 14
Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm kết cấu móng đường ô tô ở nước ngoài 17
Các kết qủa nghiên cứu về xỉ thép ở trong nước.............................................. 23
Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết .................................................... 34
mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu..................................................... 34
Mục tiêu ...................................................................................................... 34
Nội dung ...................................................................................................... 34

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 36
Kết luận chương 1 .......................................................................................... 37
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................... 38
NGHIÊN CỨU CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ, HÓA CỦA XỈ THÉP SAU KHI TÁI CHẾ
.............................................................................................................................. 38
Phân tích, đánh giá thực trạng về xỉ thép tại các nhà máy sản xuất thép ở khu vực
Bà Rịa Vũng Tàu ................................................................................................... 38
Về tình hình sản xuất thép ở khu vực Bà Rịa Vũng Tàu ............................... 38
Các khó khăn trong việc xử lý chất thải rắn tạo ra từ các nhà máy sản xuất thép
ở khu vực Bà Rịa Vũng Tàu .................................................................................. 41


II
Những vấn đề tồn tại từ việc ứng xử, sử dụng xỉ thép . ................................ 42
Nghiên cứu về các đặc tính của xỉ thép tại các nhà máy sản xuất thép ở khu vực
bà rịa vũng tàu ....................................................................................................... 44
Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm ................ 44
Các chỉ tiêu của xỉ thép được nghiên cứu ..................................................... 46
Kết quả thí nghiệm....................................................................................... 47
Phân tích, đánh giá, nhận xét các kết quả thí nghiệm ...................................... 50
Phân tích thống kê kết quả thí nghiệm.......................................................... 50
Nhận xét kết quả thiết kế thí nghiệm ............................................................ 58
So sánh, đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép với cấp phối đá dăm làm móng
đường .................................................................................................................... 59
Nhận xét, đánh giá thành phần hóa học của xỉ thép ...................................... 61
Nhận xét, đánh giá về ảnh hưởng đến môi trường của xỉ thép ...................... 61
Kết luận chương 2 .......................................................................................... 62
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... 63
NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ
THUẬT XỈ THÉP GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG ĐƯỜNG Ô TÔ .................. 63

Nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng vật liệu xây dựng mặt đường .................. 63
Khái niệm chung về gia cố vật liệu .............................................................. 63
Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng ........................ 64
Cơ sở lý thuyết và tính toán thành phần phối hợp giữa các loại vật liệu. ...... 65
Vật liệu dùng trong các giải pháp gia cố ......................................................... 65
Xỉ thép: ........................................................................................................ 65
Xi măng: ...................................................................................................... 66
Nước:........................................................................................................... 66
Cát hạt mịn: ................................................................................................. 66
Đá mi: .......................................................................................................... 67
Phương pháp tính toán lựa chọn tỷ lệ phối trộn để cải thiện đường cấp phối hạt
của xỉ thép: ............................................................................................................ 68
Lựa chọn tỷ lệ phối hợp giữa xỉ thép và cát mịn ........................................... 68
Lựa chọn tỷ lệ phối hợp giữa xỉ thép và đá mi: ............................................ 70


III
Thực nghiệm trong phòng các giải pháp xỉ thép gia cố xi măng, xỉ thép phối trộn
cát mịn hoặc đá mi gia cố xi măng: ........................................................................ 71
Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm ................................................................. 71
Các thí nghiệm thực hiện trong phòng ......................................................... 72
Phân tích kết quả thí nghiệm xỉ thép gia cố xi măng..................................... 73
Phân tích kết quả thí nghiệm xỉ thép/cát mịn (tỷ lệ 80/20)+gia cố xi măng... 82
Phân tích kết quả thí nghiệm xỉ thép/ đá mi (tỷ lệ 70/30)+gia cố xi măng. ... 89
Phân tích, so sánh các giải pháp sử dụng xỉ thép gia cố xi măng .................. 95
Nhận xét, kết luận chương 3 ........................................................................... 99
CHƯƠNG 4 ....................................................................................................... 100
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG XỈ THÉP LÀM LỚP
MÓNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG XỈ THÉP
............................................................................................................................ 100

Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường đoạn đường thử nghiệm ...................... 100
Các thông tin chung về đoạn thử nghiệm ................................................... 100
Thiết kế đoạn thử nghiệm .......................................................................... 101
Thi công đoạn thử nghiệm ......................................................................... 103
Nội dung thí nghiệm kiểm tra đoạn thử ...................................................... 104
Kết quả thí nghiệm kiểm tra đoạn thử nghiệm ............................................ 105
Xử lý, đánh giá kết quả thí nghiệm kiểm tra đoạn thử nghiệm.................... 109
Đánh giá nhận xét ...................................................................................... 113
Đề xuất các kết cấu mặt đường sử dụng xỉ thép ............................................ 113
Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường....................................................... 114
Phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường .......................................................... 115
Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường .................................... 115
Thông số về vật liệu: .................................................................................. 116
Đề xuất các kết cấu mặt đường .................................................................. 122
Tính toán kết cấu mặt đường...................................................................... 126
Công nghệ thi công, khai thác kết cấu mặt đường sử dụng vật liệu xỉ thép . 129
Nhận xét, kết luận Chương 4 ........................................................................ 133


IV

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1 So sánh đá núi lửa và xỉ thép [58-63] ........................................................ 4
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi thép .......................................................... 5
Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang (EAF) [15] ......................... 6
Hình 1.4 Quy trình tái chế xỉ thép ............................................................................ 7

Hình 1.5 Sản phẩm xỉ thép với nhiều kích thước khác nhau ..................................... 7
Hình 1.6 Công nghệ xử lý xỉ thép ở Slovenia .......................................................... 8
Hình 1.7 Nhà máy tái chế xỉ thép lắp đặt đầu tiên tại Đài Loan [66] ........................ 8
Hình 1.8 Quy trình xử lý xỉ thép tại Nhật Bản ......................................................... 9
Hình 1.9 Nhà máy xử lý xỉ thép tại Thái Lan ........................................................... 9
Hình 1.10 Hình ảnh xỉ thép được quét từ kính hiển vi điện tử [67] ........................ 13
Hình 1.11 Các ứng dụng của xỉ thép ở Châu Âu [76] ............................................. 18
Hình 1.12 Mặt đường bê tông nhựa trên đường cao tốc Egnatia............................. 19
Hình 1.13 Độ ổn định động theo nhiệt độ .............................................................. 19
Hình 1.14 Cường độ chịu nén với các tỷ lệ phối trộn khác nhau [48] ..................... 20
Hình 1.15 Thi công mặt đường bê tông nhựa dùng cốt liệu xỉ thép ở đường cao tốc
Chonburi, Thái Lan ............................................................................................... 21
Hình 1.16 Dùng xỉ thép làm vật liệu cho lớp móng ở đường Caroni [51] ............... 22
Hình 1.17 Đường đua Indianapolis Motor Speedway sử dụng bê tông asphalt xỉ thép
.............................................................................................................................. 22
Hình 1.18 Một số công trình đường khác sử dụng xỉ thép ...................................... 22
Hình 1.19 So sánh cường độ chịu nén của BTN sử dụng xỉ thép và đá dăm làm cốt
liệu ........................................................................................................................ 30
Hình 1.20 Sơ đồ khung nghiên cứu của đề tài ........................................................ 36
Hình 2.1 Lấy mẫu tại nhà máy tái chế xỉ thép của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh . 44
Hình 2.2 Phân tích lựa chọn số mẫu cho 1 tổ mẫu ................................................. 45
Hình 2.3 Loại bỏ số liệu ngoại lai khối lượng riêng theo tiêu chuẩn Grubbs – ASTM
E178 ...................................................................................................................... 46


V
Hình 2.4 Biểu đồ tổng hợp thống kê Khối lượng riêng xỉ thép ............................... 52
Hình 2.5 Xác định dạng hàm phân bố Khối lượng riêng ....................................... 52
Hình 2.6 Biểu đồ xác định giá trị đặc trưng Khối lượng riêng xỉ thép .................... 53
Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn thành phần hạt phối hợp giữa xỉ thép và cát mịn ở các tỷ

lệ khác nhau .......................................................................................................... 69
Hình 3.2 Biểu đồ biểu diễn thành phần hạt phối hợp giữa xỉ thép và đá mi ở các tỷ lệ
khác nhau .............................................................................................................. 70
Hình 3.3 Mẫu xỉ thép gia cố tập kết để tiến hành bảo dưỡng .................................. 71
Hình 3.4 Thí nghiệm cường độ chịu nén ................................................................ 72
Hình 3.5 Thí nghiệm cường độ ép chẻ ................................................................... 72
Hình 3.6 Thí nghiệm mô đun đàn hồi .................................................................... 72
Hình 3.7 Biểu đồ phân tích điều kiện áp dụng phương pháp thống kê .................... 75
Hình 3.8 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng Rn ................................................. 76
Hình 3.9 Ảnh hưởng các yếu tố XM, Tuổi đến Rn ................................................. 77
Hình 3.10 Ảnh hưởng tương tác các yếu tố XMxTuổi đến Rn ............................... 78
Hình 3.11 Biểu đồ tổng hợp Rn của xỉ thép gia cố xi măng ................................... 78
Hình 3.12 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rech ................................................ 79
Hình 3.13 Biểu đồ tổng hợp Rech của xỉ thép gia cố xi măng ............................... 80
Hình 3.14 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến E ..................................................... 81
Hình 3.15 Biểu đồ tổng hợp E của xỉ thép gia cố xi măng...................................... 82
Hình 3.16 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rn ................................................... 84
Hình 3.17 Biểu đồ tổng hợp Rn của xỉ thép+cát mịn gia cố xi măng ...................... 85
Hình 3.18: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rech ............................................... 86
Hình 3.19 Biểu đồ tổng hợp Rech của xỉ thép+cát mịn gia cố xi măng ................. 87
Hình 3.20 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến E ..................................................... 87
Hình 3.21 Biểu đồ tổng hợp E của xỉ thép+cát mịn gia cố xi măng ........................ 88
Hình 3.22: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rn .................................................. 90
Hình 3.23 : Biểu đồ tổng hợp Rn của xỉ thép+đá mi gia cố xi măng ...................... 92
Hình 3.24: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rech ............................................... 93
Hình 3.25: Biểu đồ tổng hợp Rech của xỉ thép+đá mi gia cố xi măng .................... 93


VI
Hình 3.26 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến E .................................................... 94

Hình 3.27: Biểu đồ tổng hợp E của xỉ thép+đá mi gia cố xi măng......................... 95
Hình 3.28: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rn .................................................. 96
Hình 3.29: Biểu đồ tổng hợp Rn của XT, XC, XD gia cố xi măng ......................... 97
Hình 3.30: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến Rech ............................................... 97
Hình 3.31: Biểu đồ tổng hợp Rech của XT, XC, XD gia cố xi măng...................... 98
Hình 3.32: Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến E .................................................... 98
Hình 3.33: Biểu đồ tổng hợp E của XT, XC, XD gia cố xi măng ........................... 99
Hình 4.1 Hình ảnh QL 55, đoạn qua trung tâm hành chính tỉnh BRVT ................ 100
Hình 4.2: Kết cấu mặt đường QL55, trước khi thử nghiệm .................................. 101
Hình 4.3 Mặt đường QL 55 bị hư hỏng trước khi bóc bỏ để thử nghiệm .............. 101
Hình 4.4: Kết cấu áo đường loại 1 của đoạn thử nghiệm ...................................... 102
Hình 4.5: Kết cấu áo đường loại 2 của đoạn thử nghiệm ...................................... 102
Hình 4.6: Sơ đồ bố trí các loại kết cấu trên đoạn thử nghiệm ............................... 103
Hình 4.7 Thi công đọan đường thử nghiệm.......................................................... 104
Hình 4.8 Thí nghiệm kiểm tra đoạn đường thử nghiệm ........................................ 105
Hình 4.9: Biểu đồ độ chặt, 95% CI ...................................................................... 109
Hình 4.10: Biểu đồ kết quả độ chặt ...................................................................... 110
Hình 4.11: Phân tích sự phù hợp phân phối chuẩn ............................................... 110
Hình 4.12: Mô đun đàn hồi trên mặt nền và các lớp móng ................................... 111
Hình 4.13: Mô đun đàn hồi trên mặt đường BTN 10/2013 ................................... 111
Hình 4.14: Phân tích sự khác biệt 2-Sample t-Test E 10/2013.............................. 112
Hình 4.15: Mô đun đàn hồi trên mặt đường BTN 12/2018 ................................... 112
Hình 4.16: Phân tích sự khác biệt 2-Sample t-Test E 12/2018.............................. 113
Hình 4.17: Biểu đồ xác định hệ số lớp a3 của lớp móng dưới làm bằng vật liệu hạt,
theo các tham số cường độ: mô đun đàn hồi ESB và/ hoặc trị số CBR ................. 118
Hình 4.18: Biểu đồ xác định hệ số lớp a2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu gia cố
xi măng, theo các tham số cường độ: Mô đun đàn hồi EBS ................................... 120


VII

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học trung bình của xỉ thép tại Slovenia [44] .................. 10
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của xỉ thép Romania (đơn vị: %) [68]..................... 10
Bảng 1.3 Thành phần hoá học của các loại xỉ thép khác nhau ở Đức ..................... 11
Bảng 1.4 Thành phần hoá học của xỉ thép và đá Dolomite ở Croatia ..................... 11
Bảng 1.5 Thành phần hoá học của xỉ thép từ quá trình luyện thép cơ bản (BOF), lò
điện hồ quang (EAF) và xỉ lò cao (Ladle slag) ....................................................... 12
Bảng 1.6 Thành phần hóa học của xỉ thép Châu Âu [13] ....................................... 13
Bảng 1.7 Thành phần hoá học của các loại xỉ từ các nghiên cứu của các tác giả nước
ngoài [34-36, 72, 78, 81-86] .................................................................................. 13
Bảng 1.8 So sánh tính chất vật lý của xỉ thép với đá vôi tự nhiên........................... 15
Bảng 1.9 Khối lượng thể tích, khối lượng riêng của xỉ thép ở Croatia .................... 15
Bảng 1.10 So sánh tính chất vật lý của xỉ thép và cốt liệu tự nhiên ........................ 15
Bảng 1.11 Tính chất vật lý của đá vôi và xỉ thép ................................................... 16
Bảng 1.12 Tính chất cơ lý của xỉ thép và đá granite ở Ấn Độ [41] ......................... 16
Bảng 1.13 So sánh tính chất cơ lý của xỉ thép và đá granite, đá sỏi ở Đức ............. 16
Bảng 1.14 Thành phần hạt của cốt liệu xỉ thép....................................................... 17
Bảng 1.15 Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép làm cốt liệu lớn và nhỏ ở Hy Lạp............ 17
Bảng 1.16 Kết quả thí nghiệm cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi [48] ................ 20
Bảng 1.17 Bảng kết quả phân tích thành phần nguy hại của xỉ thép ....................... 24
Bảng 1.18: Cường độ chịu nén của mẫu BTXM thông thường và BTXM có sử dụng
phụ gia khoáng là xỉ thép ....................................................................................... 24
Bảng 1.19 Tính chất cơ lý của cốt liệu xỉ thép dùng để chế tạo bê tông xi măng .... 25
Bảng 1.20 Tổng hợp thành phần hoá học của xỉ và đá dăm ở khu vực phía Nam, %
[21]........................................................................................................................ 27

Bảng 1.21 Tính chất cơ lý của xỉ thép [21] ............................................................ 29
Bảng 1.22: Đặc tính của xỉ thép (Bảng 1 trong Quyết định số 430/QĐ-BXD, [11])
.............................................................................................................................. 31


VIII
Bảng 1.23 Ứng dụng chủ yếu của xỉ thép trong lĩnh vực vật liệu xây dựng (Trích
Bảng 5 trong Quyết định số 430/QĐ-BXD, [11]).................................................. 32
Bảng 1.24 Chỉ dẫn kỹ thuật (trích bảng 10 trong Quyết định số 430/QĐ-BXD, [11])
.............................................................................................................................. 33
Bảng 2.1 Thống kê các dự án sản xuất thép trên địa bàn BRVT ............................. 38
Bảng 2.2: Tổng hợp các nhà máy, dự án luyện phôi thép tại BRVT ....................... 40
Bảng 2.3 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và phương pháp thí nghiệm xỉ thép [3-5]
.............................................................................................................................. 47
Bảng 2.4 Bảng tổng hợp các thí nghiệm phân tích thành phần hóa học xỉ thép [1] . 47
Bảng 2.5: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép ............ 49
Bảng 2.6 Bảng tổng hợp kết quả phân tích thành phần hạt của xỉ thép ................... 50
Bảng 2.7 Kết quả phân tích thành phần hóa học của xỉ thép.................................. 50
Bảng 2.8 Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép ................................................... 59
Bảng 2.9 Tổng hợp thành phần hóa học của xỉ thép ............................................... 59
Bảng 2.10 So sánh các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và cấp phối đá dăm theo TCVN88592011 ...................................................................................................................... 60
Bảng 2.11 Tổng hợp so sánh các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép với CPĐD [23]............ 60
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB40 .................................................... 66
Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý và hoá học của cát mịn dùng để phối trộn với xỉ thép ....... 66
Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát mịn ................................................................... 67
Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của đá mi dùng để phối trộn với xỉ thép ............................ 67
Bảng 3.5 Thành phần hạt của đá mi ....................................................................... 68
Bảng 3.6 Bảng phân tích thành phần hạt phối hợp giữa xỉ thép và cát mịn ............. 69
Bảng 3.7 Bảng phân tích thành phần hạt phối hợp giữa xỉ thép và đá mi ............... 70
Bảng 3.8 Bảng kết quả thí nghiệm xỉ thép gia cố xi măng...................................... 73

Bảng 3.9 Bảng kết quả thí nghiệm xỉ thép+cát mịn gia cố xi măng ....................... 83
Bảng 3.10: Bảng kết quả thí nghiệm xỉ thép+đá mi gia cố xi măng........................ 89
Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm độ chặt nền cấp phối sỏi đỏ ................................... 106
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm độ chặt nền cấp phối đá dăm loại 1 ....................... 106
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm độ chặt nền cấp phối xỉ thép.................................. 106
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tại nền đất CPSĐ ......................... 107


IX
Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tại móng đường............................ 107
Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tại móng đường............................ 107
Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tại mặt đường BTN ...................... 107
Bảng 4.8: Kết quả đo mo đun đàn hồi trên mặt BTN đo năm 2018 ...................... 108
Bảng 4.9: Thông số tính toán lớp xỉ thép không gia cố ........................................ 117
Bảng 4.10: Yêu cầu đối với cường độ của CTB theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 ... 118
Bảng 4.11: Yêu cầu đối với cường độ của CTB theo tiêu chuẩn 22TCN 274-01 .. 119
Bảng 4.12: Thông số tính toán lớp vật liệu xỉ thép gia cố xi măng ....................... 121
Bảng 4.13 Bảng các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông xi măng làm
mặt đường ô tô [14] ............................................................................................. 121
Bảng 4.14 Bảng thành phần cấp phối BTXM cốt liệu xỉ thép làm mặt đường [18]
............................................................................................................................ 122
Bảng 4.15: Đặc tính cường độ của BTXM cốt liệu xỉ thép ................................... 122
Bảng 4.16: Kết cấu mặt đường cho đường giao thông nông thôn ......................... 123
Bảng 4.17: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô .................................................... 125
Bảng 4.18: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc ........................................ 126
Bảng 4.19: Tính toán kết cấu mặt đường ............................................................. 126
Bảng 4.20: Tính toán kết cấu mặt đường KC6 theo 22TCN 274-01 ..................... 128


X

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chũ viết
tắt
AASHTO

ABFS
ACI
ASTM
BOF
BQL
BTN
BTXM
E
EAF
GTVT
HĐTV
IF
KCN
NCS
QCVN
Rech
Rn
S3R
TCN
TCVN
TCXDVN
TNHH
Tp.HCM
XM

Tiếng Anh

Tiếng Việt

American Association of State Hiệp hội những người làm đường và vận
Highway and Transportation tải toàn nước Mỹ
Officials
Xỉ lò cao làm nguội chậm
ACI American Concrete Institute
Viện bê tông Mỹ
American Society for Testing and Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ
Materials
Basic Oxygen Furnace
Công nghệ lò thổi hay còn gọi là công
nghệ lò chuyển
Ban quản lý
Bê tông nhựa
Bê tông xi măng
Mô đun đàn hồi
Electric Arc Furnace
công nghệ lò điện hồ quang
Giao thông vận tải
Hội đồng thành viên
Induction Furnace
Công nghệ lò điện cảm ứng
Khu công nghiệp
Nghiên cứu sinh
Quy chuẩn Việt Nam
Cường độ chịu ép chẻ

Cường độ chịu nén
Stainless Steel Scrap Recovery
Công nghệ tách sắt trong xỉ
Tiêu chuẩn ngành
Tiêu chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
Trách nhiệm hữu hạn
Thành phố Hồ Chí Minh
Xi măng


XI

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải,
Nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực
Bà Rịa Vũng Tàu trong xây dựng đường ôtô”.
Để hoàn thành luận án này, NCS xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy
hướng dẫn khoa học là PGS.TS Lã Văn Chăm. Thầy đã tận tình chỉ bảo, định hướng
nghiên cứu ban đầu và trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, đã luôn nhiệt tình hỗ
trợ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm, xử lý và phân tích số liệu thực
nghiệm, cung cấp cho NCS các tài liệu khoa học liên quan để thực hiện đề tài nghiên
cứu.
NCS trân trọng cảm ơn các cơ quan: Khoa Công trình, Bộ môn Đường bộ,
Phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học Giao
thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh; Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ III;
Phòng Thí nghiệm Kiểm định Công trình – LAS XD313 đã tạo mọi điều kiện giúp
đỡ NCS thực hiện luân án.
Xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công trình đã động viên, nhiệt tình giúp

đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để NCS hoàn thành luận án này.
Trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, năm 2019
Nghiên cứu sinh

Mai Hồng Hà


XII

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác./.
Tác giả luận án

Mai Hồng Hà


-1-

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Theo quy hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đoạn 2007 – 2015, có xét
đến năm 2025, chỉ tính riêng khu vực phía Nam nếu các nhà máy thép cùng đi vào
hoạt động với công suất luyện thép từ 4 – 5 triệu tấn/ năm thì lượng xỉ thép được tạo
ra gần 1 triệu tấn/năm. Lượng xỉ thép hiện nay ở nước ta trung bình từ 0,5 - 1,0 triệu
tấn/ năm, riêng ở khu vực phía Nam (chủ yếu là tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu) khối lượng
xỉ thép do các nhà máy thép sản xuất thải ra ước tính khoảng 0,3 - 0,5 triệu tấn/năm
[13]. Nếu không có giải pháp tái sử dụng nguồn xỉ thép này thì việc bảo quản sẽ tốn

rất nhiều chi phí và lãng phí quỹ đất để lưu trữ.
Theo Quyết định số 12/2006/QĐ-BTNMT ngày 08/9/2006 của Bộ Tài nguyên
và Môi trường về danh mục các phế liệu được phép nhập khẩu có xỉ hạt nhỏ từ quá
trình luyện thép, không chứa chất phóng xạ, kim loại nặng, chất thải nguy hại (mục
20, Mã HS: 2618 00 00) để sử dụng làm vật liệu xây dựng, hạn chế khai thác tài
nguyên thiên nhiên; Quy định của Chính phủ tại Nghị định 59/2007/NĐ-CP ngày
09/4/2007 về quản lý chất thải rắn và Quyết định số 2149/QĐ-TTg ngày 17/12/2009
của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất
thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 cũng đã khẳng định “Nhà nước ưu
tiên, khuyến khích tái chế, tái sử dụng chất thải rắn thông thường, hạn chế chôn lấp”;
Quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28/4/2010 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê
duyệt chương trình phát triển vật liệu xây dựng không nung đến năm 2020 khẳng
định quan điểm “tận dụng tối đa phế thải của các ngành công nghiệp khác” để sản
xuất vật liệu xây dựng không nung; Quyết định số 798/QĐ-TTg ngày 25/5/2011 của
Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt chương trình đầu tư xử lý chất thải rắn giai đoạn
2011-2020. Trong đó cụ thể hóa mục tiêu tái chế chất thải rắn thông thường từ 20112015 là 70%; TCVN 6705:2009, phân loại chất thải rắn thông thường quy định xỉ
thép được xem là chất thải rắn công nghiệp thông thường (không nguy hại). Vì vậy,
xỉ thép được khuyến khích tái chế, tái sử dụng, góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm
tài nguyên.
Trong khi đó việc xây dựng đường ô tô là những công trình sử dụng nhiều vật
liệu nhưng các nguồn vật liệu thiên nhiên truyền thống thì ngày càng khan hiếm. Vì
vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu sử dụng xỉ thép khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu trong
xây dựng đường ôtô” là hết sức cần thiết.


-2-

2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu kinh nghiệm của các nước trên thế giới trong việc sử dụng xỉ thép
làm kết cấu áo đường ô tô;

Kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết, phân tích các kết quả thực nghiệm trong
phòng và hiện trường về xỉ thép tái chế từ các nhà máy sản xuất thép ở khu vực Bà
Rịa Vũng Tàu để làm kết cấu móng đường ô tô.
Trên cơ sở đó, đánh giá được khả năng sử dụng xỉ thép để thay thế đá dăm làm
các lớp móng và đề xuất các kết cấu áo đường sử dụng xỉ thép từ các nhà máy thép
khu vực Bà Rịa Vũng Tàu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý, các chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ công tác thiết kế,
thi công và nghiệm thu khi sử dụng xỉ thép tái chế từ các nhà máy sản xuất thép theo
công nghệ lò điện hồ quang ở khu vực Bà Rịa Vũng Tàu.
Nghiên cứu các giải pháp gia cố cải thiện chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép để phù hợp
với các yêu cầu vật liệu làm móng đường ô tô.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài:


Chứng minh bằng thực nghiệm có thể sử dụng xỉ thép từ các nhà máy
sản xuất thép ở khu vực Bà Rịa Vũng Tàu qua tái chế để sử dụng làm
cốt liệu cho các lớp móng đường ô tô;



Phân tích hiệu quả gia cố xi măng đối với 3 loại cấp phối xỉ thép, xỉ
thép+cát mịn và xỉ thép+đá mi. Kiến nghị tỷ lệ gia cố hợp lý nhất 4-6%
xi măng theo khối lượng hỗn hợp.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:


Xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép từ các nhà máy thép Bà

Rịa Vũng Tàu làm móng đường ô tô;



Đề xuất các kết cấu áo đường sử dụng xỉ thép từ các nhà máy thép Bà
Rịa Vũng Tàu;



Những kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú thêm
kiến thức về việc sử dụng xỉ thép ứng dụng trong làm móng đường ôtô
ở Việt Nam, là tài liệu tham khảo tốt khi nghiên cứu và giảng dạy về
vật liệu và kết cấu mặt đường.


-3-

5. Cấu trúc của đề tài:
Đề tài gồm: phần Mở đầu, 4 Chương và phần Kết luận và kiến nghị:


Phần Mở đầu;



Chương 1:Tổng quan về xỉ thép và sử dụng xỉ thép trong xây dựng
đường ô tô



Chương 2: nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý, hóa của xỉ thép sau khi tái chế



Chương 3: Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ
thuật xỉ thép gia cố xi măng làm móng đường ô tô



Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường sử dụng xỉ thép làm
lớp móng và đề xuất các kết cấu mặt đường ô tô sử dụng xỉ thép



Phần Kết luận và kiến nghị



Hướng nghiên cứu tiếp theo



Phụ lục


-4-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP VÀ SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

KHÁI NIỆM VỀ XỈ THÉP.
Xỉ thép được hình thành từ quá trình luyện thép, là một sản phẩm được tạo ra
trong thời gian tách thép nóng chảy từ các hợp chất trong lò luyện thép. Xỉ thép xuất
hiện như một chất lỏng nóng chảy tan ra và là một quá trình hòa tan phức tạp của
silicates và oxodes mà rắn lại khi làm mát. Quá trình hình thành xỉ thép giống như
phun trào nham thạch từ núi lửa, do đó các báo cáo khoa học nước ngoài gọi xỉ thép
là “nham thạch nhân tạo” (artificial magma [44]).
Trước đây, xỉ thép được xem như một chất thải rắn, hiện nay xỉ thép được xem
là “sản phẩm phụ, phi kim loại” của quá trình luyện thép [57].

Hình 1.1 So sánh đá núi lửa và xỉ thép [58-63]


-5-

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH XỈ THÉP
Hiện trạng công nghệ ngành thép tại Việt Nam
Sản phẩm thép là một trong những nguyên vật liệu chủ yếu, là lương thực của
nhiều ngành kinh tế trọng điểm như các ngành cơ khí, xây dựng, nên có vai trò quyết
định đến sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Có thể nói sắt thép xây
dựng được Việt Nam cũng như các nước phát triển coi là ngành kinh tế mũi nhọn
hàng đầu và được chú trọng đầu tư một cách mạnh mẽ.
Các công nghệ chính sản xuất phôi thép được thể hiện ở sơ đồ sau:

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất phôi thép
Trên thế giới, sản lượng thép được sản xuất bằng công nghệ lò chuyển (Basic
Oxygen Furnace - BOF) chiếm tới 70%, công nghệ lò điện hồ quang (Electric Arc
Furnace - EAF) chỉ chiếm gần 28%, một số ít còn lại (khoảng 2%) được luyện bằng
công nghệ lò điện cảm ứng (Induction Furnace - IF).
Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép như trên,

nhưng ngược lại với thế giới do điều kiện thiếu gang lỏng. Theo thống kê của Hiệp
Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có 4 lò luyện thép BOF (lò
thổi), trong đó có 2 lò công suất 25 tấn/mẻ và 2 lò công suất 35 tấn/mẻ, còn lại hầu
hết là các lò điện hồ quang (EAF) (34 lò, công suất 10-120 tấn/mẻ ) và lò IF (38 lò,
công suất 5-50 tấn/mẻ) [15]
Trong phạm vi đề tài, nghiên cứu về xỉ thép được tạo ra từ công nghệ luyện thép
lò điện hồ quang tại các nhà máy thép ở khu công nghiệp Phú Mỹ, Bà Rịa Vũng Tàu.
Quá trình hình thành xỉ thép từ lò điện hồ quang
Công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là
sắt, thép phế liệu để luyện thép. Để tách các tạp chất có trong thép phế liệu đầu vào,


-6-

sử dụng vôi và một số chất trợ dung đưa vào lò luyện, quá trình nóng chảy trên
1.600oC sẽ làm cho xỉ nổi lên trên, thép lỏng nằm ở lớp dưới. Xỉ được tháo ra khỏi
lò, được làm nguội và chuyển sang trạng thái rắn. Khi nguội, xỉ được đưa tới bãi chứa
và chuyển đến nhà máy xử lý và tái chế thành các sản phẩm có ích.

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang (EAF) [15]
Do đó, xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản
xuất thép trong lò điện hồ quang [64].
Theo Bộ Công thương và Trung tâm sản xuất sạch hơn Việt Nam [13], xỉ thép
là chất thải rắn chính của các nhà máy luyện thép (110-150 kg/tấn thép lỏng từ lò điện
hồ quang và 10-30 kg/tấn từ lò thùng tinh luyện), nó có thể được xem như một loại
đá nhân tạo, giống như đá tự nhiên, thành phần hoá học chủ yếu là CaO, FeO, SiO2
và các oxit khác như MgO, Al2O3, MnO. Xỉ thép có thể sử dụng để làm đường, san
lấp, sản xuất xi măng... Tuy nhiên, trước khi sử dụng xỉ thép phải được xử lý như
nghiền, sàng và phân loại kích thước.

-7-

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ XỈ THÉP
Theo các báo cáo nghiên cứu khoa học về xỉ thép lò điện hồ quang của Heribert
Motz Fehs [65], không có loại vật liệu nào có thành phần khoáng giống với lớp vỏ
trái đất nhất như xỉ thép. Do đó, sau khi tiến hành một số giải pháp kỹ thuật đẩy nhanh
quá trình lão hóa (ageing) xỉ thép như: kỹ thuật phun nước nóng ở nhiệt độ 100OC,
hấp hơi hoặc để ngoài trời tự nhiên, xỉ thép sẽ trở thành vật liệu có ích sử dụng cho
xây dựng, làm đường, xử lý chất thải, nông nghiệp,… và được xem là “đá nhân tạo”.

Hình 1.4 Quy trình tái chế xỉ thép
Sản phẩm xỉ thép sau khi được xử lý và phân loại được xem là đá nhân tạo với
nhiều kích thước khác nhau, phục vụ cho các mục đích khác nhau.

Hình 1.5 Sản phẩm xỉ thép với nhiều kích thước khác nhau
Nhiều nơi trên thế giới đã xây dựng công nghệ xử lí xỉ thép rất hiện đại để tái
chế và sử dụng xỉ thép.


-8-

Hình 1.6 Công nghệ xử lý xỉ thép ở Slovenia

Hình 1.7 Nhà máy tái chế xỉ thép lắp đặt đầu tiên tại Đài Loan [66]
Công nghệ S3R (Stainless Steel Scrap Recovery) chủ yếu tách sắt trong xỉ thép
có chứa nhiều sắt. Công ty S3R là một liên minh chiến lược của 3 công ty: RecCo
BV (Tư vấn tái chế) có trụ sở tại Hà Lan, có bí quyết chuyên môn về kỹ thuật và quản
lý việc thu hồi kim loại màu và kim loại màu từ xỉ; Công ty Hofung Technology, có
trụ sở tại Bắc Kinh, Trung Quốc là một chuyên gia trong việc liên kết các nhu cầu

của khách hàng Trung Quốc với các nhà cung cấp công nghệ và thiết bị chuyên dụng
bên ngoài Trung Quốc; và cuối cùng là công ty Evergoed NV (Hà Lan). [66].


-9-

Hình 1.8 Quy trình xử lý xỉ thép tại Nhật Bản

Hình 1.9 Nhà máy xử lý xỉ thép tại Thái Lan
Hình 1.9 là công nghệ xử lý xỉ thép tại Thái Lan. Đây là công nghệ hoàn chỉnh
để xử lý xỉ thép có nhiều sắt phế. Sử dụng điện năng, tự động hóa. Tạo ra được nhiều
kích cỡ hạt xỉ khác nhau theo yêu cầu mục đích khác nhau.
CÁC KẾT QỦA NGHIÊN CỨU VỀ XỈ THÉP Ở NƯỚC NGOÀI
Tính chất hóa học
1.4.1.1. Thành phần hoá học
Thành phần hóa học của xỉ thép ở các nước khác nhau có những nét tương đồng
nhưng cũng có những nét khác biệt do công nghệ luyện thép khác nhau.
Tahir Sofilić [67] đã tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm các đặc tính của xỉ
thép để đánh giá khả năng dùng xỉ thép để thay thế một phần hay toàn bột cốt liệu


- 10 -

trong bê tông nhựa, kết quả cho thấy xỉ thép hoàn toàn có thể thay thế cho cốt liệu tự
nhiên:
 Thành phần hoá học chủ yếu của xỉ thép bao gồm: CaO: 33.2%;
Fe2O3 : 29.64%; SiO2: 10.08%; MgO: 13.09%; Al 2O3: 1.66%; MnO:
6.18%; Na2O: 0.02% và K2O 0.06%.
 Xỉ không chứa thành phần có thể ảnh hưởng đến môi trường một
cách có hại, do đó nó có thể được xử lý tại khu xử lý chất thải không

nguy hại
 Hàm lượng các hạt nhân phóng xạ có trong xỉ thép nhỏ hơn giới hạn
tối đa cho phép
Theo nghiên cứu của Ana Mladenović [44] , xỉ thép có thành phần hóa học chủ
yếu gồm FexOy, CaO, SiO2 như Bảng 1.1:
Bảng 1.1 Thành phần hóa học trung bình của xỉ thép tại Slovenia [44]
Thứ tự
1
2
3
4
5
6
7

Thành phần
FeO
CaO
SiO2
Fe2O3
Al2O3
MgO
Khác

Tỷ lệ (%)
30-40
20-35
5-12
6-9
5-7

4-12
còn lại

Các kết quả về thành phần hoá học của xỉ thép cũng được nhắc đến trong nghiên
cứu của R. Alizadeh [68], thể hiện ở Bảng 1.2. Kết quả nghiên cứu cho thấy xỉ thép
không những thích hợp để làm cốt liệu cho bê tông thường mà còn có thể dùng cho
bê tông cường độ cao.
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của xỉ thép Romania (đơn vị: %) [68]
Thành phần
SiO2
Al2O3
Fe, FeO, Fe2O3
CaO
MgO
SO3
P2O5
MnO
K2O

Xỉ lò điện hồ quang
31-45
10-17
0.1-1
34-48
1-15
0.3
--0.1-1.4
0.6-1

Xỉ lò cao

10-19
1-3
15-30
40-52
5-10
--0.5-1
5-8
---

Xỉ thép của công ty Khuzestan
15.45
2.05
41.19
30.35
7.78
------0.08


- 11 Thành phần
Na2O
TiO2

Xỉ lò điện hồ quang
0.1-0.5
2-3

Xỉ lò cao
-----

Xỉ thép của công ty Khuzestan

0.42
0.68

Theo H. Motz [65], thành phần hoá học của xỉ thép của một số nhà máy ở Đức
có sự khác biệt nhỏ, thể hiện ở Bảng 1.3 sau:

Thành phần

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

MnO

P2O5

Fetổng

CaOtự do

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của các loại xỉ thép khác nhau ở Đức

Xỉ lò cao, thấp MgO

45–55

12–18

>3

>3

>5

<2

14-20

<10

Xỉ lò cao, cao MgO

42-50

12-15

<3

5-8

<5

<2

15-20

<10

30-40

12-17

4-7

4-8

<6

<1.5

18-28

<3

25-35

10-15

4-7

8-15

<6

<1.5

20-29

<3

Xỉ thép lò hồ quang
điện, thấp MgO
Xỉ thép lò hồ quang
điện, cao MgO

Theo Ivanka Netinger [69], đã so sánh thành phần hoá học của đá dolomite và
hai loại xỉ thép được tái chế từ hai bãi chôn lấp ở thị trấn Sisak và Split, Croatia, kết
quả thể hiện ở Bảng 1.4:
Bảng 1.4 Thành phần hoá học của xỉ thép và đá Dolomite ở Croatia
Thành phần

Đá dolomite

Xỉ thép từ Sisak

Xỉ thép từ Split

SiO2

0,49

17,08

14,24

CaO

31,78

24,98

31,52

Al2O3

0,1

5,4

7,6

Fe2O3

0,1

25,45

25,74

MgO

20,85

10,58

7,42

MnO

-

8,91

3,8

Na2O

0,01

0,12

0,13

K2O

0,01

0,13

0,08

SO32-

-

0,25

0,44

S2-

-

0,05

0,04

Trong nghiên cứu của Irem Zeynep Yildirim [70] ở Mỹ, thành phần hoá học của
xỉ thép được thống kê trong Bảng 1.5