Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THÀNH THÁI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO
SỬ DỤNG CỐT LIỆU XỈ THÉP

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - ThHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Miền

Chữ ký:…………..

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Bùi Phương Trinh

Chữ ký:…………..

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Trọng Phước

Chữ ký:…………..

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 07 tháng 01 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Nguyễn Ninh Thụy
2. TS. Bùi Phương Trinh
3. TS. Huỳnh Trọng Phước
4. TS. Bùi Đức Vinh
5. TS. Phan Hữu Duy Quốc

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thành Thái

MSHV: 1770389

Ngày, tháng, năm sinh: 14/01/1988

Nơi sinh: Hà Nội

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng có liên quan đến việc sử
dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông;
2. Nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài;
3. Nghiên cứu các tính chất của nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông cường độ
cao sử dụng xỉ thép;
4. Thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu cát, đá và cốt liệu xỉ
thép tại cường độ 60MPa và 70MPa;
5. Khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tơng và bê tơng cường độ cao: độ sụt, khối
lượng thế tích, độ hút nước, thể tích lỗ rỗng, sự phát triển cường độ của bê tông
dùng cốt liệu xỉ thép trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau, ảnh hưởng của xỉ
thép đến độ co ngót của bê tơng;
6. Kết luận và kiến nghị của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. TRẦN VĂN MIỀN
Tp. HCM, ngày 14 tháng 01 năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. Trần Văn Miền

PGS.TS. Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa
Kỹ thuật xây dựng - Trường Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, em đã hồn thành đề
tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép”.
Với tình cảm chân thành em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến Ban giám hiệu, Khoa kỹ
thuật xây dựng và các thầy cô trong bộ môn Vật liệu Xây dựng, bơ mơn đã tận tình
giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trần Văn Miền đã tận
tình giúp đỡ, hướng dẫn, hiệu chỉnh và hồn thiện đồ án này.
Trong q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi được những
thiếu sót, mong nhận được những lời góp ý, nhận xét từ các thầy cơ để đồ án được
hồn chỉnh hơn.

Tp. HCM, ngày 14 tháng 01 năm 2020
Học viên

NGUYỄN THÀNH THÁI

i


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thành Thái
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Thái

ii


TÓM TẮT
Xỉ thép là sản phẩm phụ của chế biến thép. Xỉ thép được nghiền thành các kích
cỡ như cốt liệu thô và mịn được sử dụng cho bê tông. Có một số nghiên cứu cho thấy
cốt liệu xỉ thép làm cho các tính chất cơ học của bê tơng về độ bền nén, độ bền kéo và
độ uốn và mô đun đàn hồi cao hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Vì thế, xỉ
thép rất phù hợp để chế tạo bê tơng có cường độ cao. Ngồi ra, xỉ thép có độ xốp lớn
hơn cốt liệu tự nhiên nên ngậm nước sẽ tốt hơn. Xỉ thép ngậm nước khi trộn vào bê
tông sẽ cung cấp một lượng nước trong q trình hydrat hóa của xi măng nên sẽ nâng
cao được hiệu quả sử dụng của bê tơng.
Nghiên cứu này mục đích là thay thế xỉ thép cho cốt liệu tự nhiên để chế tạo bê
tông có cường độ chịu nén 60MPa và 70MPa. Thơng qua đó, nghiên cứu các tính chất
của hỗn hợp bê tơng và bê tông cường độ cao cốt liệu xỉ thép, so sánh hiệu quả cường
độ của bê tông xỉ thép trong các điều kiện dưỡng hộ. Nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh
hưởng của cốt liệu xỉ thép đến độ co ngót của bê tơng. Kết quả cho thấy bê tơng cường
độ cao cốt liệu xỉ thép có độ hút nước nhỏ, có khối lượng thể tích lớn hơn bê tơng cốt
liệu tự nhiên thơng thường. Thêm vào đó, cường độ chịu nén của bê tông sử dụng xỉ
thép trong điều kiện để khơ ngồi khơng khí tương đương khi dưỡng hộ trong điều
kiện tiêu chuẩn (ngâm trong nước). Tiềm năng gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu xỉ

thép thấp hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên thông thường.

iii


ABSTRACT
Steel slag is a by-product of steel processing. Steel slag is ground into sizes as
coarse aggregates and fine aggregates used for concrete. There are some researches
showing that: in compressive strength, tensile strength and flexural and elastic
modulus, the mechanical characteristic of concrete using steel slag aggregates is higher
than concrete using natural aggregate. Therefore, steel slag is suitable for making high
strength concrete. In addition, steel slag has greater porosity than the natural coarse
aggregate, so steel slag hydrated will be better. Steel slag hydrated when mixed into
the concrete will provide an amount of water in the process of hydration of cement, it
should raise high efficiency of concrete.
The purpose of this study is to replace steel slag for natural aggregate to make
concrete 60MPa and 70MPa in compressive strength. Thereby, the study indicates the
properties of fresh concrete and high strength concrete using steel slag. The study
compares the effects of compressive strength of concrete steel slag in the conditions of
curing. This study shows the influence of steel slag on shrinkage of concrete. The
results showed that high strength concrete using steel slag has small water absorption,
with a greater bulk density than ordinary concrete using natural aggregate. Besides, the
compressive strength of concrete using steel slag in the conditions of laboratory dried
air is equivalent to that of concrete using steel slag when curing in standard conditions
(soaked in water). The potential for cracking of concrete using aggregate steel slag is
lower than that of concrete using conventional natural aggregate.

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii
ABSTRACT ...................................................................................................................iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................... xii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tên luận văn.............................................................................................................1
2. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
3. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................1
4. Nội dung nghiên cứu................................................................................................1
5. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................2
5.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................2
5.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................2
6. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn.....................................................................................2
8. Kết quả đạt được ......................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4
1.1. Giới thiệu về xỉ thép [1] ........................................................................................4
1.1.1. Quá trình hình thành.......................................................................................4
1.1.2. Đặc điểm [1] ...................................................................................................6
1.1.3. Phân loại .........................................................................................................6
1.1.4. Thành phần hóa của xỉ thép EAF [8] .............................................................7
1.1.5. Thành phần khoáng của xỉ thép EAF [8] .......................................................7
1.2. Ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng [8].............................................................7
1.3. Tình hình nghiên cứu bê tơng xỉ thép trên thế giới [5][8] ....................................9
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................11

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ...............................................................................15
2.1. Nguyên tắc chế tạo bê tông cường độ cao [7] ....................................................15
v


2.2. Cấu trúc của bê tông cường độ cao [7] ...............................................................15
2.2.1 Cấu trúc của hồ xi măng ...............................................................................16
2.2.2. Cấu trúc của cốt liệu bê tông cường độ cao [7] ...........................................18
2.2.3. Cấu trúc vùng chuyển tiếp hồ xi măng - cốt liệu [7] ...................................18
2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng và tính chất cốt liệu đến tính chất của bê tơng cường
độ cao [8] ...................................................................................................................19
2.4. Đặc điểm và tính chất của bê tông cường độ cao [7] .........................................22
2.4.1. Đặc điểm của bê tơng cường độ cao ............................................................22
2.4.2. Tính chất của bê tơng cường độ cao ............................................................22
2.4.3. Các ưu điểm của bê tông cường độ cao .......................................................24
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............25
3.1. Nghiên cứu lựa chọn vật liệu ..............................................................................25
3.1.1. Xi măng ........................................................................................................25
3.1.2. Phụ gia hóa học ............................................................................................26
3.1.3. Cốt liệu nhỏ ..................................................................................................26
3.1.4. Cốt liệu lớn ...................................................................................................30
3.1.5. Nước .............................................................................................................34
3.2. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................35
3.2.1. Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông ........................................................35
3.2.2. Các phương pháp tiêu chuẩn xác định tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng 38
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu các tính chất cơ lý của bê tông cường độ cao cốt
liệu xỉ thép ..............................................................................................................40
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................................52
4.1. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ lưu động của bê tông cường độ cao ..................52
4.2. Ảnh hưởng của xỉ thép đến khối lượng thể tích của bê tơng cường độ cao .......53

4.3. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ hút nước và thể tích lỗ rỗng hở của bê tơng
cường độ cao ..............................................................................................................54
4.4. Ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ bê tông cường độ cao trong điều kiện bảo
dưỡng khác nhau ........................................................................................................55
4.5. Ảnh hưởng của xỉ thép đến Mô-đun đàn hồi của bê tông cường độ cao ............58
4.6. Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tơng cường độ cao .....................59
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................67
vi


5.1. Kết luận ...............................................................................................................67
5.2. Kiến nghị.............................................................................................................67
DANH MỤC THAM GIA CÁC BÀI BÁO, TẠP CHÍ ................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................70
PHỤ LỤC 1: CÁC KẾT QUẢ TRONG NGHIÊN CỨU .............................................73
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...........................................................................................82

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thành phần cấp phối trong nghiên cứu [1] ...................................................12
Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của xi măng Pooclăng PC40 - Hà Tiên ................................25
Bảng 3.2. Thành phần hóa của xi măng PC40, % .........................................................25
Bảng 3.3. Các tính năng của phụ gia .............................................................................26
Bảng 3.4. Chỉ tiêu kỹ thuật của cát vàng .......................................................................26
Bảng 3.5. Thành phần hạt của cát vàng .........................................................................27
Bảng 3.6. Chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ mịn ..........................................................................28
Bảng 3.7. Thành phần hạt của xỉ mịn ............................................................................29
Bảng 3.8. Thành phần hóa của xỉ thép mịn, % ..............................................................29

Bảng 3.9. Các chỉ tiêu chất lượng của Đá Tân Cang.....................................................30
Bảng 3.10. Thành phần hạt của đá ................................................................................31
Bảng 3.11. Các chỉ tiêu chất lượng của xỉ thép thô .......................................................32
Bảng 3.12. Thành phần hạt của xỉ thép thô ...................................................................33
Bảng 3.13. Thành phần hóa của xỉ thép thơ, % .............................................................33
Bảng 3.14. Các chỉ tiêu kỹ thuật của nước ....................................................................34
Bảng 3.15. Thể tích cốt liệu thô với Dmax cốt liệu theo ACI 211-4R-93 ....................35
Bảng 3.16. Lượng nước nhào trộn ứng với độ sụt và Dmax cốt liệu theo ACI 211.4R-93
............................................................................................................................36
Bảng 3.17. Giá trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất có phụ
gia siêu dẻo theo 22TCN 276:2001 ....................................................................36
Bảng 3.18. Thành phần cấp phối bê tông cường độ cao cốt liệu xỉ thép ......................38
Bảng 4.1. Đánh giá tiềm năng gây nứt của các cấp phối bê tông..................................62
Bảng 4.2. Kết quả tính tốn biến dạng co ngót bê tơng bằng phương pháp vịng thép
hạn chế ................................................................................................................63
Bảng 4.3. Kết quả tính tốn biến dạng co ngót theo tiêu chuẩn ACI 209R-92 .............65
Bảng P.1. Kết quả đo độ sụt của hỗn hợp bê tơng, cm ..................................................73
Bảng P.2. Khối lượng thể tích của mẫu bê tông cấp phối CP-60 ..................................73
Bảng P.3. Khối lượng thể tích của mẫu bê tơng cấp phối CP-70 ..................................74
Bảng P.4. Độ hút nước và thể tích lỗ rỗng của bê tông cường độ cao ..........................74
Bảng P.5. Tốc độ phát triển cường độ nén của các mẫu bê tông CP-60, MPa .............75
viii


Bảng P.6. Tốc độ phát triển cường độ nén của các mẫu bê tông CP-70, MPa .............75
Bảng P.7. Mô-đun đàn hồi của BTCĐC tại 28 ngày tuổi ..............................................76
Bảng P.8. Biến dạng của vịng thép trong thí nghiệm co ngót hạn chế.........................76

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bãi xỉ của Cơng ty TNHH Vật liệu xanh ........................................................4
Hình 1.2. Quy trình sản xuất xỉ thép lị điện hồ quang [33] ............................................5
Hình 1.3. Hình dạng và kích thước lỗ rỗng bê trong cốt liệu xỉ thép [1] ........................6
Hình 1.4. Một số cơng trình ứng dụng xỉ thép làm đường giao thơng [8] ......................8
Hình 1.5. Ứng dụng của xỉ thép làm cơng trình dân dụng [8].........................................9
Hình 1.6. Sự thay đổi cường độ chịu nén của bê tông khi thay đổi hàm lượng xỉ thép
thay thế cốt liệu trong bê tơng [5] ......................................................................10
Hình 1.7. Kết quả cường độ nén và cường độ kéo khi uốn [32] ...................................11
Hình 1.8. Các kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu [1] ................................................13
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống hạt xi măng - Hạt siêu mịn [7] .............................................18
Hình 2.2. Cường độ bê tơng khi có cốt liệu hạt thoi, dẹt [8] .........................................21
Hình 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát vàng .............................................................27
Hình 3.2. Cát vàng sơng Dinh .......................................................................................28
Hình 3.3. Biểu đồ thành phần hạt của xỉ mịn ................................................................29
Hình 3.4. Bãi chứa xỉ thép mịn của Cơng ty Vật liệu xanh...........................................30
Hình 3.5. Biểu đồ thành phần hạt của đá .......................................................................31
Hình 3.6. Đá Tân Cang – Đồng Nai ..............................................................................32
Hình 3.7. Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép thơ .........................................................33
Hình 3.8. Bãi chứa xỉ thép thơ của Cơng ty Vật liệu xanh ............................................34
Hình 3.9. Thí nghiệm tính chất cơ lý của xi măng ........................................................39
Hình 3.10. Sàng và thí nghiệm cốt liệu .........................................................................40
Hình 3.11. Thí nghiệm độ mài mịn Los Angeles của cốt liệu lớn................................40
Hình 3.12. Ngâm nước cốt liệu trước khi sử dụng ........................................................41
Hình 3.13. Cơn thử độ sụt hỗn hợp bê tơng ..................................................................41
Hình 3.14. Độ sụt của hỗn hợp bê tông (a) cốt liệu cát, đá (b) cốt liệu xỉ thép ............42
Hình 3.15. Mẫu đo khối lượng thể tích của bê tơng ......................................................43
Hình 3.16. Đo kích thước mẫu, thí nghiệm khối lượng thể tích của BTCĐC...............43
Hình 3.17. Thí nghiệm độ hút nước và thể tích lỗ rỗng trong BTCĐC ........................45

Hình 3.18. Thí nghiệm cường độ nén của bê tơng cường độ cao .................................46
Hình 3.19. Chụp mẫu bê tơng cường độ cao bằng kính vi điện tử (SEM) ....................47
x


Hình 3.20. Mơ hình thí nghiệm co ngót hạn chế [4] .....................................................48
Hinh 3.21. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................49
Hình 3.22. Thí nghiệm co ngót của bê tơng bằng phương pháp vịng thép hạn chế .....50
Hình 3.23. Mẫu thí nghiệm co ngót bị hạn chế .............................................................51
Hình 4.1. Độ sụt của hỗn hợp bê tơng ..........................................................................52
Hình 4.2. Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến khối lượng thể tích của bê tơng CĐC ..53
Hình 4.3. Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến độ hút nước của BTCĐC .....................54
Hình 4.4. Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến thê tích lỗ rỗng của BTCĐC ................54
Hình 4.5. Tốc độ phát triển cường độ nén của các mẫu bê tơng CP-60 ........................55
Hình 4.6. Tốc độ phát triển cường độ nén của các mẫu bê tông ...................................56
Hình 4.7. Chụp SEM “vùng chuyển tiếp” giữa cốt liệu xỉ thép và hồ xi măng ............57
Hình 4.10. Hệ số co ngót của cấp phối CP0-70 ............................................................61
Hình 4.11. Hệ số co ngót của cấp phối CP1-70 ............................................................61
Hình 4.12. Hệ số co ngót của cấp phối CP2-70 ............................................................61
Hình 4.13. Thép chịu nén và bê tơng chịu kéo trong vịng co ngót [22] .......................62
Hình 4.14. Ứng suất kéo của bê tơng cường độ cao theo thời gian ..............................63

xi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI

Viện bê tông Mỹ

ASTM

Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Mỹ

BTCĐC

Bê tông cường độ cao

BOF

Basic Oxygen Furnace (Lị thổi)

CA

Cốt liệu lớn

CĐC

Cường độ cao

CSH

Hyđrơ silicat canxi

CKT

Cặn khơng tan

EAF

Electric Arc Furnace (Lị hồ quang điện)

N/X

Tỷ lệ nước trên xi măng

N/B

Nước/Bột

KQTN

Kết quả thí nghiệm

X

Xi măng

C

Cát

Đ

Đá

N

Nước

MKN

Mất khi nung

R28

Cường độ nén bê tông ở tuổi 28 ngày

STT

Số thứ tự

SF

Silicafume

SEM

Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

TCVN

Tiêu chuẩn Quốc gia

TCXDVN

Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam

TCN

Tiêu chuẩn Ngành

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

xii


MỞ ĐẦU
1. Tên luận văn
Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép.
2. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa tốc độ phát triển của
ngành xây dựng cũng không ngừng tăng nhanh, với hàng loạt các cơng trình xây dựng
nhằm đáp ứng nhu cầu cơ sở vật chất.
Bên cạnh sự phát triển của ngành xây dựng ngành công nghiệp luyện kim cũng
phát triển để đáp ứng nhu cầu kịp thời của ngành xây dựng. Do đó các phế thải của
ngành luyện kim ngày càng nhiều, và trở thành một vấn đề môi trường cho xã hội.
Mặt khác với số lượng cơng trình ngày càng nhiều nên nhu cầu về nguyên liệu như cát,
đá cũng tăng lên đáng kể. Hiện nay, theo một số khảo sát cho thấy nguồn nguyên liệu
cát, đá tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt do khai thác quá mức dẫn đến thiếu nguồn
ngun liệu. Đứng trước tình hình đó chính phủ đã đưa ra chủ trương ưu tiên cho việc
tái chế tái sử dụng và xử lý chất thải rắn nhằm giảm thiểu khối lượng chất thải vừa hạn
chế ô nhiễm môi trường vừa hạn chế việc khai thác cát, đá thiên nhiên. Vì vậy, việc
tận dụng xỉ thép làm nguồn nguyên liệu thay thế cát đá trong sản suất bê tơng là vơ
cùng cần thiết.
Đây chính là các lý do để tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường
độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép”.
3. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng thay thế cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông bằng xỉ thép, sự
ảnh hưởng của xỉ thép các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao, đến
cường độ của bê tông trong điều kiện dưỡng hộ khác nhau.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng có liên quan đến việc sử
dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài.
- Nghiên cứu các tính chất của nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông cường độ
cao sử dụng xỉ thép.

1


- Khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao: độ sụt, khối
lượng thể tích, độ hút nước, thể tích lỗ rỗng, sự phát triển cường độ của bê tông
dùng cốt liệu xỉ thép trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau, ảnh hưởng của xỉ
thép đến độ co ngót của bê tơng.
5. Đối tượng nghiên cứu
5.1. Đối tượng nghiên cứu
Hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu xỉ thép.
5.2. Phạm vi nghiên cứu
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ lưu động của hỗn hợp bê tông cường độ cao.
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến khối lượng thể tích của bê tơng cường độ cao.
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ hút nước và thể tích lỗ rỗng hở của bê tơng cường
độ cao.
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ của bê tông cường độ cao trong điều kiện
bảo dưỡng khác nhau.
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến Mô-đun đàn hồi của bê tông cường độ cao.
- Ảnh hưởng của xỉ thép đến độ co ngót của bê tơng cường độ cao.
6. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý luận kết hợp với thực nghiệm, đánh
giá dựa trên các phương pháp thử tiêu chuẩn theo quy định trong các tiêu chuẩn Việt
Nam (TCVN, TCXDVN, TCN) cũng như quốc tế (ASTM, ACI…).
Sử dụng một số phương pháp phi tiêu chuẩn thường được sử dụng trong nghiên
cứu vật liệu xây dựng để xác định các tính chất kỹ thuật của các mẫu vật liệu.
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn
- Làm đặc vữa xi măng, giảm lượng nước thừa (tỷ lệ N/X nhỏ) sử dụng phụ gia
siêu dẻo.
- Gia tăng của vùng chuyền bề mặt (hồ xi măng - cốt liệu): dưỡng hộ trong cấu
trúc cốt liệu cung cấp nước tăng bám dính vùng liên kết, bề mặt cốt liệu xỉ thép
có tính chất nhám ráp.
- Sử dụng các kết quả nghiên cứu của PGS.TS Trần Văn Miền – Đại học Bách
Khoa Hồ Chí Minh trong những năm gần đây.

2


8. Kết quả đạt được
Xỉ thép được phân tích tính chất cơ lý và hóa học, sau đó, xỉ thép được sử dụng
để thay thế 100% lần lượt cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông cường độ cao cho cường
độ nén 60MPa và 70MPa. Kết quả cho thấy bê tơng cường độ cao cốt liệu xỉ thép có
độ hút nước nhỏ, có khối lượng thể tích lớn hơn bê tơng cốt liệu cát đá thơng thường.
Thêm vào đó, cường độ của bê tông sử dụng xỉ thép trong điều kiện để khơ ngồi
khơng khí tương đương khi dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (ngâm trong nước),
tiềm năng gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép thấp hơn so với bê tông sử dụng
cốt liệu cát đá thông thường.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về xỉ thép [1]
1.1.1. Quá trình hình thành
Xỉ thép là sản phẩm phụ trong ngành cơng nghiệp luyện kim, là phế phẩm trong q
trình tinh chế kim loại khơng ngun chất hoặc q trình sản xuất kim loại từ quặng
sắt. Các tạp chất sét và cát thường có trong quặng sắt, vì vậy, một hàm lượng đá vơi
thích hợp nhất định thường được cho vào cùng với quặng sắt vào lò nung khi sản xuất.
Trong q trình nung giữa quặng sắt và đá vơi có phản ứng tạo thành các hợp chất
silicat canxi, silicat alumin và silicat aluminate canxi magie. Các hợp chất nóng chảy
hồn tồn ở nhiệt độ cao. Các hợp chất nóng chảy này có khối lượng riêng nhỏ hơn so
với gang nổi lên trên, được tháo ra ngoài, được gọi là xỉ. Hình 1.1 dưới đây là hình ảnh
bãi xỉ của Cơng ty TNHH Vật liệu xanh.

Hình 1.1. Bãi xỉ của Công ty TNHH Vật liệu xanh
Trên thế giới hiện nay, thép được sản xuất bằng hai cơng nghệ chính: Cơng nghệ lị
cao đúc liên tục và cơng nghệ lị điện hồ quang. Phần lớn thép được sản xuất ở trong
nước bằng cơng nghệ lị điện hồ quang - đúc liên tục.
Nguyên liệu sử dụng trong lò hồ quang điện là sắt, thép và các phế liệu để luyện thép.
Người ta sử dụng một số chất trợ dung và vôi để đưa vào lị luyện kim loại, mục đích
để tách các tạp chất có trong vật liệu kim loại đầu vào, khi luyện thép đến nhiệt độ trên
4


1600°C thép đầu vào sẽ nóng chảy nằm ở dưới và xỉ thép sẽ nổi lên trên. Xỉ thép sẽ
được tháo ra khỏi lị và được làm nguội sau đó được chuyển đến bãi chứa xỉ để xử lý,
tái chế. Quy trình sản xuất xỉ thép của lị hồ quang điện được mơ tả như hình 1.2.

Hình 1.2. Quy trình sản xuất xỉ thép lò điện hồ quang [33]
5

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.
Nhà máy sử dụng công nghệ S3R (Stainless Steel Scrap Recovery) của Hofung
Technology Co., Ltd (China), RecCo BV (Hà Lan) và Evergoed NV (Hà Lan). Công
nghệ này chủ yếu tách sắt trong xỉ thép có chứa nhiều sắt.
1.1.2. Đặc điểm [1]
Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng thể tích lớn hơn so với đá tự nhiên và xỉ lò cao.
Chúng có khả năng nở do chứa vơi, oxýt magiê tự do trong thành phần. Chất lượng và
khối lượng thể tích, mức độ nở của xỉ thép khác nhau tùy thuộc vào nhà máy thép và
quy trình tinh luyện thép. Xỉ thép có đặc tính cơ lý được so sánh bằng và tốt hơn cốt
liệu tự nhiên. Do đó, xỉ thép được nghiên cứu để thay thế các cốt liệu có nguồn gốc tự
nhiên như cát, đá nhằm vệ mơi trường và tiết kiệm nguyên liệu. Hình 1.3 dưới đây mơ
tả hình dạng và kích thước lỗ rỗng bê trong cốt liệu xỉ thép.

a) Hình dạng xỉ thép

b) Lỗ rỗng trong xỉ thép

Hình 1.3. Hình dạng và kích thước lỗ rỗng bê trong cốt liệu xỉ thép [1]
Xỉ thép được xử lý qua nghiền sàng thành các cỡ hạt khác nhau tương tự như với cốt
liệu lớn và nhỏ trong bê tông. Xỉ thép trước đây được xem như một loại phế thải, mất
nhiều chi phí để xử lý. Nhưng bây giờ xỉ thép được coi là nguyên liệu đầu vào cho sản
phẩm khác, đặc biệt dùng cho lĩnh vực xây dựng, hạ tầng.
1.1.3. Phân loại
Xỉ thép phân làm hai loại chính là xỉ lị hồ quang điện (EAF) và xỉ lò thổi (BOF):
 Xỉ lò hồ quang điện (EAF): lò hồ quang điện sử dụng điện cực để làm tăng
nhiệt độ nhằm nung chảy và tinh luyện nguyên liệu (thép phế, gang cục). Xỉ lò

6

hồ quang điện được chở ra bãi và làm nguội chậm bằng khơng khí tự nhiên.
Một tấn thép khi tinh luyện thải ra khoảng 100-150kg xỉ.
 Xỉ lò thổi (BOF): Xỉ lị thổi được tạo ra trong q trình luyện thép trong lị thổi.
Gang tạo ra từ lị cao, có tính cứng và dịn do chứa các tạp chất như C, Si, Mn,
P. Xỉ lò thổi được làm nguội chậm bằng khơng khí tự nhiên, hoặc phun nước tại
bãi chứa. Một tấn thép khi tinh luyện thải ra khoảng 100-150kg xỉ.
Trong nghiên cứu này lấy xỉ thép từ lò hồ quang điện tại nhà máy của Công ty TNHH
Vật liệu xanh, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
1.1.4. Thành phần hóa của xỉ thép EAF [8]
Xỉ thép thường chứa thành phần chủ yếu là canxi oxit (CaO), oxit (Fe2O3) và silic oxit
(SiO2). Xỉ thép lò thổi chứa thêm các thành phần khác là magiê oxit (MgO) và
mangan oxit (MnO).
1.1.5. Thành phần khoáng của xỉ thép EAF [8]
Các nghiên cứu cho thấy thành phần kháng của xỉ thép EAF gồm nhiều khoáng khác
nhau, cụ thể như sau:
 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.
Khoáng CS trong xỉ thép là loại khống chất có trong thành phần khống của xi măng
Portland, hợp chất khoáng bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Tricalcium Aluminate
(C3Al), Dicalcium Silicate (C2S).
1.2. Ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng [8]
Theo thống kê ở châu Âu 85% lượng xỉ BOS (Basic Oxygen Steelmaking slag) đã
được tái sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong đó 42% được ứng dụng trong
xây dựng. Còn ở Đức trong số 70% lượng xỉ EAF (Electric Arc Furnace slag) thì 66%
được ứng dụng trong xây dựng còn lại 4% ứng dụng cho các mục đích khác nhau.

Trong lĩnh vực xây dựng xỉ được sử dụng chủ yếu làm cốt liệu cho bê tơng và phụ gia
khống chế tạo bê tơng xi măng.
Theo thống kê tại Nhật Bản, lượng xỉ thép được thải ra cho một tấn thép là 130kg và
đối với sản xuất gang là 290kg. Năm 2004 lượng xỉ lò cao và xỉ thép của Nhật Bản
7


thải ra là 37 triệu tấn. Nhưng tại Nhật Bản lượng xỉ thép được sử dụng một cách hiệu
quả, xỉ được sử dụng nhiều trong ngành xây dựng dân dụng và được thay thế cho cốt
liệu trong bê tông [8].
Ứng dụng lớn nhất của xỉ thép là làm đường giao thông, đặc biệt là đường bê tông
asphalt. Xỉ thép được xem là một loại vật liệu đặc biệt, có thể thay thế đá tự nhiên để
xây dựng những con đường chất lượng, đảm bảo độ an toàn cao, giảm thiểu tiếng ồn
tối đa, đồng thời đảm bảo hiệu quả về kinh tế và thân thiện với môi trường [8].
Một số hình ảnh sử dụng xỉ thép làm đường giao thơng và cơng trình dân dụng ở các
nước trên thế giới như hình 1.4 và hình 1.5.

a) Đường ở thành phố Port Phillip,
Australlia

c) Xỉ được rải trên bề mặt đường sắt ở
Canada

b) Đổ bê tông asphalt đường tại Thái
Lan

d) Đường cao tốc 74 của Mỹ được làm từ
xỉ

Hình 1.4. Một số cơng trình ứng dụng xỉ thép làm đường giao thơng [8]

Do tính chất vật lý và hóa học của xỉ lò điện hồ quang tương tự hoặc tốt hơn đá tự
nhiên nên nó cịn được ứng dụng làm cốt liệu bê tơng cho các cơng trình xây dựng,
làm phụ gia xi măng, sản xuất bê tông hạt mịn, cát nhân tạo, sản xuất gạch khơng
nung, gia cố nền móng, chống lún cho các cơng trình …

8


Điển hình là cơng trình Beijing National Indoor Stadium (xem hình 1.5.a), Trung Quốc
phục vụ Thế vận hội Olympic 2008, sử dụng 80.000 tấn xỉ để xây dựng - là cơng trình
tiêu biểu về nhãn mơi trường xanh (green label).

a) Sân Beijing National Indoor Stadium
(Trung Quốc)

b) Toà nhà The Cathedral of Christ the
Light, Oakland, California, USA

Hình 1.5. Ứng dụng của xỉ thép làm cơng trình dân dụng [8]
1.3. Tình hình nghiên cứu bê tông xỉ thép trên thế giới [5][8]
Năm 2006 Jigar P.Patel đã nghiên cứu thay thế từ 25% đến 100% cốt liệu lớn sử dụng
trong bê tông bằng xỉ thép. Nghiên cứu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của xỉ thép
đến tính chất của hỗn hợp bê tơng và tính chất cơ học của bê tơng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng xỉ thép thay thế cốt liệu tăng lên thì độ
sụt của hỗn hợp bê tơng giảm xuống. Ngồi ra, khi thay thế cốt liệu bằng xỉ thép thì
khối lượng thể tích của hỗn hợp của bê tông cũng tăng lên, đặc biệt là khi sử dụng xỉ
thép thay thế 100% cốt liệu, điều này được giải thích là do xỉ thép có khối lượng thể
tích nặng hơn đáng kể so với cốt liệu tự nhiên
Tác giả cũng tập trung nghiên cứu tính chất cơ học của bê tơng, ví dụ như cường độ
chịu kéo và chịu nén. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng

cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể, ngoại trừ thay thế tỷ lệ lớn hơn 75%.
Cỡ hạt và thành phần hạt của cốt liệu xỉ cũng giống như đối với cốt liệu đá tự nhiên.
Cường độ nén của mẫu bê tông thường ở 28 ngày đạt 35 MPa, trong khi mẫu bê tơng
thay thế 100% cốt liệu xỉ thì đạt 40 MPa.
Năm 2009 Hisham Qasrawi đã nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải khơng qua xử lý và
có hàm lượng CaO thấp, hầu như khơng có tính chất hoạt tính, làm cốt liệu nhỏ thay
cát trong bê tơng. Hình 1.6 mô tả kết quả cường độ bê tông với xỉ thải sử dụng có hàm
9


lượng thay thế cát từ 0%, 15%, 30%, 50% và 100% dùng chế tạo bê tơng có mác 25
đến 45MPa [5].

Hình 1.6. Sự thay đổi cường độ chịu nén của bê tông khi thay đổi hàm lượng xỉ thép
thay thế cốt liệu trong bê tông [5]
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, xỉ thải sử dụng với hàm lượng 30%-50% làm cho
cường độ chịu nén tăng 1.2 lần, cường độ chịu kéo tăng 1.4 lần. Ngoài ra, độ sụt của
hỗn hợp bê tông giảm xuống khi hàm lượng xỉ thép sử dụng tăng lên, khối lượng thể
tích của hỗn hợp bê tông tăng khi hàm lượng xỉ thép sử dụng tăng.
Năm 2014, tác giả V. Subathra Devia và cộng sự B. K. Gnanavel đã nghiên cứu “Tính
chất của bê tơng được chế tạo bằng xỉ thép”, kết quả nghiên cứu như sau:
 Tỷ lệ thay thế tối ưu cho cốt liệu mịn là 40% và đối với cốt liệu thô là 30%.
 Kết quả chỉ ra rằng đối với bê tông thông thường, việc thay thế một phần cốt
liệu mịn và thô bằng xỉ thép giúp cải thiện cường độ nén, độ bền kéo và độ uốn.
Sự mất khối lượng trong các khối sau khi ngâm trong axit được tìm thấy là rất
thấp. Tuy nhiên, thay thế cốt liệu mịn cho thấy khả năng làm việc tốt hơn so với
thay thế cốt liệu thô.
 Khả năng thẩm thấu ion clorua thấp đối với bê tông thông thường và bê tông
thay thế cốt liệu mịn 40%. Và độ thẩm thấu vừa phải khi thay thế cốt liệu thô
30%.

10