Nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu trong chế tạo bê tông xi măng ở Việt Nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.88 MB, 103 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
TÔN NỮ PHƯƠNG NHI
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THÉP LÀM CỐT LIỆU
TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành : Vật liệu và Công nghệ vật liệu xây dựng
Mã số: 605880
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2014
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Văn Miền
Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH Phùng Văn Lự
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Anh Tuấn
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày…9….tháng…8….năm…2014…..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Nguyễn Văn Chánh – Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Vũ Quốc Hoàng – Thư ký Hội đồng
3. GS. TSKH Phùng Văn Lự – Ủy viên Phản biện 1
4. TS. Lê Anh Tuấn – Ủy viên Phản biện 2
5. TS. Trần Văn Miền – Ủy viên Hội đồng
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
TRƯỞNG KHOA 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: Tôn Nữ Phương Nhi
MSHV:10190719
Ngày, tháng, năm sinh: 30/3/1982
Nơi sinh: Lệ Thủy – Quảng Bình
Chun ngành: Vật liệu và cơng nghệ vật liệu xây dựng
Mã số : 605880
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên c u sử d ng x thép làm cốt liệu trong chế tạo bê tông xi măng ở Việt Nam.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
-
-
Tổng quan tình hình nghiên c u về x thép dùng làm cốt liệu trong bê tông ở trong
nước và trên thế giới.
Nghiên c u cơ sở khoa học của đề tài.
Phân tích nguyên liệu đầu vào: các ch tiêu cơ lý của xi măng, cát, đá và x thép.
Thiết kế cấp phối BTXM cốt liệu đá dăm và cốt liệu x thép mác 30Mpa và 40Mpa.
Kiểm tra các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cốt liệu x thép dùng cho
đường giao thơng: độ s t, khối lượng thể tích, độ hút nước, cường độ chịu nén,
cường độ chịu kéo khi uốn, modul đàn hồi, độ chống mài mịn, tính thấm nước và
độ bền của bê tông; so sánh với mẫu đối ch ng là bê tông cốt liệu đá thiên nhiên.
Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Kết luận và kiến nghị của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10 / 02/ 2014.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 / 06 / 2014.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến sỹ Trần Văn Miền
Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. Trần Văn Miền
tháng
năm 2014
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi muốn cảm ơn gia đình đã ln ở bên và động viên, tạo điều kiện để
tơi có thể n tâm thực hiện đề tài của mình.
Luận văn tốt nghiệp của tơi được hồn thành là thành quả của quá trình học tập,
rèn luyện và tích lũy kiến thức tại Trường Đại học Giao thơng vận tải Hà Nội, Trường
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh và những học hỏi từ kinh nghiệm thực tế.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa, Khoa
Kỹ Thuật Xây Dựng – Bộ môn Vật liệu và cấu kiện xây dựng, đã truyền đạt kiến thức
và kinh nghiệm quý báu cho tôi.
Cảm ơn các anh chị, các bạn đồng nghiệp, các em sinh viên ngành Vật liệu xây
dựng khóa 2009 trường Đại học Bách khoa TP HCM và các em sinh viên khóa 35
ngành Cơng nghệ vật liệu trường Cao đẳng Giao thông vận tải III TP HCM đã giúp
đỡ tơi trong thời gian làm thực nghiệm tại phịng thí nghiệm vật liệu xây dựng B7 &
B6.
Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy TS Trần Văn Miền, người đã
tận tình hướng dẫn giúp tơi hồn thành luận văn này.
Vì thời gian có hạn và kiến thức cịn hạn chế, chắc chắn đề tài sẽ khơng tránh khỏi
những thiếu sót.
Rất mong sự đóng góp ý kiến từ các Thầy Cô, các anh chị và các bạn.
Chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2014
Học viên
TÔN NỮ PHƯƠNG NHI
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên c u thực sự
của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên c u lý thuyết, nghiên c u thực hành trên
cơ sở nguyên vật liệu địa phương khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và lân cận. Các số
liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được cơng bố dưới bất
c hình th c nào. Nội dung luận văn có tham khảo và sử d ng các tài liệu, thông tin
được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh m c tài liệu tham
khảo của luận văn.
Tác giả luận văn
Tôn Nữ Phương Nhi
TĨM TẮT
Tận d ng nguồn thải của các ngành cơng nghiệp luôn là vấn đề được các nước trên thế
giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Tại Việt Nam, lượng x thép
thải ra từ các nhà máy luyện thép hơn 1 triệu tấn/năm - là nguồn chất thải công nghiệp
khổng lồ. Nếu giải quyết bằng cách chôn lấp sẽ gây tốn kém, tốn quỹ đất, ô nhiễm môi
trường. Đề tài này nghiên c u thay thế hoàn toàn đá thiên nhiên bằng x thép làm cốt
liệu lớn trong bê tông xi măng. X lấy từ khu cơng nghiệp Phú Mỹ được phân tích
thành phần hóa, khối lượng riêng, độ hút nước, độ mài mòn, độ nén dập và độ bền
trong môi trường sunfate. Kết quả phân tích cho thấy do hàm lượng Fe 2O3 trong x
thép khá lớn (39,2%) đã làm tăng đáng kể khối lượng riêng của x (gấp ~ 1,3 lần đá).
Ngoài ra, do có cấu trúc rỗng với nhiều lỗ rỗng thơng nhau, hạt x có độ hút nước lớn
hơn đá. Các thí nghiệm về tính chất cơ học của cốt liệu cho thấy so với đá, x thép có
độ nén dập trong xi lanh lớn hơn nhưng hệ số hóa mềm lại thấp hơn; độ hao mòn Los
Angeles của x thấp hơn đáng kể; và độ hao h t khối lượng của x trong môi trường
sunfate nhỏ hơn. Như vậy nhược điểm lớn nhất của x là có khối lượng riêng lớn, trong
khi các thông số khác đều tốt hơn hoặc tương đương. Đặc biệt độ x có mài mịn thấp
đáng kể so với đá, là yếu tố có lợi khi sử d ng x cho các cơng trình đường giao thông.
Bê tông xi măng cốt liệu x và cốt liệu đá được khảo sát tính chất vật lý, tính chất cơ
học và độ bền trong các môi trường xâm thực. Kết quả nghiên c u cho thấy:
- Cốt liệu x thép làm giảm đáng kể độ lưu động của hỗn hợp bê tơng; làm tăng khối
lượng thể tích bê tơng và ảnh hưởng không nhiều đến độ hút nước của bê tông.
- Bê tông sử d ng cốt liệu x có các tính chất cơ học tốt hơn hoặc tương đương với bê
tông cốt liệu đá thiên nhiên. Quy luật phát triển cường độ nén của bê tông cốt liệu x
cũng giống với quy luật phát triển cường độ nén của bê tông cốt liệu đá. Đặc biệt bê
tông cốt liệu x có khả năng chống mài mịn tốt hơn so với bê tông cốt liệu đá.
- Trong môi trường xâm thực axit (axit HCl), bê tông cốt liệu x thép kém bền so với
bê tông cốt liệu đá. Tuy nhiên trong môi trường xâm thực sunfate (MgSO4) , khả năng
chống xâm thực của bê tông cốt liệu x lại tương đương bê tơng cốt liệu đá.
- Có thể sử d ng x thép làm cốt liệu để chế tạo bê tơng xi măng có mác 30 MPa và 40
MPa làm kết cấu mặt đường giao thông.
ABSTRACT
Ultilization of industrial waste has always been a matter of concern to all the countries
around the world in general and Vietnam to be specific. In Vietnam, the steel slag
produced from steel plants is about a million ton/year - this is a huge industrial waste.
If it is dealt with burying – that will be so expensive, waste of land, and damage to
environment. In this work, steel slag was used as replacement of limestone as coarse
aggregate in concrete. Steel slag from Phu My industrial zone was analyzed on
chemical composition, specific gravity, bulk specific gravity, water absorption,
abrasion, crushing value and soundness in sunfate. The result points out that the Fe2O3
content in the steel slag is quite high (about 39,2%), which increases the specific
gravity of the steel slag (1,3 times to stone). Alongside, due to the porous structure
with many interconnected voids, the water absorption of steel slag is higher than stone.
Testing of the mechanical properties of aggregate show that compared to stone, the
crush value of steel slag is higher but the softening coefficient is lower; the L.A.
abrasion of steel slag is lower, and the loss of weight of steel slag is smaller in sulfate.
Therefore, the biggest defect of steel slag is specific gravity while the other statistic is
equivalent of or better than stone. Especially, the abrasion of steel slag is significant
lower than stone, which makes it an advantageous factor to the making of the road
surface. Concrete which contain steel slag and limestone is surveyed on the physical,
mechanical properties and the durability in corrosion environment. From the result, we
can jump to some conclusions such as:
- Steel slag makes the workability of concrete mixture low, increases the bulk specific
gravity and doesn't affect so much to the water absorption of concrete.
- Mechanical properties of steel slag concrete are equivalent of or better than limestone
concrete. The developing rules of the compressive strength of steel slag concrete is
similar to limestone concrete.
- In HCl environment, steel slag concrete is not as durable as limestone concrete.
However, in sunfate environment (MgSO4), the ability to anti-erode of steel slag
concrete is equivalent to limestone concrete.
- Using the results we have above, we can use steel slag as the aggregate to create
concrete 30MPa and 40MPa as the structure of road.
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1
Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 1
1.2
Giới thiệu về xỉ thép ............................................................................................... 2
1.2.1
Quá trình hình thành ........................................................................................ 2
1.2.2
Ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng ............................................................. 5
1.3
Tình hình nghiên cứu xỉ thép trên thế giới và tại Việt Nam .................................. 8
1.3.1
Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................. 8
1.3.2
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................... 12
1.4
Tổng quan tình hình xây dựng đường bê tơng xi măng ở Việt Nam ................... 14
1.5
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ......................................................................... 16
1.5.1
Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 16
1.5.2
Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 17
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC ............................................................................... 18
2.1
Lý thuyết q trình đóng rắn của xi măng Portland [6] ....................................... 18
2.2
Cấu trúc của bê tông xi măng [4], [6] .................................................................. 25
2.3
Ảnh hưởng của hàm lượng và tính chất cốt liệu đến các tính chất của bê tơng [6]
29
2.4
[7]
Độ bền chống xâm thực của bê tông xi măng trong môi trường axit và muối axit
36
2.4.1
Trong môi trường axit ................................................................................... 37
2.4.2
Trong môi trường muối axit .......................................................................... 38
2.5
Bê tông xi măng làm đường giao thông ............................................................... 40
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
i
Luận văn thạc sỹ
2.5.1
GVHD: TS Trần Văn Miền
Sự làm việc của mặt đường BTXM dưới tác dụng của tải trọng và các yếu tố
tự nhiên ...................................................................................................................... 40
2.5.2
Đặc điểm và tính chất của BTXM làm đường giao thông ............................ 40
2.5.3
Yêu cầu kỹ thuật đối với BTXM làm đường giao thông ............................... 42
CHƯƠNG 3
3.1
HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 43
Hệ nguyên vật liệu sử dụng .................................................................................. 43
3.1.1
Xi măng ......................................................................................................... 43
3.1.2
Cốt liệu nhỏ ................................................................................................... 43
3.1.3
Cốt liệu lớn .................................................................................................... 45
3.1.4
Nước .............................................................................................................. 57
3.1.5
Phụ gia siêu dẻo ............................................................................................. 57
3.2
Phương pháp thực nghiệm.................................................................................... 58
3.3
Thiết kế cấp phối bê tông xi măng ....................................................................... 58
3.4
Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu................................................................... 60
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 61
4.1.1
Ảnh hưởng của xỉ th p đến độ lưu động của h n hợp bêtông ....................... 61
4.1.2
Ảnh hưởng của xỉ th p đến khối lượng thể tích và độ hút nước của bê tông 63
4.1.3
Ảnh hưởng của xỉ th p đến sự phát triển của cường độ nén của bê tông...... 65
4.1.4
Ảnh hưởng của xỉ th p đến mô đun đàn hồi của bê tông .............................. 68
4.1.5
Ảnh hưởng của xỉ th p đến cường độ chịu kéo của bê tông ......................... 70
4.1.6
Ảnh hưởng của xỉ th p đến tính thấm nước của bê tơng ............................... 74
4.1.7
Ảnh hưởng của xỉ th p đến độ mài mòn của bê tông .................................... 75
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
ii
Luận văn thạc sỹ
4.1.8
CHƯƠNG 5
GVHD: TS Trần Văn Miền
Độ bền chống xâm thực của bê tông khi sử dụng cốt liệu xỉ thép ................ 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 83
5.1
Kết luận ................................................................................................................ 83
5.2
Kiến nghị .............................................................................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 85
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
iii
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hình dạng và cấu trúc l r ng bên trong xỉ cốt liệu ............................................ 2
Hình 1.2: Quy trình sản xuất sắt lị điện hồ quang .............................................................. 3
Hình 1.3: Ứng dụng của xỉ thép [24] ................................................................................... 5
Hình 1.4: Mặt đường bê tông cốt liệu xỉ thép (a) và cốt liệu đá tự nhiên (b) sau 10năm sử
dụng...................................................................................................................................... 6
Hình 1.5: Đổ bê tơng asphalt đường tại Thái Lan ............................................................... 6
Hình 1.6: Đường ở thành phố Port Phillip, Australlia ......................................................... 6
Hình 1.7: Đường cao tốc 74 của Mỹ được làm từ xỉ ........................................................... 6
Hình 1.8: Xỉ được rải trên bề mặt đường sắt ở Canada ....................................................... 6
Hình 1.9: Tồ nhà The Cathedral of Christ the Light, Oakland, California, USA làm từ
cốt liệu tro bay, xỉ th p và xi măng ...................................................................................... 7
Hình 1.10: Sân Beijing National Indoor Stadium (Trung Quốc)......................................... 7
Hình 1.11: Xỉ th p được dùng làm gạch xây tường............................................................. 7
Hình 1.12: Xử lý nền móng yếu, ngập nước hoặc thi cơng trong mùa mưa bằng xỉ thép ... 7
Hình 1.13: Quan hệ giữa hàm lượng xỉ thay thế đá dăm và độ hút nước của mẫu [1] ........ 9
Hình 1.14: Quan hệ giữa cường độ nén sau 7 ngày (1) và 28 ngày (2) với hàm lượng xỉ
thay thế [1] ......................................................................................................................... 10
Hình 1.15: Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ th p đến cường độ chịu uốn [1] ....................... 10
Hình 1.16: Sự phát triển cường độ của bê tông Mác 700 [18] ......................................... 13
Hình 1.17: Cường độ n n của BTN dùng cốt liệu xỉ th p và đá vôi [12] ......................... 14
Hình 2.1: Mơ hình cấu trúc khống Alit và Blit ................................................................ 18
Hình 2.2: Mơ hình mặt cắt ngang mẫu xi măng ................................................................ 19
Hình 2.3: Khối lượng các chất sinh ra theo thời gian của q trình thủy hóa xi măng .... 25
Hình 2.4: Cường độ bê tơng khi có cốt liệu hạt thoi, dẹt ................................................... 34
HVTH: Tơn Nữ Phương Nhi
iv
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Hình 3.1: Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu lớn ............................................................ 46
Hình 3.2: Chuẩn bị mẫu thí nghiệm xác định độ nén dập trong xi lanh của cốt liệu lớn .. 48
Hình 3.3: Cho cốt liệu vào xi lanh .................................................................................... 48
Hình 3.4: Xi lanh đầy cốt liệu ........................................................................................... 48
Hình 3.5: Đưa xi lanh lên máy n n .................................................................................... 49
Hình 3.6: Nén xi lanh ......................................................................................................... 49
Hình 3.7: Cho bi thép vào máy .......................................................................................... 52
Hình 3.8: Lấy bi thép sau khi chạy 500 vịng .................................................................... 52
Hình 3.9: Cốt liệu sau khi thí nghiệm ................................................................................ 53
Hình 3.10: Rây cốt liệu ...................................................................................................... 53
Hình 3.11: Phần cốt liệu trên rây 1,7mm ........................................................................... 53
Hình 3.12: Phần cốt liệu trên rây 1,7mm ........................................................................... 53
Hình 3.13: Rửa cốt liệu xỉ .................................................................................................. 54
Hình 3.14: Rửa cốt liệu đá ................................................................................................. 54
Hình 3.15: Cốt liệu sau khi sấy .......................................................................................... 55
Hình 3.16: Cho dung dich MgSO4 vào .............................................................................. 55
Hình 3.17: Rửa cốt liệu sau 5 chu kỳ ................................................................................ 55
Hình 3.18: Cân cốt liệu sau khi sấy ................................................................................... 55
Hình 4.1: Độ sụt của bê tơng xỉ (a) và bê tông đá (b) khi chưa ngâm bão hịa cốt liệu lớn
............................................................................................................................................ 62
Hình 4.2: Độ sụt của h n hợp bê tơng ............................................................................... 62
Hình 4.3: Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ th p đến khối lượng thể tích và độ hút nước của .... 65
Hình 4.4: Sự phát triển cường độ nén theo thời gian ......................................................... 66
Hình 4.5: Cường độ bê tông ở 28 ngày tuổi theo các tỷ lệ N/X ........................................ 67
Hình 4.6: Nén mẫu (a) và bề mặt mẫu bê tông xỉ bị phá hoại ........................................... 68
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
v
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Hình 4.7: Hình ảnh thí nghiệm mơ đun đàn hồi của bê tơng ............................................. 68
Hình 4.8: Ảnh hưởng của tỉ lệ N/X đến mơ đun đàn hồi ................................................... 70
Hình 4.9: Thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn ................................................................... 71
Hình 4.10: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông tương ứng với các tỉ lệ N/X khác nhau
............................................................................................................................................ 73
Hình 4.11: Chiều sâu thấm của bê tơng cốt liệu xỉ thép có tỉ lệ N/X=0,48(a) và
N/X=0,62(b) ....................................................................................................................... 74
Hình 4.12: Mẫu bê tơng xỉ trước (a) và sau (b) khi bị mài mịn ........................................ 75
Hình 4.13: Bề mặt mẫu sau khi ngâm 2 tháng trong HCl (a) và MgSO4 (b)..................... 77
Hình 4.14: Cường độ nén của bê tông khi ngâm trong nước 1 tháng (R28) và khi ngâm
trong dung dịch HCl 5% 2, 3 và 4 tháng. .......................................................................... 78
Hình 4.15: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tông cốt liệu xỉ ở 28 ngày tuổi ............................ 79
Hình 4.16: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tơng cốt liệu xỉ ngâm12 tuần trong dung dịch HCl
5% ...................................................................................................................................... 80
Hình 4.17: Cường độ nén của bê tông khi ngâm trong nước 1 tháng (R28) và khi ngâm
trong dung dịch MgSO4 5% 2, 3 và 4 tháng. ..................................................................... 81
Hình 4.18: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tông cốt liệu xỉ ngâm12 tuần trong dung dịch
MgSO4 5% ......................................................................................................................... 82
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
vi
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh tính chất vật lý của xỉ th p và đá vôi [3] ............................................... 8
Bảng 1.2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tơng cốt liệu đá dăm và bê tông cốt liệu xỉ thép
[3] ......................................................................................................................................... 9
Bảng 1.3: Kết quả cường độ chịu nén sau 7 và 28 ngày [2] .............................................. 11
Bảng 1.4: Kết quả cường độ chịu kéo sau 7 và 28 ngày [2] .............................................. 11
Bảng 1.5: Kết quả khối lượng thể tích thực tế và thiết kế [2]............................................ 12
Bảng 2.1: Q trình hydrrat hóa của xi măng .................................................................... 24
Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Nghi Sơn PCB 40. ........................................... 43
Bảng 3.2: Các thông số của cốt liệu nhỏ (cát). .................................................................. 44
Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát. ..................................................................................... 45
Bảng 3.4: Thành phần hạt của cốt liệu lớn ........................................................................ 45
Bảng 3.5: Thành phần hóa của xỉ thép............................................................................... 46
Bảng 3.6: Tiêu chuẩn thí nghiệm cốt liệu lớn .................................................................... 47
Bảng 3.7: Số liệu thí nghiệm xác định khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút
nước.................................................................................................................................... 47
Bảng 3.8: Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút nước của xỉ và đá ................. 48
Bảng 3.9: Độ nén dập của xỉ .............................................................................................. 49
Bảng 3.10: Độ nén dập của đá ........................................................................................... 50
Bảng 3.11: Cường độ cốt liệu theo độ n n đập xi lanh...................................................... 50
Bảng 3.12: Khối lượng mẫu cốt liệu lớn dùng để thử độ hao mòn va đập ........................ 51
Bảng 3.13: Số lượng bi thép sử dụng trong máy Los Angeles. ......................................... 52
Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm độ hao mịn Los Angeles ................................................. 53
Bảng 3.15: Cấp phối hạt thí nghiệm bền sunfat ................................................................. 54
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm bền sunfat của xỉ .............................................................. 56
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
vii
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Bảng 3.17: Kết quả thí nghiệm bền sunfat của đá dăm. .................................................... 56
Bảng 3.18: Tiêu chuẩn sử dụng trong đề tài ...................................................................... 58
Bảng 3.19: Cấp phối hợp lý của bê tông ........................................................................... 59
Bảng 4.1: Kết quả đo độ sụt của h n hợp bê tơng ............................................................. 62
Bảng 4.2: Khối lượng thể tích và độ hút nước của mẫu bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X ............ 64
Bảng 4.3: Khối lượng thể tích và độ hút nước của mẫu bê tông đá theo tỉ lệ N/X ........... 64
Bảng 4.4: Sự phát triển cường độ nén ............................................................................... 66
Bảng 4.5: Mô đun đàn hồi của bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X ................................................... 69
Bảng 4.6: Mô đun đàn hồi của bê tông đá theo tỉ lệ N/X .................................................. 69
Bảng 4.7: Cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X ......................... 72
Bảng 4.8: Cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu bê tông đá theo tỉ lệ N/X ........................ 72
Bảng 4.9: Cường độ chịu kéo dọc trục của bê tông theo tỉ lệ N/X .................................... 73
Bảng 4.10: Chiều sâu thấm nước của bê tông cốt liệu xỉ th p và bêtông cốt liệu đá dăm 74
Bảng 4.11: Kết quả độ mài mịn của mẫu bê tơng xỉ theo tỉ lệ N/X .................................. 76
Bảng 4.12: Kết quả độ mài mòn của mẫu bê tông đá theo tỉ lệ N/X ................................. 76
Bảng 4.13: Sự phát triển cường độ nén của bê tông khi ngâm trong dung dịch HCl 5% . 78
Bảng 4.14: Sự phát triển cường độ nén của bê tông khi ngâm trong dung dịch MgSO4 5%
............................................................................................................................................ 80
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
viii
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI
Viện bê tông Mỹ
ASTM
Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Mỹ
BTXM
Bê tông xi măng
CSH
Hydrô silicat canxi
N/X
Tỷ lệ nước trên xi măng
X
Xi măng
C
Cát
Đ
Đá
N
Nước
R28
Cường độ nén bê tông ở tuổi 28 ngày
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
GTVT
Giao thông vận tải
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
ix
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
Từ năm 1945, gần 1 tỷ tấn xỉ thép đã được sử dụng tại Đức trong nhiều ứng dụng khác
nhau. Khối lượng xỉ thép này tương đương với một tháp đá khổng lồ có đường kính
600m và cao 2900m, bằng ngọn núi cao nhất nước Đức, Zugspitze [22]. Như vậy, các
sản phẩm làm từ xỉ thép đóng góp vào n lực giảm thiểu tình trạng khai thác đá, hay
nói cách khác sử dụng xỉ thép chính là góp phần bảo vệ mơi trường.
Những năm qua, tại Việt Nam đã có hàng triệu tấn xỉ thép thải ra từ các nhà máy
luyện thép. Tại tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, nơi được xem là trung tâm luyện thép của
Việt Nam, hiện có 5 nhà máy luyện th p đang hoạt động tại huyện Tân Thành (nhà
máy Thép miền Nam, Pomina 2, Pomina 3, Fuco và nhà máy luyện phôi Đồng
Tiến). Theo Quy hoạch phát triển ngành Thép Việt Nam giai đoạn 2007-2015, mục
tiêu phát triển đối với ngành luyện th p đến năm 2015 đạt 6 - 8 triệu tấn phơi
th p/năm. Nếu chỉ tính riêng tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, đến năm 2015 sẽ có 08 dự án
luyện th p đi vào hoạt động với tổng công suất phôi thép khoảng 5,25 triệu tấn/năm,
chiếm 65,62% sản lượng phơi của Việt Nam. Tính tốn phát thải từ ngành luyện
thép cho thấy cứ m i tấn phôi thép sẽ thải ra khoảng 150-200 kg xỉ thép, như vậy,
khối lượng xỉ thép phát sinh hàng năm có thể hơn 1 triệu tấn/năm. Đây là nguồn
chất thải cơng nghiệp khổng lồ mà việc giải quyết nó bằng cách chôn lấp sẽ gây tốn
k m lên đến hơn 10 triệu USD m i năm từ ngân sách nhà nước và của các doanh
nghiệp luyện thép [23]. Bên cạnh đó, việc chơn lấp cịn gây tốn quỹ đất, lãng phí
nguồn tài ngun và gây ơ nhiễm mơi trường. Nhiều giải pháp đã được đưa ra như
chôn lấp xỉ thép, tái chế xỉ sắt thành phụ gia xi măng nhưng đều khơng khả thi vì
hạn chế tài chính hoặc cơng nghệ xử lý không phù hợp.
Việc tái chế xỉ thép thành VLXD không chỉ giúp cho các doanh nghiệp luyện thép
tiết kiệm được hàng chục triệu đơ la chi phí xử lý mà còn giúp nhà nước giải quyết
được bài tốn mơi trường do xỉ thép gây ra và hàng năm sẽ tiết kiệm được hàng
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
1
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
triệu tấn đất, đá nếu sử dụng các sản phẩm này. Không những vậy, các sản phẩm từ
xỉ thép có giá thành thấp hơn so với các sản phẩm cùng loại từ vật liệu tự nhiên sẽ
giúp các chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng có thêm sự lựa chọn hợp lý trong tình hình
kinh tế khó khăn, giá cả VLXD tăng cao.
1.2 Giới thiệu về xỉ thép
1.2.1 Quá trình hình thành
Xỉ thép là phế thải trong công nghiệp luyện kim, là phế phẩm trong quá trình sản
xuất kim loại từ quặng sắt hay q trình tinh chế kim loại khơng ngun chất. Trong
quặng sắt thường có lẫn những tạp chất sét và cát nên khi sản xuất người ta thường
cho vào cùng với quặng sắt một hàm lượng đá vơi thích hợp nhất định vào lị nung.
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. Ở nhiệt độ cao, các
hợp chất nóng chảy hồn tồn. Khối lượng riêng của các hợp chất nóng chảy này
nhỏ hơn so với gang nên nổi lên trên, được tháo ra ngồi, gọi là xỉ.
Hình 1.1: Hình dạng và cấu trúc l r ng bên trong xỉ cốt liệu
Hiện nay, trên thế giới, th p được sản xuất bằng hai cơng nghệ chính: Cơng nghệ lị
cao - đúc liên tục và Cơng nghệ lị điện hồ quang. Ở Việt Nam, phần lớn th p được
sản xuất bằng cơng nghệ lị điện hồ quang – đúc liên tục.
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
2
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt,
thép phế liệu để luyện th p. Để tách các tạp chất có trong thép phế liệu đầu vào, sử
dụng vôi và một số chất trợ dung đưa vào lị luyện, q trình nóng chảy ở nhiệt độ
trên 1.6000C xỉ sẽ nổi lên trên, thép lỏng nằm ở lớp phía dưới. Lớp xỉ được tháo ra
khỏi lị, được làm nguội và chuyển sang trạng thái rắn. Khi nguội, xỉ được đưa tới
bãi chứa và chuyển đến nhà máy xử lý, tái chế thành các sản phẩm có ích, phần thép
trong lị được đúc thành phơi [22].
Hình 1.2: Quy trình sản xuất sắt lị điện hồ quang
Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF là các oxit CaO, FexOy, MgO, MnO2,
SiO2 và Al2O3,…ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và
FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lị.
Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ EAF có chứa nhiều
khoáng chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates
(2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và
Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7) và CaO, MgO tự do.
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
3
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Thành phần khoáng chất của xỉ EAF bao gồm:
W: Wustite (FeO);
CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S);
B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);
M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7);
Khe r ng; và thép.
Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khoáng CS, đây là loại
khống chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao gồm các
khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate
(C3Al). Ngoài ra, thành phần của xỉ thép cịn có các khống Brownmillerite,
Mayenite là một loại khống chất có trong đá vơi dùng cho ngành cơng nghiệp sản
xuất xi măng.
Xỉ thép có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được so sánh tương
tự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên. Xỉ thép có những đặc điểm sau:
nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên; độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt;
độ bền cao và chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu. Vì vậy, xỉ thép được dùng
để thay thế các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nhằm hạn chế khai thác tài
nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.
Trước đây, xỉ thép được xem như là một loại chất thải rắn. Nhưng bây giờ điều này
khơng cịn chính xác nữa: xỉ được coi là “sản phẩm phụ” của quá trình sản xuất
thép. Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạng
cục như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch phun trào
từ núi lửa.
Xỉ thép không phải là chất thải nếu được xử lý, tái chế. Sản phẩm xỉ đã qua xử lý
gồm:
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
4
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
- Xỉ đã được nghiền thành hạt.
- Xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm.
- Xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định.
Tại Việt Nam, xỉ lị điện có thể xem như đá nhân tạo, giống đá tự nhiên, bao gồm
FeO, CaO, SiO2 và các oxit khác như MgO, Al2O3, MnO. Xỉ lị điện có thể sử dụng
để làm đường, san lấp, sản xuất xi măng,... Tuy nhiên, trước khi sử dụng, xỉ phải
được chế biến như nghiền, sàng và phân loại kích thước.
1.2.2 Ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng
Hơn 100 năm qua, tại Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản, xỉ thép được sử dụng rộng rãi
vào nhiều mục đích xây dựng các cơng trình dân dụng và công nghiệp, phát triển
giao thông, nông nghiệp, công nghiệp xử lý chất thải,… Theo hiệp hội Xỉ thép Châu
Âu, năm 2010, 22,3 triệu tấn xỉ thép đã được sử dụng vào các mục đích như sau
[24]:
Làm đường
48%
Thuỷ lợi
3%
Sản
xuất
xi
măng
6%
Phân
bón
3%
Luyện
kim
10%
Ứng
dụng
khác
6%
Làm vật liệu phủ bãi chơn lấp
rác 13%
Lưu giữ
tạm thời
11%
Hình 1.3: Ứng dụng của xỉ thép [24]
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
5
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Như vậy 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 mơi
trường.
(a)
(b)
Hình 1.4: Mặt đường bê tông cốt liệu xỉ thép (a) và cốt liệu đá tự nhiên (b) sau 10năm sử dụng
Một số hình ảnh sử dụng xỉ thép làm đường giao thông ở các nước trên thế giới:
Hình 1.5: Đổ bê tơng asphalt đường tại
Thái Lan
Hình 1.6: Đường ở thành phố Port Phillip,
Australlia
Hình 1.7: Đường cao tốc 74 của Mỹ được
làm từ xỉ
Hình 1.8: Xỉ được rải trên bề mặt đường sắt
ở Canada
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
6
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Mặt khác, do tính chất vật lý và hố học của xỉ lị điện hồ quang tương tự hoặc tốt
hơn đá tự nhiên và khơng chứa các thành phần độc hại 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…
Điển hình là cơng trình Beijing National Indoor Stadium, Trung Quốc phục vụ Thế
vận hội Olympic 2008, sử dụng 80.000 tấn xỉ sắt để xây dựng – là cơng trình tiêu
biểu về nhãn mơi trường xanh (green label).
Hình 1.9: Tồ nhà The Cathedral of Christ
the Light, Oakland, California, USA làm từ
cốt liệu tro bay, xỉ thép và xi măng
Hình 1.10: Sân Beijing National Indoor
Stadium (Trung Quốc)
Hình 1.11: Xỉ thép được dùng làm gạch xây
tường
Hình 1.12: Xử lý nền móng yếu, ngập nước
hoặc thi công trong mùa mưa bằng xỉ thép
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
7
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
1.3 Tình hình nghiên cứu xỉ thép trên thế giới và tại Việt Nam
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Mục tiêu tiết kiệm năng lượng, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi
trường trong lĩnh vực vật liệu xây dựng được nhiều nước trên thế giới quan tâm
nghiên cứu. Trên thế giới việc nghiên cứu và sử dụng xỉ thép để chế tạo bê tông chủ
yếu đi theo hai xu hướng chính: bê tơng xi măng và bê tơng asphalt.
Khi so sánh tính chất vật lý của xỉ th p và đá vôi, kết quả từ nghiên cứu “So sánh
các tính chất của bê tơng cốt liệu xỉ thép và bê tông cốt liệu đá vôi” [3] của M.
Maslehuddin, Alfarabi M. Sharif, M. Shameem, M. Ibrahim, & M.S. Barry cho số
liệu như bảng 1.1. Từ kết quả phân tích cho thấy mặc dù khối lượng riêng của xỉ
thép cao hơn đá vôi nhưng các thông số khác đều tốt hơn hoặc tương đương. Trong
đó đặc tính nổi trội của xỉ th p là có độ mài mịn thấp đáng kể so với đá dăm thiên
nhiên – đây là yếu tố có lợi khi sử dụng cho bê tơng trong các cơng trình đường
giao thơng.
Bảng 1.1: So sánh tính chất vật lý của xỉ th p và đá vôi [3]
Đá vôi
Xỉ thép
Khối lượng riêng, g/cm3
2,51
3,51
Độ hút nước, %
2,20
0,85
Hàm lượng bụi sét, %.
0,60
0,067
Hàm lượng Chloride, %
0,006
0,006
0,2
0,008
-
11,34
24,2
11,6
Tính chất vật lý
Hàm lượng sulfate, %
pH
Độ mài mòn, %
Cũng theo nghiên cứu này, khi mẫu bê tông được chế tạo với hàm lượng xi măng
400kg/m3, tỉ lệ N/X=0.4 và tỉ lệ cốt liệu lớn/ tổng cốt liệu là 0,6 (đá vôi); 0,45; 0,50;
0,55; 0,60, 0;65 (xỉ thép) thì các tính chất cơ lý hầu như đều được cải thiện.
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
8
Luận văn thạc sỹ
GVHD: TS Trần Văn Miền
Bảng 1.2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tơng cốt liệu đá dăm và bê tông cốt liệu xỉ thép
[3]
Kết quả
Khối lượng thể tích, kg/m3
Cường độ nén, MPa
Cường độ uốn, MPa
Cường độ kéo khi bửa,
MPa
Độ hút nước, %
Thể tích l r ng hở, %
BT cốt liệu
đá dăm
(60%)
45%
50%
55%
60%
65%
2330
2436
2523
2653
2736
2769
39,7
31,4
37,7
37,6
41,6
42,7
3,96
3,47
3,61
3,69
3,81
4,21
6,33
5,79
6,06
6,11
6,26
6,35
5,33
4,51
4,33
3,89
3,71
3,64
13,6
13,58
11,87
11,69
11,12
10,04
Theo một nghiên cứu khác của
BT cốt liệu xỉ thép
Khidhair J.Mohammed, Falak O.Abbas &
Mohammed O.Abbas “Ứng dụng xỉ thép trong cải thiện các tính chất của bê tông”
[1], khi thay thế đá dăm bằng 25, 50 và 60% xỉ thì độ hút nước của bê tơng giảm
(hình 1.13) đồng thời cường độ nén và uốn của mẫu thí nghiệm đều tăng lên phụ
thuộc vào hàm lượng xỉ thay thế (hình 1.14 và 1.15).
Hình 1.13: Quan hệ giữa hàm lượng xỉ thay thế đá dăm và độ hút nước của mẫu [1]
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
9
