TỔNG QUAN
Tổng quan về sản xuất thép ở Việt Nam
Thép nhà máy (hình 2.1) cho thấy tiềm năng xỉ thép ở nước ta tương đối cao
Hình 2 1: Mô hình sản lượng thép ở Việt Nam
Phân loại xỉ
Xỉ thể được phân loại thành xỉ gang và xỉ thép [1]
Hình 2 2: Phân loại xỉ gang, thép
Quá trình tạo ra xỉ gang hình 2.3
Hình 2 3: Quá trình tạo ra xỉ gang [1]
2.3.2.1.1 Xỉ lò cao làm nguội chậm
Hình 2 4: Xỉ lò cao làm nguội chậm [2]
Xỉ nóng chảy khi ra khỏi khu vực chứa vẫn giữ nhiệt độ cao, gây ra nhiều rủi ro cho an toàn Để xử lý, biện pháp nguội tự nhiên được áp dụng, nhưng tốn nhiều thời gian Do đó, việc tưới nước được thực hiện để làm nguội xỉ nhanh hơn Qua các phương pháp này, xỉ sẽ có hình dạng giống như đá tự nhiên với cấu trúc hạt tinh thể quen thuộc.
2.3.2.1.2 Xỉ lò cao (xỉ gang) làm nguội nhanh
Hình 2 5: Xỉ lò cao (xỉ cao) làm nguội nhanh [2]
Xỉ được tháo ra khỏi rãnh dẫn và sau đó được tưới nước với áp suất cao để làm nguội nhanh Tuy nhiên, dưới tác động của áp lực cao, xỉ không thể hình thành như phương pháp thông thường Kết quả là, xỉ sẽ có dạng rời rạc, xốp và có tính chất tương tự như cát.
Tùy thuộc vào từng lò luyện thép và công nghệ áp dụng, xỉ thép được sản xuất chủ yếu từ hai loại là BOF (Lò thổi oxy) và EAF (Lò điện hồ quang) Mỗi loại có những đặc điểm và tính chất riêng biệt, ảnh hưởng đến chất lượng và ứng dụng của xỉ thép trong ngành công nghiệp.
Xỉ lò thổi (BOF- Basic Oxygen Furnace) được tạo:
Hình 2 8: Quá trình tạo ra xỉ lò thổi [1]
Hình 2 9: Xỉ lò điện hồ quang [2]
Lò hồ quang điện sử dụng công nghệ dây chuyền đặc biệt, mang lại hiệu quả cao trong quá trình luyện thép Hai loại xỉ từ lò hồ quang điện có sự khác biệt rõ rệt, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Trong quá trình luyện thép, thép được nấu chảy ở dạng lỏng và bơm khí oxy vào, dẫn đến quá trình oxy hóa Phản ứng giữa cacbon trong thép và oxy tạo ra CO2 và CO nếu phản ứng không hoàn toàn Những bọt khí CO này là nguyên nhân hình thành xỉ oxy hóa.
Trong quá trình luyện thép, vôi sống được thêm vào thép nóng chảy để phản ứng với O2 và các oxit phi kim, giúp loại bỏ lưu huỳnh (S) còn lại trong thép lỏng CaO trong vôi sống đóng vai trò là chất khử, thúc đẩy các phản ứng hóa học cần thiết Kết quả cuối cùng của quá trình này là sự hình thành xỉ hoàn nguyên, góp phần cải thiện chất lượng thép.
Hình 2 10: Quá trình tạo lò hồ quang điện [1]
Để sản xuất thép hiệu quả, cần có dây chuyền hiện đại và tay nghề công nhân được đào tạo bài bản, nhằm đảm bảo sự kết hợp hoàn hảo giữa thiết bị và nhân lực Xỉ thép, một loại phế thải trong quá trình sản xuất, chứa nhiều nguyên tố kim loại có giá trị, như gang cục và hợp kim sắt, có thể tái chế thành các sản phẩm hữu ích Nghiên cứu tập trung vào xỉ thép từ lò hồ quang điện, với quy trình sản xuất tiên tiến, sử dụng điện cực để nung chảy thay vì đốt hóa thạch Việt Nam sở hữu nhiều mỏ khoáng sản kim loại, trong đó thép là một trong những sản phẩm quan trọng, giúp tối ưu hóa nguồn phế thải và nâng cao giá trị kinh tế, khẳng định vị thế trong top 15 quốc gia hàng đầu về khai thác quặng sắt thép trên thế giới.
CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG BÊ TÔNG NHỰA
Nghiên cứu của Ibrahim Asi, Hisham Qasrawi và Shalabi chỉ ra rằng với các tỷ lệ xỉ thép chiếm 0%, 25%, 50%, 75% và 100%, hàm lượng xỉ trên sàn 4.75mm cho thấy tỷ lệ thay thế tối ưu là 25%.
Bài báo có chủ đề: “Tối ưu hóa xỉ thép cho cốt liệu của nhựa đường ở Ả Rập
Xê Út” Quá trình nghiên cứu nhóm tác giả [4] cát nghiền mịn với xỉ thép cải thiện tốt vơi nhau
Bài báo "Thiết kế hỗn hợp và phân tích hiệu suất bê tông nhựa với xỉ lò hồ quang điện" của nhóm tác giả Marco Pasetto và Nicola Baldo đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thép trong bê tông nhựa Kết quả cho thấy, khi tăng hàm lượng xỉ lên 30%, 60% và 90%, chỉ số chịu kéo gián tiếp đạt giá trị cao nhất ở mức xỉ thép 90%.
Bài báo "Sử dụng cốt liệu thô và cốt liệu xỉ thép trong hỗn hợp nhựa đường" của nhóm tác giả Trung Quốc [6] nghiên cứu việc kết hợp cốt liệu đá thô với xỉ hạt mịn trong hỗn hợp nhựa đường Kết quả cho thấy hỗn hợp pha trộn WSFA cải tiến có khả năng chịu đựng độ ổn định Marshall tốt hơn so với WSFA ban đầu, như minh họa trong hình 2.11 và hình 2.12.
Hình 2 11: Độ ổn định Marshall và thương số Marshall hỗn hợp khác [6]
Hình 2 12: Kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe của các hỗn hợp khác [6]
Nghiên cứu của nhóm tác giả Mansour Fakhri cho thấy việc thay thế 0% và 40% cốt liệu thô, cùng với 0%, 20% và 40% cốt liệu mịn trong bê tông nhựa ấm đã ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Kết quả cho thấy xỉ thép làm tăng mô đun đàn hồi, tuy nhiên, việc sử dụng 40% cốt liệu mịn không mang lại kết quả tốt trong thí nghiệm mỏi so với các thành phần hỗn hợp thay thế khác.
Theo bài nghiên cứu “Performance and Durability of Porous Asphalt
Nghiên cứu "Mixtures Manufactured Exclusively with Electric Steel Slags" cho thấy việc thay thế xỉ thép cho các hạt cốt liệu thô (>2mm) trong bê tông nhựa xốp đã cải thiện độ bền và giảm thiểu lão hóa cũng như nứt do nhiệt Điều này không chỉ nâng cao khả năng chống trượt mà còn làm cho mặt đường trở nên phù hợp hơn cho các khu vực có lượng mưa cao.
Theo nghiên cứu tại Malaysia, dynamic modulus của ACW14 với cốt liệu xỉ thép đạt 4436,15 MPa ở 25°C, cao gấp đôi so với cốt liệu đá dăm (1976,85 MPa) Tại 40°C, mô đun đàn hồi của ACW14 với cốt liệu xỉ thép là 471,35 MPa, trong khi cốt liệu đá dăm chỉ đạt 268,15 MPa Đối với ACB28, dynamic modulus với cốt liệu xỉ thép là 6353,15 MPa ở 25°C, so với 4674,85 MPa của cốt liệu đá dăm, cho thấy chênh lệch 26%.
Hình 2 13: Mô đun đàn hồi động của hỗn hợp bê tông nhựa ở Malaysia [9]
Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi động SMA ở Malaysia cho thấy rằng mặt đường BTNX có sức chịu lún cao hơn so với BTN thường Do đó, việc thay thế xỉ cho đá dăm trong xây dựng các con đường với mật độ giao thông lớn là một giải pháp khả thi.
Hình 2 15: Chiều sâu lún vệt bánh của hỗn hợp BTN ở Malaysia
Hình 2 16: Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe của SMA ở Malaysia [9]
2.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam Đề tài “ xỉ thép thay thế cốt liệu đá dăm của thành phần bê tông nhựa trong xây dựng mặt đường ôtô”: của tác giả Tạ Thị Huệ, Trường ĐH GTVT CSII Kết quả của đề tài [10] Hỗn hợp BTNX > BTN tự nhiên (độ bền Marshall cao hơn trung bình khoảng 4-5%)
Nghiên cứu của Nguyễn Văn Du cho thấy BTNX sở hữu nhiều tính chất vượt trội hơn so với BTN Các thí nghiệm với nhiều cấp phối khác nhau, bao gồm 19mm và các hàm lượng nhựa đa dạng, sử dụng xỉ thép từ công ty Vật Liệu Xanh, đã chứng minh rằng BTNX có khả năng chịu kéo, nén, biến dạng và nhiều tính chất khác tốt hơn hẳn.
Kết quả nghiên cứu của tác giả Trần Văn Miền [12] Đưa ra kết quả tương tự
Theo nghiên cứu của thầy Nguyễn Mạnh Tuấn Đại học Bách khoa TP.HCM
[13] đá dăm sử dụng cho vật liệu áo đường như cấp phối tự nhiên, cấp phối BTN nóng, làm vật liệu của lớp áo đường
Theo nhóm nghiên cứu của Lê Anh Pha trường Đại học Bách khoa TP.HCM
[14] Hàm lượng xỉ thép chiếm 50% tối ưu
Xỉ thép đóng vai trò quan trọng trong xây dựng bền vững, được sử dụng để tái chế và thay thế các cốt liệu với kích thước đa dạng, từ hạt mịn đến hạt to Nó không chỉ ứng dụng trong bê tông nhựa mà còn trong các lĩnh vực xây dựng khác như xi măng và vữa với nhiều mác bê tông khác nhau Việc sử dụng xỉ thép không chỉ giúp giải quyết tình trạng khan hiếm nguyên liệu trong nước mà còn hỗ trợ các nhà máy sản xuất thép trong quy trình tái chế hiệu quả.
Theo TS Nguyễn Quốc Hiển từ trường Đại Học GTVT HCM, việc sử dụng xỉ trong các lớp móng đường giao thông không chỉ giúp ổn định lớp móng nền mà còn cải thiện khả năng chống trượt và nâng cao khả năng chịu lực nén đáng kể.
Theo Nguyễn Văn Du [11] vệt hằn bánh xe, mỏi, vệt lún bánh xe cho bê tông nhựa 12.5mm có thay thế xỉ thép như (bảng 2.4, hình 2.17)
Bảng 2 1: Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe BTNC 12,5:
Số lượt (1 chu kỳ = 2 lượt)
Hình 2 17: Độ lún vệt bánh xe BTNC 12.5mm [11]
Xi măng thải ra một lượng lớn CO2, với 0.8 tấn CO2 được phát sinh cho mỗi tấn xi măng sản xuất, chủ yếu do phản ứng hóa học từ CaCO3 Việc sử dụng xỉ thép trong tái chế giúp giảm lượng CO2 thải ra xuống chỉ còn 0.3 tấn, mang lại lợi ích môi trường đáng kể Công ty TNHH Vật Liệu Xanh đã phát triển sản phẩm Ecoslag từ xỉ thép lò hồ quang điện, có khả năng thay thế đá trong bê tông asphalt rỗng, đồng thời cải thiện khả năng sử dụng xỉ thép Quá trình tái chế xỉ thép tại các khu công nghiệp bao gồm sàng lọc, nghiền và phân loại, cung cấp vật liệu san lấp thay thế hiệu quả, góp phần giải quyết vấn đề khan hiếm nguyên liệu trong tương lai Việc làm chủ công nghệ và chuyển giao cho các đối tác cũng giúp giảm thiểu ô nhiễm từ xỉ thải, tạo ra nền tảng vững chắc cho sự phát triển bền vững.
Hình 2 18: Hạt xỉ thép Ecoslag được chụp bằng ảnh SEM
Hình 2 19: Xỉ thép làm móng đường nội bộ nhà máy sản xuất thép đặc biệt POSCO
SS-VINA - KCN Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa [1]
Hình 2 20: Xỉ thép được dùng để san lấp mặt bằng [1]
+ Xỉ thép hoàn toàn thân thiện với môi trường
+ Xỉ thép tại các địa phương khi các vật liệu địa phương đã dần cạn kiệt
+ Các nghiên cứu đã tiến hành các vệt hằn bánh xe, mô đun phức động đều tốt
Xỉ thép đã được chứng minh là một hợp chất khoa học hiệu quả, với các nghiên cứu ngày càng chính xác và uy tín cao Việc thêm xỉ thép vào bê tông nhựa (BTN) giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của sản phẩm, điều này không phải loại vật liệu tái chế nào cũng có thể đạt được Mặc dù có nhiều nghiên cứu về các loại phế thải khác như nhựa polyme và tro trấu, nhưng xỉ thép vẫn nổi bật hơn và thu hút được sự quan tâm lớn Sử dụng xỉ thép trong BTN không chỉ mang lại hiệu quả mà còn đảm bảo tính an toàn cho mặt đường trong môi trường thực tế.
Xỉ là một loại vật liệu có sự khác biệt rõ rệt, dẫn đến việc các thí nghiệm tương tự có thể cho kết quả khác nhau Do đó, cần tiến hành nhiều nghiên cứu đa dạng hơn để xác định chất lượng của loại xỉ này Bên cạnh đó, việc khảo sát các loại xỉ từ các vùng miền khác nhau cũng rất quan trọng để đưa ra kết luận chính xác.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
LỰA CHỌN VẬT LIỆU
Hỗn hợp BTNC 12.5 được sản xuất từ cốt liệu lấy tại trạm Hồng An, Quận 9, TP HCM Các cỡ sàng của đá dăm sẽ được phân loại riêng biệt sau khi được đưa về phòng thí nghiệm.
Lựa chọn vật liệu Ảnh hưởng xỉ thép đến BTN được đánh giá thông qua thí nghiệm
Thí nghiệm Vệt hằn bánh xe
Trong nghiên cứu nghiệm, các bước thực hiện được trình bày theo hình 3.1 và được thiết kế cấp phối nghiên cứu bởi Trần Huy Hải [18] Mẫu BTN được chế tạo với tỷ lệ bitum 5% và có cỡ sàng cùng lượng lọt sàng cụ thể như đã nêu.
Bảng 3 1: Cấp phối sử dụng trong nghiên cứu
Error! Reference source not found
Cấp phối trong nghiên cứu
Hình 3 2: Đường cong cấp phối BTNC12.5
BTNC 12.5Giới hạn dưới Giới hạn trên
Nhựa đường dùng để trộn mẫu là Petrolimex mác 60/70, TCVN 8818-1:2011
Nghiên cứu này sử dụng BTNC 12.5mm làm nghiên cứu phối trộn lọt sàng ≥ 4.75mm với mục đích tận dụng và khai thác vật liệu phế thải Đặc biệt, nghiên cứu này thay thế hàm lượng cốt liệu đá bằng xỉ thép, nhằm tìm ra giải pháp tái sử dụng vật liệu phế thải đang còn tồn đọng.
Xỉ thép từ khu công nghiệp, như xỉ thép Vina Kyoei, được phân loại thành hai loại chính: thô và mịn Để đảm bảo chất lượng, phần hạt thô sẽ được rửa sạch bằng nước để loại bỏ tạp chất, sau đó được sấy khô ở nhiệt độ thích hợp Việc sử dụng xỉ thép này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành xây dựng mà còn góp phần vào việc phát triển vật liệu xanh, thân thiện với môi trường.
Xỉ thép được xử lý ở nhiệt độ 110 độ C và sau đó được sàng lọc để phân loại kích thước Quá trình này tạo ra hai kích thước chính: hạt thô có kích thước lớn hơn 4.75mm và hạt mịn có kích thước từ 4.75mm đến 0.075mm.
Bảng 3 2: Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép
TT Chỉ tiêu thí nghiệm Giá trị trung bình
2 Độ hao mòn Los- Angeles
Hình 3 3: Xỉ thép hạt thô kích thước trên 4.75mm và hạt xỉ thép có kích thước nhỏ hơn 4.75mm
PHƯƠNG PHÁP TRỘN XỈ THÉP VỚI BTN
Hàm lượng nhựa trong mẫu BTN là 5%, và việc cân các hạt cốt liệu yêu cầu sử dụng cân điện tử trong điều kiện gió mạnh hạn chế để tránh sai số Để đảm bảo độ chính xác, thiết bị cân cần được vệ sinh sạch sẽ, vì sự tồn tại của các hạt cốt liệu khác có thể ảnh hưởng đến kết quả Sau khi cân, mẫu BTN được sấy theo tiêu chuẩn TCVN 8819-2011, với cốt liệu được sấy ở nhiệt độ 170°C trong khoảng 4 giờ và bitum ở 150°C.
Sấy ở nhiệt độ 160 độ C trong khoảng 2 giờ là cần thiết, nhưng cần lưu ý không nên cho quá nhiều mẫu vào tủ sấy cùng lúc để tránh tình trạng chật chội hoặc các mẫu chồng lên nhau Nếu không, nhiệt độ của các mẫu sẽ không đồng đều, dẫn đến một số mẫu có thể không đạt yêu cầu Hỗn hợp cốt liệu cần được sấy đúng cách để đảm bảo chất lượng.
Để đảm bảo quá trình trộn hỗn hợp đạt hiệu quả cao, nhiệt độ cần thiết là 170°C trong khoảng 4 giờ, sau đó trộn với nhựa đường ở nhiệt độ 150°C trong 3 phút Cần chú ý trộn đều tay để tránh hiện tượng phân tầng, đồng thời đảm bảo lửa không quá lớn hoặc quá nhỏ để đạt được nhiệt độ cần thiết Thời gian trộn có thể kéo dài hơn để đảm bảo nhựa được phân bố đồng đều, vì sự không đồng nhất có thể dẫn đến sai lệch trong kết quả thí nghiệm Khi đưa mẫu vào khuôn, cần thực hiện nhanh chóng và chính xác để tránh bỏng do nhiệt độ hỗn hợp trên 100 độ Khuôn đúc cần được vệ sinh sạch sẽ để tránh thêm nhựa đường không mong muốn, gây ra sai lệch trong tỷ lệ nhựa Đặc biệt, khi lấy mẫu, cần sử dụng giấy chống dính để tránh thất thoát và biến dạng mẫu, từ đó đảm bảo kết quả thí nghiệm chính xác và đáp ứng yêu cầu nghiên cứu.
CÁC THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT HỖN HỢP BTNC 12.5
Theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn TCVN 8860-1: 2011 [20] Để thực hiện các thí nghiệm
Mặt đường BTN trong giai đoạn cao được mô phỏng, cho thấy sự suy giảm cường độ Phương pháp Marshall được áp dụng để đảm bảo lớp kết cấu áo đường không bị hư hỏng và biến dạng quá mức trong điều kiện bất lợi.
Tiến hành đúc 12 mẫu Marshall với hàm lượng xỉ thép (Vật liệu xanh và Vina Kyoei) thay đổi từ 50% đến 100% trên tổng khối lượng cốt liệu Mỗi mẫu sẽ tương ứng với một hàm lượng xỉ thép khác nhau, nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng.
3 mẫu Mẫu phải được kiểm tra độ thử nghiệm
Hình 3 4: Tổ hợp mẫu sử dụng cho thí nghiệm đo độ ổn định, độ dẻo Marshall
Hình 3 5: Đo mẫu Marshall bằng thước kẹp
Mẫu được nhấn chìm ở 60 o C ± 1 o C trong h= 40 phút ± 5 phút
Tiến hành thử nghiệm với tốc độ gia tải 50.8 mm/phút cho mẫu bị hư, điểm phá hoại xảy ra khi đạt lực lớn nhất Giá trị này phản ánh độ ổn định Marshall của mẫu BTN.
Thời gian thực hiện thí nghiệm không quá 30s
Hình 3 6: Thí nghiệm đo độ ổn định và độ dẻo Marshall Độ ổn định Marshall của mẫu được xác định bởi công thức:
Trong đó: - Nội suy từ Bảng 1 của TCVN 8860-1:2011 ra K là hệ số điều chỉnh
- P là lực nén lớn nhất, tính bằng kN Độ dẻo Marshall F (mm) là giá trị biến dạng của mẫu tại giá trị P lớn nhất
3.3.2 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
Thí nghiệm mô đun đàn hồi được thực hiện theo chỉ dẫn của 22TCN 211 – 06, mục C.3.1 [21]
Thí nghiệm nhằm đo giá trị đàn hồi của mẫu BTN, giúp xác định chiều dày của lớp BTN trong quá trình thiết kế áo đường
Trong thí nghiệm, các mẫu có đường kính D = 10 cm và chiều cao H = 10 cm (sai số ± 0.2 cm) được duy trì ở áp lực 30 MPa trong thời gian 3 phút Hàm lượng BTNX được sử dụng là 50% và 100% Tổng số mẫu thực hiện thí nghiệm là 8 mẫu, với mỗi hàm lượng xỉ thép có 2 mẫu riêng biệt.
Thí nghiệm được thực hiện ở ba nhiệt độ: 15 o C, 30 o C và 60 o C Các mẫu được bảo dưỡng trong tủ ổn định nhiệt trong 2,5 giờ trước khi tiến hành nén mẫu.
Mẫu được ép một lần, sau đó ghi nhận giá trị của chuyển vị kế khi gia tải Tiếp theo, tiến hành ghi nhận giá trị chuyển vị kế khi dỡ tải Trị số biến dạng đàn hồi L được tính bằng hiệu giữa giá trị chuyển vị kế lúc dỡ tải và lúc gia tải.
Trị số mô đun đàn hồi được tính theo công thức sau: Hình 3 7: Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
+ P (kN) là lực tác dụng tính toán
3.3.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Thí nghiệm này mô phỏng hoạt động của mặt đường BTN trong điều kiện nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ giảm, BTN sẽ bị co lại, và dưới tác động của tải trọng trong thí nghiệm, hiện tượng co lại này dẫn đến sự xuất hiện của ứng suất kéo, gây ra hiện tượng nứt trên mặt đường.
Mẫu Marshall được tạo ra với xỉ thép thay thế ở ba tỷ lệ: 0% (mẫu bê tông nhựa không có xỉ thép), 50% và 100%, tổng cộng có 8 mẫu, mỗi tỷ lệ xỉ thép có 2 mẫu riêng biệt Quá trình ép chẻ được thực hiện ở nhiệt độ 25°C, và mẫu được bảo dưỡng trong bình ổn định nhiệt trong khoảng thời gian từ 30 đến 60 phút, với dung sai nhiệt độ là ±1°C.
Mẫu thử đặt lên tấm bằng thép, lắp vào bàn nén và tiến hành nén mẫu Tốc độ di chuyển của bàn nén là 50.8 mm/phút
Hình 3 9: Bố trí thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Với: - Rkc là cường độ, MPa;
- H và D là cao và đường kính mẫu (mm)
3.3.4 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi động (mô đun phức động)
Xác định dynamic modulus theo tiêu chuẩn EN 12697-26C [23]
Mô đun phức động là thông số input Giá trị này phản ánh ứng xử của BTN
Máy DTS-30 là thiết bị thí nghiệm đa năng, có khả năng thực hiện các phép thử kéo và nén, phù hợp để kiểm tra nhiều loại vật liệu khác nhau như nhựa đường, đất và vật liệu dạng hạt.
Bộ CDAS kỹ thuật số của Pavetest, cùng với phần mềm TestLab và các phụ kiện đi kèm, điều khiển 30 thiết bị Hệ thống bao gồm tủ ổn nhiệt và bộ điều khiển nhiệt độ rời để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Mẫu d= 100mm và h= 150mm Tương ứng mỗi hàm lượng xỉ thép, có 1 mẫu được chế bị
Nhiệt độ thí nghiệm là -10 o C, 4 o C, 21 o C, 37 o C và 54 o C có các tần số của tải trọng tác dụng lên mẫu lần lượt là 0.1 Hz, 0.5Hz, 1 Hz, 5 Hz, 10 Hz và 25 Hz
Lắp mẫu vào khung thí nghiệm và gắn chuyển vị kế trước khi đặt vào máy DTS30 Thiết lập nhiệt độ thí nghiệm và chờ cho mẫu đạt đến nhiệt độ mong muốn, sử dụng một mẫu quy chiếu có gắn nhiệt kế để theo dõi.
Quá trình tác dụng xung lực bao gồm 10 lượt xung lực đầu tiên nhằm hiệu chỉnh độ lớn và chu kỳ lực, đảm bảo phù hợp với giới hạn biến dạng ngang đã được thiết lập.
Hình 3 11: Thí nghiệm xác định mô đun phức động của mẫu bê tông nhựa
Hình 3 10: Dạng của xung lực thể hiện qua thời gian tăng tải và tải trọng lớn nhất
Phát triển Master Curve cho dynamic modulus được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu tần số tại từng nhiệt độ Đường cong Master Curve được xây dựng từ các số liệu tại các nhiệt độ tham chiếu và áp dụng hệ số chuyển (shift factor) để chuyển đổi dữ liệu từ các nhiệt độ khác về một đường cong thống nhất.
Hình 3 12: Hệ số dịch chuyển a(T) trong nghiên cứu
Hệ số dịch chuyển (shift factor) được được biểu diễn dưới dạng logarit như Hình 3.12
Công thức được xây dựng: (3.6)
Log Hệ số Shift (aT)
Nhiệt độ ( o C) t: số lần tải, nghịch đảo của tần số tải tr: số lần tải ở nhiệt độ tham khảo
Hình 3 13: Dạng đồ thị Master curve theo hàm sigmoidal
Dựa vào Master Curve được E* bởi (3.7)
Log E = + + e + (3.7) Trong đó: tr: số lần tải tại nhiệt độ tham khảo
+ : tham số biểu diễn hình dạng của hàm sigmoidal
: biến số của hàm gradation
3.3.5 Thí nghiệm xác định vệt hằn bánh xe
Theo quyết định 1617/QĐ-BGTVT, có ba phương pháp thử nghiệm A, B và C, mỗi phương pháp yêu cầu các thí nghiệm khác nhau, dẫn đến kết quả đầu ra cũng khác nhau Đặc biệt, phương pháp thí nghiệm A sử dụng nước nóng ở nhiệt độ 50 độ C, do đó cần thực hiện các thí nghiệm phù hợp để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Chiều sâu lún của mẫu bê tông nhựa được xác định khi bánh xe tác dụng lên mẫu trong môi trường nước thí nghiệm ở 50°C Qua việc phân tích vệt hằn bánh xe và đồ thị liên quan, chúng ta có thể xác định điểm bong của màng nhựa So sánh giữa mẫu bê tông nhựa không có xỉ thép và mẫu có xỉ thép cho thấy sự khác biệt rõ rệt về khả năng kháng vệt hằn.
Bảng 3 3: Quy định về độ sâu vệt hằn bánh xe với phương pháp A [24]
Phân loại bê tông nhựa Độ sâu vệt hằn bánh xe
1 Bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa thông thường (theo TCVN 8819:2011), sau 15000 lần tác dụng tải
2 Bê tông nhựa polime (theo 22TCN
356:2006), sau 40000 lần tác dụng tải ≤12.5
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
THÍ NGHIỆM MÔ ĐUN ĐÀN HỒI VẬT LIỆU
Ở 15 o C, 30 o C và 60 o C mẫu BTNC 12.5 chưa thay thế xỉ thép và hàm lượng xỉ thép 50%,100% của X (Vật Liệu Xanh) và K (Vina Kyoei) được tổng hợp ở Bảng 4.1
Hình 4 1: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 4 1: Tổng hợp kết quả xác định mô đun đàn hồi
Mô đun đàn hồi (MPa)
Xỉ thép và giá trị mô đun tại 3 cấp độ nhiệt thực hành cho thấy giá trị mô đun của mẫu ở các giai nhiệt khác nhau có xu hướng biến đổi tương tự Cụ thể, giá trị mô đun của các mẫu sử dụng xỉ thép giảm khi hàm lượng xỉ thép tăng đối với BTNX X và K Tại nhiệt độ 15 o C, 30 o C và 60 o C, giá trị mô đun đạt mức thấp nhất lần lượt là 719.1 MPa, 342.4 MPa và 172.7 MPa Tuy nhiên, mẫu có xỉ thép vẫn cao hơn mẫu BTNC, với giá trị tối đa xỉ 50% cho xỉ Vật Liệu Xanh và Vina Kyoei Kết quả về mô đun đàn hồi phù hợp với nghiên cứu của Ibrahim Asi, Hisham Qasraw và Shalabi, Mansour Fakhri Nguyễn Phi Sơn chỉ ra rằng giá trị mô đun của mẫu BTN xỉ thép cao hơn mô đun của mẫu BTN thông thường tới 75% (>67% trong nghiên cứu với hàm lượng xỉ thép cao nhất 50% X), trong khi Lê Anh Pha cũng kết luận rằng mô đun mẫu BTNX cao hơn mẫu BTN thông thường khi tối ưu 50%.
THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO GIÁN TIẾP (ÉP CHẺ)
Bảng 4 2: Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở 25 o C
K Cường độ ép chẻ (N/mm 2 ) 1.18 1.22 1.23 1.27 1.28
Hình 4 2: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Cường độ chịu kéo khi ép chẻ (MPa)
Cường độ ép chẻ của mẫu BTNC12.5 cho thấy mẫu không sử dụng xỉ đạt 1.18 MPa, trong khi mẫu sử dụng xỉ thép có cường độ cao hơn, với 100% xỉ thép K đạt 1.28 MPa và 100% xỉ thép X đạt 1.27 MPa Sự gia tăng cường độ ép chẻ tỷ lệ thuận với hàm lượng xỉ thép, chứng minh rằng ở nhiệt độ 25 o C, xỉ thép có khả năng chống vệt chân chim trong hỗn hợp BTN Ngoài ra, tại cùng một hàm lượng xỉ thép, mẫu chứa xỉ thép Vina Kyoei cho thấy thông số nén tốt hơn so với mẫu có xỉ thép Vật Liệu Xanh.
THÍ NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH, ĐỘ DẺO MARSHALL
Bảng 4 3: Kết quả đo độ dẻo và độ ổn định Marshall
Hình 4 3: Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thép đến độ ổn định và độ dẻo
Mối quan hệ giữa độ ổn định và độ dẻo Marshall của BTNX cho thấy rằng khi hàm lượng xỉ thép tăng, độ ổn dẻo và giá trị độ ổn định Marshall cũng tăng theo Độ ổn định Marshall đạt tối đa 10.35 kN với 50% xỉ thép K (Vina Kyoei), cao hơn so với 10.29 kN của 50% xỉ thép X (Vật Liệu Xanh) Độ ổn định Marshall có xu hướng cao nhất tại hàm lượng xỉ 50%, cho thấy rằng mẫu chứa xỉ thép đều có độ ổn định và độ dẻo Marshall cao.
0.0% 50% X 50% K 100% X 100% K Độ dẻo Marshall Độ ổn định Marshall (kN)
Hàm lượng xỉ thép ảnh hưởng đến độ ổn định và độ dẻo của mẫu bê tông nhựa nóng (BTNC) Biểu đồ cho thấy mẫu chứa xỉ thép của Vina Kyoei có độ ổn định Marshall trung bình (KN) cao hơn so với mẫu BTNC 12.5 và đạt tiêu chuẩn TCVN 8819:2011 với giá trị ≥ 8 (kN) Đồng thời, độ dẻo Marshall trung bình (mm) của mẫu này nằm trong khoảng từ 2 – 4 (mm), cho thấy tính ưu việt của vật liệu xanh trong cùng hàm lượng.
Nghiên cứu của nhóm tác giả China cho thấy, mẫu BTN sử dụng xỉ thép đạt giá trị tốt nhất là 14 kN, vượt trội so với mẫu BTN không có xỉ thép chỉ đạt 10 kN Mặc dù độ ổn định và độ dẻo Marshall trong nghiên cứu này thấp hơn một chút, nhưng vẫn tương đương với nhau Kết quả thí nghiệm về độ ổn dẻo và độ ổn định của Marshall trong nước cũng cho thấy sự tương đồng với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực này.
Vậy cho thêm xỉ thép giúp khả năng ứng xử của BTN trong nhiệt giai cao dưới tác động của độ ẩm tốt hơn.
THÍ NGHIỆM DYNAMIC MODULUS
Bảng 4 4: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 thông thường, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4 5: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Xỉ
Thép 50% X, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4 6: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Xỉ
Thép 50% K, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4 7: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Xỉ
Thép 100% X, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4 8: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Xỉ
Thép 100% K, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Hình 4 4: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của BTN không sử dụng xỉ thép
Hình 4 5: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của BTN có hàm lượng xỉ 50% X
Biểu đồ thí nghiệm mô đun phức động (E*) với 0% Xỉ
Biểu đồ thí nghiệm mô đun phức động (E*) với xỉ 50% X
Hình 4 6: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của BTN có hàm lượng xỉ 50% K
Hình 4 7: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của BTN có hàm lượng xỉ 100% X
Biểu đồ thí nghiệm mô đun phức động (E*) với xỉ 50% K
Biểu đồ thí nghiệm mô đun phức động (E*) với xỉ 100% X
Hình 4 8: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của BTN có hàm lượng xỉ 100% K
Mô đun phức động được trình bày qua các hình 4.4 đến 4.8, cho thấy sự khác biệt giữa BTN và BTNX ở các cấp nhiệt và tần số rung động khác nhau Khi nhiệt độ giảm và sự rung động tăng, giá trị dynamic modulus E* cũng tăng theo Mối quan hệ định tính và định lượng cho thấy rằng khi tần số rung động tăng, mô đun phức động cũng tăng, đặc biệt là với mẫu BTN khi tác động lên mặt đường Ở nhiệt độ thấp, giá trị dynamic modulus càng cao, điều này giúp cải thiện thiết kế mặt đường Đường cong chủ giữa sự rung động và dynamic modulus của BTNC và BTNX được nghiên cứu qua các hình 4.9 đến 4.14, với mối tương quan được thể hiện rõ trong hình 4.14.
Biểu đồ thí nghiệm mô đun phức động (E*) với xỉ 100% K
Hình 4 9: Đường cong chủ của mẫu BTNC 12.5 thông thường
Hình 4 10: Đường cong chủ của mẫu BTNC 12.5 với xỉ 50 % X
Hình 4 11: Đường cong chủ của mẫu BTNC 12.5 với xỉ 50% K
Hình 4 12: Đường cong chủ của mẫu BTNC 12.5 với xỉ 100% X
Hình 4 13: Đường cong chủ của mẫu BTNC 12.5 với xỉ 100% K
Mô đun phức động của các mẫu BTNC 12.5 được nghiên cứu với các điều kiện nhiệt độ 4 o C, 21 o C và 37 o C Đường log chủ của BTNC thường và các mẫu BTNX chứa hàm lượng tương ứng cho thấy sự tương quan rõ ràng Thí nghiệm này giúp xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ học của các mẫu bê tông nhựa.
Mẫu bê tông nhựa chứa xỉ thép X (Vật Liệu Xanh) có dynamic modulus cao hơn mẫu BTN thông thường và mẫu BTN chứa xỉ thép K (Vina Kyoei) ở nhiệt độ 37°C và 21°C Cụ thể, ở 21°C, dynamic modulus của mẫu BTNX X cao nhất đạt 50% so với mẫu BTN thông thường Tại nhiệt độ 4°C, mẫu bê tông nhựa chứa xỉ thép X vẫn có dynamic modulus cao hơn mẫu BTN thông thường, trong khi mẫu BTN thông thường lại có chỉ số mô đun phức động cao hơn mẫu BTN chứa xỉ thép K Biểu đồ đường cong chủ cho thấy dynamic modulus của các mẫu bê tông nhựa thông thường và mẫu BTNX đạt 50% và 100% ở các nhiệt độ khác nhau, cho thấy rằng các mẫu chứa xỉ thép đều có dynamic modulus cao hơn so với mẫu BTN không chứa xỉ thép trong môi trường có tải trọng lặp lại nhiều lần.
THÍ NGHIỆM VỆT HẰN BÁNH XE
Thí nghiệm dừng lại khi chiều sâu mẫu lún bằng 12.5mm, hoặc mẫu bị phá hoại trước khi độ lún đạt 12.5mm
Bảng 4 9: Thí nghiệm vệt hằn bánh xe của 4 cấp phối
Số lượt tác dụng (lần) Chiều sâu lún (mm)
Hình 4 15: Biểu đồ số lượt tải tác dụng lên mẫu của các cấp phối khi mẫu đạt chiều sâu lún 12.5mm
Hình 4 16: Biểu đồ quan hệ chiều sâu lún với số lượt tác dụng của từng cấp phối
Mẫu BTNX có khả năng kháng lún vượt trội hơn so với BTNC 12.5 Bê tông nhựa chứa xỉ thép K (Vina Kyoei) cho thấy số lượt tác dụng cao hơn so với bê tông nhựa chứa xỉ thép X (Vật Liệu Xanh) khi cùng hàm lượng xỉ thép Đặc biệt, mẫu 100% K đạt chỉ số cao nhất trong các thử nghiệm.
Số lượt tác dụng (mm)
Hình 4 17: Biểu đồ xác định điểm bong màng nhựa bê tông nhựa không chứa xỉ thép
Hình 4 18: Biểu đồ xác định điểm bong màng nhựa bê tông nhựa 50%X
Hình 4 19: Biểu đồ xác định điểm bong màng nhựa bê tông nhựa 50%K
Hình 4 20: Biểu đồ xác định điểm bong màng nhựa bê tông nhựa 100%X
Hình 4 21: Biểu đồ xác định điểm bong màng nhựa bê tông nhựa 100%K
Bảng 4 10: Kết quả số lượt tác dụng tại điểm bong tróc màng nhựa
Số lượt tác dụng tại điểm bong tróc màng nhựa (lần)
Trong giai đoạn đầu, mẫu bê tông nhựa lún sâu khi chịu tải trọng thấp, thể hiện quá trình đầm nén chặt Kết quả thí nghiệm cho thấy mẫu bê tông nhựa (BTN) chứa xỉ thép K (Vina Kyoei) có khả năng chịu đựng số lượt tác dụng cao hơn khi so với mẫu BTN thông thường và mẫu chứa xỉ thép X (Vật Liệu Xanh) Cụ thể, số lượt tác dụng tại điểm bong tróc màng nhựa tăng theo hàm lượng xỉ thép, với mẫu BTN chứa xỉ thép X đạt tối đa 700 lượt tại 100% X, trong khi mẫu chứa xỉ thép K đạt 1200 lượt tại 100% K.
Thí nghiệm này cho thấy tác dụng của bê tông nhựa (BTN) có sự khác biệt rõ rệt giữa các cấp phối, với mỗi cấp phối thể hiện số lần tác dụng riêng biệt Điều này cũng phản ánh thực tế khi các mặt đường từ các công ty thiết kế cấp phối khác nhau cho thấy số lần tác dụng không giống nhau Do đó, để đánh giá chất lượng của bê tông nhựa, việc tham khảo số lần tác dụng của BTN là rất cần thiết.