- Nghiênec u cơ sở khoa học của dé tài.- Phan 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 dam và cốt liệu x thép mác
Trang 1TON NU PHƯƠNG NHI
NGHIÊN CỨU SỬ DUNG XI THÉP LAM COT LIEUTRONG CHE TAO BE TONG XI MANG O VIET NAM
Chuyên ngành : Vat liệu va Công nghệ vật liệu xây dung
Mã số: 605880
LUẬN VÁN THẠC SĨ
TP HO CHI MINH, tháng 6 năm 2014
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Miễn
Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH Phùng Văn Lự
Cán bộ cham nhận xét 2: TS Lê Anh Tuan
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 9 tháng S năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS TS Nguyễn Văn Chánh — Chủ tịch Hội đồng2.TS Vũ Quốc Hoàng — Thư ký Hội đồng
3 GS TSKH Phùng Văn Lu — Ủy viên Phản biện 14 TS Lê Anh Tuan — 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 (nêu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỚNG KHOA XÂY DỰNG
Trang 3NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Tôn Nữ Phương Nhi MSHV:10190719Ngày, thang, năm sinh: 30/3/1982 Noi sinh: Lé Thuy — Quang Binh
Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dung Mã số : 605880I TÊN DE TÀI:
Nghiên c u sử d ngx thép làm cốt liệu trong chế tạo bê tông xi măng ở Việt Nam.H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- _ Tổng quan tình hình nghiên c u về x thép dùng làm cốt liệu trong bê tông ở trongnước và trên thế giới
- Nghiênec u cơ sở khoa học của dé tài.- Phan 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 dam 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 chođường giao thông: 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 mòn, tính thắm nước vàđộ bền của bê tông: so sánh với mẫu đối ch ng là bê tông cốt liệu đá thiên nhiên.- Phan tích vi cau trúc bằng kính hién vi điện tử quét (SEM)
- _ Kết luận và kiến nghị của đề tài.HI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2014.IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014.V CÁN BO HƯỚNG DAN : Tiến sỹ Trần Văn Miền
Tp HCM,ngày tháng năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS Trần Văn Miền PGS.TS Nguyễn Văn Chánh
TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG
Trang 4Lời dau tiên, tôi muốn cam ơn øia đình đã luôn ở bên và động viên, tạo diéu kiện détôi có thé yên tâm thực hiện dé tai của mình.
Luận văn tốt nghiệp của tôi được hoàn thành là thành quả của quá trình học tập,rèn luyện và tích lity kiến thức tại Tì ruong Đại học Giao thông ván tải Ha Nội, TrườngĐại học Bách khoa Thành phố Hồ Chi Minh va những học hỏi từ kinh nghiệm thực té
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý Thay Cô Trường Dai hoc Bách Khoa, KhoaKỹ Thuật Xây Dựng — Bộ môn Vat liệu va cấu kiện xây dựng, đã truyền đạt kiến thức
và kinh nghiệm quý bau cho tôi.
Cam ơn các anh chị, các bạn dong nghiệp, các em sinh viên ngành Vat liệu xây
dựng khóa 2009 trường Dai học Bách khoa TP HCM và các em sinh viên khóa 35
ngành Công nghệ vật liệu trường Cao đăng Giao thông vận tai III TP HCM đã giúp
đỡ tôi trong thời gian làm thực nghiệm tại phòng thi nghiệm vat liệu xây dựng B7 &Bo.
Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thay TS Tran Van Miễn, người đãtận tình hướng dẫn giúp tôi hoàn thành luận văn này
Vi thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế, chắc chắn dé tài sẽ không tránh khỏinhững thiếu sót
Rat mong sự đóng góp ¥ kiến từ các Thay Cô, các anh chị và các ban
Chan thành cam on!
TP.HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2014
Học viên
TON NU PHƯƠNG NHI
Trang 5Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công 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 sốliệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công 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 tải liệu tham
khảo của luận văn.
Tác giả luận văn
Tôn Nữ Phương Nhi
Trang 6giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm Tại Việt Nam, lượng x thép
thải ra từ các nha máy luyện thép hơn 1 triệu tắn/năm - là nguồn chất thải công nghiệpkhông 16 Nếu giải quyết bang cách chôn lap sẽ gây tốn kém, tốn quỹ dat, 6 nhiễm môitrường Đề tài này nghiên c u thay thé hoan toàn đá thiên nhiên bang x thép làm cốtliệu lớn trong bê tông xi măng X lẫy từ khu công nghiệp Phú Mỹ được phân tíchthành phan hoa, khối lượng riêng, độ hút nước, độ mài mòn, độ nén dập và độ bềntrong môi trường sunfate Kết quả phân tích cho thấy do ham lượng Fe;Ox trong xthép 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 thông nhau, hat x có độ hút nước lớnhơn đá Các thí nghiệm về tính chất cơ học của cốt liệu cho thay so với da, x thép cóđộ nén dập trong xi lanh lớn hơn nhưng hệ số hóa mềm lại thấp hơn; độ hao mòn LosAngeles của x thấp hơn đáng kế; và độ hao h t khối lượng của x trong môi trườngsunfate nhỏ hơn Như vậy nhược điểm lớn nhất của x là có khối lượng riêng lớn, trongkhi các thông số khác đều tốt hơn hoặc tương đương Đặc biệt độ x có mài mòn thấpđáng ké so với đá, là yếu tố có lợi khi sử d ngx cho các công trình đường giao thông.Bê tông xi măng cốt liệu x và cốt liệu đá được khảo sát tính chất vật lý, tính chất cơhọc và độ bền trong các môi trường xâm thực Kết quả nghiên e u cho thay:
- Cốt liệu x thép làm giảm đáng kể độ lưu động của hỗn hợp bê tông; làm tăng khốilượng thể tích bê tông va 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 bêtông cốt liệu đá thiên nhiên Quy luật phát triển cường độ nén của bê tông cốt liệu xcũng giống với quy luật phát triển cường độ nén của bê tông cốt liệu đá Đặc biệt bêtông cốt liệu x có kha năng chống mài mòn tốt hơn so với bê tông cốt liệu đá
- Trong môi trường xâm thực axit (axit HCl), bê tông cốt liệu x thép kém bên so vớibê tông cốt liệu đá Tuy nhiên trong môi trường xâm thực sunfate (MgSO,) , khả năngchống xâm thực của bê tông cốt liệu x lại tương đương bê tông cốt liệu đá
- Có thé sử d ng x thép làm cốt liệu để chế tạo bê tông xi măng có mác 30 MPa và 40MPa làm kết cau mặt đường giao thông
Trang 7around the world in general and Vietnam to be specific In Vietnam, the steel slagproduced 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 toenvironment In this work, steel slag was used as replacement of limestone as coarseaggregate in concrete Steel slag from Phu My industrial zone was analyzed onchemical composition, specific gravity, bulk specific gravity, water absorption,abrasion, crushing value and soundness in sunfate The result points out that the Fe.O3content in the steel slag is quite high (about 39,2%), which increases the specificgravity of the steel slag (1,3 times to stone) Alongside, due to the porous structurewith 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, thecrush 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 isequivalent of or better than stone Especially, the abrasion of steel slag is significantlower than stone, which makes it an advantageous factor to the making of the roadsurface Concrete which contain steel slag and limestone is surveyed on the physical,mechanical properties and the durability in corrosion environment From the result, wecan jump to some conclusions such as:
- Steel slag makes the workability of concrete mixture low, increases the bulk specificgravity and doesn't affect so much to the water absorption of concrete.
- Mechanical properties of steel slag concrete are equivalent of or better than limestoneconcrete The developing rules of the compressive strength of steel slag concrete issimilar to limestone concrete.
- In HCI environment, steel slag concrete is not as durable as limestone concrete.However, in sunfate environment (MgSO,), the ability to anti-erode of steel slagconcrete is equivalent to limestone concrete.
- Using the results we have above, we can use steel slag as the aggregate to createconcrete 30MPa and 40MPa as the structure of road.
Trang 8MỤC LỤCCHUGONG 1 TONG QUAN tt 11191911 51111151111 1 11T 1H11 ng |
1.1 Sự cần thiết của dé tài nghiên CỨU - ¿©6 SE SE SE 3S 5E E3 151251121111 xe |1.2 Giới thiệu về xỉ thếp ¿SE 1E 2 E23 151515 1111111111111 11 11011511011111 0111011110 y0 2
1.2.1 Quá trình hình thành c9 990110 ng 2
1.2.2 Ứng dụng của xi thép trong xây dựng -:- + 5c cx+cccecxsrcrerrererereee 51.3 Tình hình nghiên cứu xỉ thép trên thế giới và tại Việt Nam . - 81.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới c.ccecccccccseseseseseseesesesessesesseseseseessseeeeees 8
1.3.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam - SH 1 1 ke 12
1.4 Tổng quan tình hình xây dựng đường bê tông xi măng ở Việt Nam 14
15 Mục tiêu và nội dung nghiÊn CỨU << << 1 1199910101111 ngờ 16[.5.I Mục tiêu nghiÊn CỨU - G000 re 16
1.5.2 Nội dung nghiên CỨU G0000 re 17
CHƯƠNG2_ CƠ SỞ KHOA HỌC -G- 1xx 911121 8E 9181915111 5111581 xe 182.1 Lý thuyết quá trình đóng ran của xi măng Portland [6] - 2s: 182.2 Cấu trúc của bê tông xi măng [4], [6] - 5-5 2 2 £+£+E+E+E£E£EeE+E£EzErkrkresesree 252.3 Ảnh hưởng của hàm lượng và tinh chất cốt liệu đến các tính chất của bê tông [6]
29
24 Độ bên chống xâm thực của bê tông xi măng trong môi trường axit va muối axit
[7] 362.4.1 Trong môi trường axit - c0 re 37
24.2 Trong môi trường muối aXỈK - + ¿2E E2 SE +E£E£E£EEEEEEEESEEEEEErErkrkrrrreee 38
2.5 Bé tông xi măng làm đường giao thong - <1 1x3 1 9 1 ke 40
Trang 90081:7101 di 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 HỆ NGUYEN VAT LIEU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43
3.1 Hệ nguyên vật liệu sử dụng - - - - << << HH ng 433.[.Ï XI măng - - có Họ 433.1.2 Cốt liệu nhỏ s1 519121 11 5 5181911113 51112111 11110151111 111gr rời 433.1.3 Cốt liệu lớn tk 111919111 5 9111511119 1110111 1111101111 1g cư 45BLA NƯỚC LH nọ TH 573.1.5 Phụ gia SIÊU đẺO Gv 573.2 Phương pháp thực nghiỆm - .- << - G1119 99011 ng ng ve 583.3 Thiết kế cấp phối bê tông xi măng ¿2 + 2 S2+E+S£SE+E+E£E£EeErErverererrees 583.4 Sơ đỗ các bước tiến hành nghiên CỨU ¿-¿- 2 25625 S++E+E+EE£E+EeErErverererrees 60CHƯƠNG4 KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU GG < + 6t E993 EeEeEEESESEEeEseserkes 614.1.1 Anh hưởng của xi th p đến độ lưu động cla h n hợp bêtông 61
4.1.2 Ảnh hưởng của xi th p đến khối lượng thé tích và độ hút nước của bê tông634.1.3 Ảnh hưởng của xi th p đến sự phát triển của cường độ nén của bê tông Ó54.1.4 Ảnh hưởng của xi th p đến mô dun đàn hồi của bê tông - - 68
4.1.5 Anh hưởng của xi th p đến cường độ chịu kéo của bê tông 70
4.1.6 Ảnh hưởng của xi th p đến tính thấm nước của bê tông - 74
4.1.7 Ảnh hưởng của xi th p đến độ mài mòn của bê tông -: 75
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi ii
Trang 10CHƯƠNG5§ KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - 6 SE EsEsEeE+EEEeEseseexes 835.I KẾT luận G11 121v 1111211 H111 TT HT TH ng rec 835.2 Kiến nghị -cc Sen 1 HT 1111121111111 01 1110111112 1101011120 010101011112 84TAI LIEU THAM 9:7 91 85
Trang 11Hình 1.1: Hình dạng và cấu tric! r ng bên trong xỉ cốt liệu -. - 2 s55: 2Hình 1.2: Quy trình sản xuất sắt lò điện hồ quang - + ¿2 + + 5s+s+£e+s+xseezxrsee 3Hình 1.3: Ung dụng của xỉ thếp [24] ¿+ 2 2+5 SE+E+EEEE£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrkrkrrees 5Hình 1.4: Mặt đường bê tông cốt liệu xỉ thép (a) và cốt liệu đá tự nhiên (b) sau 10năm sử
40052777 6
Hình 1.5: Đồ bê tông asphalt đường tại Thái Lan 5-2 5 2 252 2E+E+E+£z£E£EzEzesree 6Hình 1.6: Đường ở thành phố Port Phillip, Australia ¿5-52 2 2 5s+s5s+s+s+zszszsee: 6Hình 1.7: Đường cao tốc 74 của Mỹ được làm ti XỈ - - ¿55 52c cectcrrxrrerererrees 6Hình 1.8: Xi được rải trên bề mặt đường sắt Ở Canada ác ca cv k1 gen ree 6
Hình 1.9: Toà nhà The Cathedral of Christ the Light, Oakland, California, USA làm từ
cốt liệu tro bay, xỉ th p Va Xi măng ¿6E S2 E23 1 E5 E1 1111115111111 1111111101111 e 7Hình 1.10: Sân Beijing National Indoor Stadium (Trung Quốc) .- 25-5 s55: 7
Hình 1.11: Xỉth p được dùng làm gạch xây tường Ăc HH va 7
Hình 1.12: Xử lý nền móng yếu, ngập nước hoặc thi công trong mùa mưa băng xỉ thép 7Hình 1.13: Quan hệ giữa hàm lượng xi thay thé đá dam và độ hút nước của mau [1] 9
Hình 1.14: Quan hệ giữa cường độ nén sau 7 ngày (1) và 28 ngày (2) với hàm lượng xi
"8/1010 10Hinh 1.15: Anh hưởng cua ham lượng xi th p dén cường độ chịu uốn [ Í] -: 10Hình 1.16: Sự phát triển cường độ của bê tông Mác 700 [18] - 2-2 5552: 13Hình 1.17: Cường độ n n của BTN dùng cốt liệu xi th p và đá vôi [12] - 14Hình 2.1: Mô hình cau trúc khoáng Alit và BÌi( ¿5-5 +52 5++x+££x+xeErxrrerererrees 18Hình 2.2: Mô hình mặt cắt ngang mẫu xỉ MANY + 2 55+ 2 ++x+£ze+xerererree 19Hình 2.3: Khối lượng các chất sinh ra theo thời gian của quá trình thủy hóa xi măng 25Hình 2.4: Cường độ bê tông khi có cốt liệu hạt thoi, đẹt ¿se seEsEseeesesersesed 34
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi iv
Trang 12Hình 3.2: Chuẩn bị mẫu thí nghiệm xác định độ nén dập trong xi lanh cua cốt liệu lớn 48Hình 3.3: Cho cốt liệu vào Xi lanhh - - - s s 312x191 91 21 3E 9111121 91112121 gxgxei 48Hình 3.4: Xi lanh day cốt liệu ¿6-5-5213 SE S33 123911 21211121211111 2111111111 cxye 48
Hình 3.5: Đưa xi lanh lÊn may 1 ïn - << G G3 0111118133111 1 19 0 ng ke 49Hình 3.6: Nén Xi lanh - - c2 000000 11003010000 1000 110g HH HH ng ch ru 49Hình 3.7: Cho bị thép vao may - Lọ nọ 52
Hình 3.8: Lay bi thép sau khi chạy 500 vòng ¿- 5+ 252222222 2E+EEE2EErErrerrrrrrees 52Hình 3.9: Cốt liệu sau khi thí nghiỆm 000 SH ng 53Hình 3.10: Rây cốt liệu - - ¿5652112 2 121211151511 1 11111511111 111111111101 0111111101011 y0 53Hình 3.11: Phan cốt liệu trên ray 1 /7mm - ¿+ + + 2 £+E+E£E+E£EE£E£E£ESESEEEEErkrkrrerees 53Hình 3.12: Phan cốt liệu trên rây l /7mm - ¿2+ + 2 2 +E+E£E+E£EE£E£E£ESESEEEEErkrkrrereei 53Hình 3.13: Rửa cốt liệu XỈ - E111 S931 91 1E 91919195 9111915111 H111 ng gi 54Hình 3.14: Rửa cốt liệu đíá - =1 1k2 S193 91 91 1E 91111151 91118121111 111g ng gi 54Hình 3.15: Cốt liệu sau khi sấyy - - + c1 1 S1 1 1 1511111121 11211111111 0101111010111 0 cy 0 55
Hình 3.16: Cho dung dịch MgSO4q VàO G G0 Họ 55
Hình 3.17: Rửa cốt liệu sau 5 chu Kỳ ¿- + 2526262 SE EEEEEE9E 1 1212113 11111111 xe 55Hình 3.18: Cân cốt liệu sau khi sấy - + 25622 3E 1 E21 151111121 1117111 1111111 ctx 55Hình 4.1: Độ sụt của bê tông xỉ (a) và bê tông đá (b) khi chưa ngâm bão hòa cốt liệu lớn
Hình 4.2: Độ sụt củah n hợp bE tông - - - << << s9 0 re 62
Hình 4.3: Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ th p đến khối lượng thé tích và độ hút nước của 65Hình 4.4: Sự phát triển cường độ nén theo thời gian ¿+ + + 2 s+x+czzs+x+ezsrree 66Hình 4.5: Cường độ bê tông ở 28 ngày tudi theo các tỷ lệ N/X veecccccsessssesseesesseseseeeesesee 67Hình 4.6: Nén mẫu (a) va bề mặt mẫu bê tông xỉ bị phá hoa eee eee 68
Trang 13Hình 4.8: Ảnh hưởng của ti lệ N/X đến mô dun dan hồi - 5+ 255252 5s2s+5ze: 70Hình 4.9: Thí nghiệm cường độ chịu kéo UIỐTN 11t 569813 511181511813 5111515813 gxcxe 71Hình 4.10: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông tương ứng với các tỉ lệ N/X khác nhau
Hình 4.12: Mẫu bê tông xi trước (a) và sau (b) khi bị mài mòn «<< ««««+ 75
Hình 4.13: Bề mặt mẫu sau khi ngâm 2 tháng trong HCl (a) và MgSO¿ (b) 77
Hình 4.14: Cường độ nén của bê tông khi ngâm trong nước | thang (R+ss) và khi ngâmtrong dung dịch HCI 5% 2, 3 và 4 thang, - << 10H ng re 78
Hình 4.15: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tông cốt liệu xi ở 28 ngày tuổi - 70Hình 4.16: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tông cốt liệu xỉ ngâm12 tuân trong dung dịch HCI
Hình 4.17: Cường độ nén của bê tông khi ngâm trong nước | thang (Rog) và khi ngâmtrong dung dịch MgSO4 5% 2, 3 và 4 thấng HH re 81
Hình 4.18: Ảnh chụp SEM của mẫu bê tông cốt liệu xi ngâm12 tuần trong dung dich
MBSO04 m7 .- 32
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi vi
Trang 14Bảng 1.1: So sánh tính chất vat lý của xỉ th p và đá vôi [3] - 2 55s+cecscs+see 8Bang 1.2: Kết qua thí nghiệm của mẫu bê tông cốt liệu đá dam và bê tông cốt liệu xi thép
[3 ] 5C2E22-5E 2E 12212321211 211111 2111111111111 1.11111111111111 1111111111111 T1 111.11 ggrdg 9
Bảng 1.3: Kết quả cường độ chịu nén sau 7 và 28 ngày [2] - - 25 cs+c+cscscce 11Bang 1.4: Kết quả cường độ chịu kéo sau 7 và 28 ngày [2] - - 2 5cs+c+cscsccee 11Bang 1.5: Kết quả khối lượng thé tích thực tế và thiết kế [2] -¿ - 55+ s5s+5ze: 12
Bảng 2.1: Quá trình hydrrat hóa của Xi mặăng - G0 ke 24Bang 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Nghĩ Son PCB 40 ĂĂ Sài, 43
Bang 3.2: Các thông số của cốt liệu nhỏ (Cát) . - + 2522 SE2E+E2E2£E£E£E£EzEEErErErreree, 44Bang 3.3: Thành phần hạt của cát -¿- ¿+ 5252292 EE2E9EEEE23911 1211121212111 21 11x 45Bảng 3.4: Thành phan hạt của cốt liệu lớn ¿+2 - 2 2 2+E+E+EE££E£E£E£E£E£E£ErEzereeree, 45Bang 3.5: Thành phần hóa của xỉ thép ¿-¿- ¿2252 S%+E+E£SE+E#EEE2ESEEEEEEEEEEEEErErrkrerrees 46Bảng 3.6: Tiêu chuẩn thí nghiệm cốt liệu lớn -. - + 2 2 2 E+E+E+E£E£E£E£EzEzEErkrerrerees 47Bảng 3.7: Số liệu thí nghiệm xác định khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút
Bang 3.8: Khối lượng riêng, khối lượng thé tích và độ hút nước của xỉ và đá 48
Bang 3.9: Độ nén dập CỦa XỈ -G Gv 49Bang 3.10: Độ nén dập của da c0 HT re 50
Bảng 3.11: Cường độ cốt liệu theo độ n n đập Xi lanh - << cv re 50Bang 3.12: Khối lượng mẫu cốt liệu lớn dùng dé thử độ hao mòn va đập 51Bang 3.13: Số lượng bi thép sử dụng trong máy Los Angeles - c5 cs 555: 52Bang 3.14: Kết quả thí nghiệm độ hao mòn Los Angeles - + + 2cs+c+cscs+sze: 53Bang 3.15: Cap phối hạt thí nghiệm bền sunfat cccccccesesesessescsesessesssessesesesseseseesesen 54Bang 3.16: Kết quả thí nghiệm bên sunfat của XỈ ¿5-5-5252 522252 *+tcEzxrrerererrees 56
Trang 15Bang 3.18: Tiêu chuan sử dụng trong để tài - 5-5 5525221 3 E2 12121212 211211 cExe 58Bang 3.19: Cấp phối hợp lý của bê tong eececcceccccsessesesessesessssesescscsessesesessesesesseseseseesesen 59Bảng 4.1: Kết quả đo độ sụt của h_n hợp bê tong 52525525252 *+E+E£sceerererreee 62Bang 4.2: Khối lượng thé tích và độ hút nước của mẫu bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X 64Bang 4.3: Khối lượng thé tích và độ hút nước của mẫu bê tông đá theo tỉ lệ N/X 64Bảng 4.4: Sự phát trién cường độ nén . ¿+2 + SE SESEEE9 E1 121215125 1211211 xe, 66Bảng 4.5: Mô dun đàn hồi của bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X - ¿55+ +c+c+cscesrcsrree 69Bang 4.6: Mô đun đàn hồi của bê tông đá theo tỉ lệ N/X ¿- 5-5 +22 2cscecescee 69Bang 4.7: Cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X 72Bang 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 .<<<<<«2 73
Bang 4.10: Chiều sâu tham nước của bê tông cốt liệu xỉ th p và bêtông cốt liệu đá dim 74Bảng 4.11: Kết quả độ mài mòn của mẫu bê tông xỉ theo tỉ lệ N/X - - 76Bảng 4.12: Kết quả độ mài mòn của mẫu bê tông đá theo tỉ lệ N/X -. - 76Bảng 4.13: Sự phát triển cường độ nén của bê tông khi ngâm trong dung dịch HCI 5% 78Bảng 4.14: Sự phát triển cường độ nén của bê tông khi ngâm trong dung dịch MgSO¿x 5%
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi viii
Trang 16ACI Viện bê tong MỹASTM Hiệp hội thử nghiệm vật liệu MỹBIXM Bê tông xi măng
CSH Hydro silicat canxiN/X Ty lệ nước trên xi măngX Xi măng
C CatD DaN Nước
Rog Cường độ nén bê tông ở tuổi 28 ngàyTCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
GTVT Giao thông vận tải
Trang 17CHUONG 1 TONG QUAN
1.1 Sw cân thiết của dé tài nghiên cứuTừ năm 1945, gan | tỷ tan xỉ thép đã được sử dụng tai Đức trong nhiều ứng dụng khácnhau Khối lượng xi thép này tương đương với một tháp đá khong 16 có đường kính600m và cao 2900m, bằng ngọn núi cao nhất nước Đức, Zugspitze [22] Như vậy, cácsản phẩm làm từ xỉ thép đóng góp vào n lực giảm thiểu tình trạng khai thác đá, haynói cách khác sử dụng xỉ thép chính là góp phần bảo vệ môi trường
Những năm qua, tại Việt Nam đã có hàng triệu tan xi thép thai ra từ các nhà may
luyện thép Tai tỉnh Ba Ria-Ving Tau, nơi được xem là trung tâm luyện thép củaViệt 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 ĐồngTiến) Theo Quy hoạch phát triển ngành Thép Việt Nam giai đoạn 2007-2015, mụctiêu phát triển đối với ngành luyện th p đến năm 2015 đạt 6 - 8 triệu tan phôith p/năm Nếu chỉ tính riêng tinh Ba Ria — Vũng Tàu, đến năm 2015 sẽ có 08 dự ánluyện th p đi vào hoạt động với tổng công suất phôi thép khoảng 5,25 triệu tắn/năm,chiếm 65,62% sản lượng phôi của Việt Nam Tính toán phát thải từ ngành luyệnthép cho thấy cứ m ¡ tấn phôi thép sẽ thải ra khoảng 150-200 kg xỉ thép, như vậy,khối lượng xi thép phát sinh hàng năm có thé hon 1 triệu tắn/năm Đây là nguồnchat thải công nghiệp khống 16 mà việc giải quyết nó băng cách chôn lap sẽ gây tốnk m lên đến hơn 10 triệu USD m i năm từ ngân sách nhà nước và của các doanhnghiệp luyện thép [23] Bên cạnh đó, việc chôn lấp còn gây tốn quỹ đất, lãng phínguôn tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường Nhiều giải pháp đã được đưa ra nhưchôn lấp xỉ thép, tái chế xỉ sắt thành phụ gia xi măng nhưng đều không khả thi vìhạn chế tài chính hoặc công nghệ xử lý không phù hợp
Việc tái chế xỉ thép thành VLXD không chỉ giúp cho các doanh nghiệp luyện théptiết kiệm được hàng chục triệu đô la chi phí xử lý mà còn giúp nhà nước giải quyếtđược bài toán môi trường do xỉ thép gây ra và hàng năm sẽ tiết kiệm được hàng
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi |
Trang 18triệu tan đất, đá nếu sử dụng các sản phẩm này Không những vậy, các sản phẩm từxỉ thép có giá thành thấp hơn so với các sản phẩm cùng loại từ vật liệu tự nhiên sẽgiúp các chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng có thêm sự lựa chọn hợp lý trong tình hìnhkinh tế khó khăn, giá cả VLXD tăng cao.
1.2 Giới thiệu về xỉ thép
1.2.1 Quá trình hình thành
Xi thép là phế thải trong công nghiệp luyện kim, là phế phẩm trong quá trình sảnxuất kim loại từ quặng sắt hay quá trình tinh chế kim loại không nguyên chất Trongquặng sắt thường có lẫn những tạp chất sét và cát nên khi sản xuất người ta thườngcho vào cùng với quặng sắt một hàm lượng đá vôi thích hợp nhất định vào lò nung.Trong quá trình nung, giữa quặng sắt và đá vôi có phản ứng tạo thành các hợp chấtsilicat canxi, silicat alumin và silicat aluminate canxi magie Ở nhiệt độ cao, cáchợp chất nóng chảy hoàn toàn Khối lượng riêng của các hợp chất nóng chảy này
nhỏ hơn so với gang nên nôi lên trên, được tháo ra ngoài, gọi là xỉ.
Hình 1.1: Hình dạng và cau trúcl r ng bên trong xi cốt liệu
Hiện nay, trên thế giới, th p được sản xuất băng hai công nghệ chính: Công nghệ lòcao - đúc liên tục và Công nghệ lò điện hồ quang Ở Việt Nam, phan lớn th p đượcsản xuất bằng công nghệ lò điện hỗ quang — đúc liên tục
Trang 19Công nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt,thép phế liệu để luyện th p Dé tách các tạp chất có trong thép phế liệu đầu vào, sửdụng vôi và một số chất trợ dung đưa vào lò luyện, quá trình nóng chảy ở nhiệt độtrên 1.600°C xi sẽ nổi lên trên, thép lỏng nam ở lớp phía dưới Lớp xi được tháo rakhỏi lò, được làm nguội và chuyền sang trạng thái ran Khi nguội, xi được đưa tớibãi chứa và chuyển đến nhà máy xử lý, tái chế thành các sản phẩm có ích, phân thép
trong lò được đúc thành phôi [22|.
Quy trình sân xuất thép lò điện hd quang
tu |
hon Oybvit tan xVi nis |
*Gas |
nyDeu oy
won |
lì v —San phẩm
Hình 1.2: Quy trình sản xuất sắt lò điện hô quang
Các thành phân hóa học chính của xi EAF là các oxit CaO, Fe,O,, MgO, MnO;,SiO, và AlzOa ở các phức bền vững, trong đó thành phan chính là CaO, SiO, vàFe,Oy chiém dén 80% trọng lượng của xi lò
Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ EAF có chứa nhiềukhoáng chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates
(2CaO.SIO›, C25 và 3CaO.SIO›, C25), Brownmillerite (Ca›(AI,Fe)2Os, C4AF) vàMayenite (12CaO.7A1,03, Cj2A7) va CaO, MgO tự do.
HVTH: Tôn Nữ Phuong Nhi
Trang 20Thành phan khoáng chat của xi EAF bao gồm:
W: Wustite (FeO);
CS: Calcium Silicates (2CaO.S10>, C,S va 3CaO.S10>, C3S);
B: Brownmillerite (Ca›(AI,Fe)sOs, C4AF);
M: Mayenite (12CaO.7A1,03, Cj2A7);
Khe r_ ng; va thép.
Một trong những thành phan chính của xi thép chủ yếu là khoáng CS, đây là loạikhoáng chất chính có trong thành phan của xi măng Portland, hợp chat bao gồm các
khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (CS), Tricalcium Aluminate
(C3Al) Ngoài ra, thành phan của xi thép còn có các khoáng Brownmillerite,Mayenite là một loại khoáng chất có trong đá vôi dùng cho ngành công nghiệp sản
xuât xi mang.
Xi thép co tinh chất cơ học rất tốt do cau trúc tinh thé đặc biệt, được so sánh tươngtự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên Xi 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 xau Vì vậy, xỉ thép được dùngđể thay thế các loại vật liệu có nguồn sốc tự nhiên nhăm hạn chế khai thác tài
nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường va tiêt kiệm năng lượng.
Trước đây, xỉ thép được xem như là một loại chất thai ran Nhưng bây giờ điều nàykhông còn chính xác nữa: xỉ được coi là “sản phẩm phụ” của quá trình sản xuấtthép Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạngcục như sỏi, đá tự nhiên Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch phun trào
từ núi lửa.
Xi thép không phải là chất thải nếu được xử lý, tái chế Sản phẩm xi đã qua xử lý
gôm:
Trang 21- Xi đã được nghiền thành hạt.- Xi đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tắm.
- Xi được nghién, dap, sang, xay đến kích thước nhất định
Tại Việt Nam, xi lò điện có thé xem như đá nhân tạo, giông đá tự nhiên, bao gom
FeO, CaO, SIOs và các oxit khác như MgO, AlzO›, MnO Xi lò điện có thể sử dụng
đề làm đường, san lap, san xuât xi mang, Tuy nhiên, trước khi sử dụng, xi phải
được chế biến như nghiên, sàng và phân loại kích thước.1.2.2 Ung dung của xi thép trong xây dựng
Hơn 100 năm qua, tại Mỹ, Châu Au, Nhật Ban, xi thép được su dụng rộng rãivào nhiêu mục đích xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp, phát triểngiao thông, nông nghiệp, công nghiệp xử lý chất thai, Theo hiệp hội Xi thép ChâuAu, năm 2010, 22,3 triệu tấn xi thép đã được sử dung vào các mục đích như sau
[24]:
Lam đường
Thuy loi3%
Sanxuat Phan
xi bónmăng 3%
6%
Luyénkim
, 10%Ung Do ý
dụng Sử, TÌ \ yr Lưu giữ
khác “ x tạm thời6% 11%
Lam vật liệu phú bai chôn lắp
rác 13%
Hình 1.3: Ung dụng của xi thép [24]
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi
Trang 22Như vậy ứng dụng lớn nhất của xỉ thép là làm đường giao thông, đặc biệt là đườngbê tông asphalt Xi thép được xem là một loại vật liệu đặc biệt, có thé thay thé đá tựnhiên để xây dựng những con đường chất lượng, đảm bảo độ an toàn cao, giảm
thiêu tiêng ôn tôi đa, đông thời đảm bảo hiệu quả về kinh tê và thân thiện với môi
(a) (b)Hình 1.4: Mặt đường bê tông cốt liệu xi thép (a) và cốt liệu đá tự nhiên (b) sau I0năm sử dung
Một số hình ảnh sử dụng xỉ thép làm đường giao thông ở các nước trên thế giới:
Hình 1.6: Đường ở thành phố Port Phillip,
Hình 1.7: Duong cao tốc 74 của Mỹ được Hình 1.8: Xi được rai trên bề mặt đường sắt
làm từ xỉ ở Canada
Trang 23Mặt khác, do tính chất vật lý và hoá học của xỉ lò điện hỗ quang tương tự hoặc tốthơn đá tự nhiên và không chứa các thành phân độc hại nên nó còn được ứng dụnglàm cốt liệu bê tông cho các công trình xây dựng, làm phụ gia xi mang, sản xuất bêtông hạt mịn, cát nhân tạo, sản xuất gạch không nung, gia cỗ nền móng, chống lún
Hinh 1.11: Xi thép được dùng làm gạch xây | Hình 1.12: Xử lý nên móng yêu, ngập nước
tường hoặc thi công trong mùa mưa băng xỉ thép
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 7
Trang 241.3 Tinh hình nghiên cứu xi thép trên thế giới và tại Việt Nam1.3.1 Tinh hình nghiên cứu trên thé giới
Mục tiêu tiệt kiệm năng lượng, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môitrường trong lĩnh vực vật liệu xây dựng được nhiều nước trên thé giới quan tâmnghiên cứu Trên thê giới việc nghiên cứu và sử dụng xi thép đê chê tạo bê tông chủ
yếu đi theo hai xu hướng chính: bê tông xi măng và bê tông asphalt.Khi so sánh tính chất vật lý của xi th p và đá vôi, kết quả từ nghiên cứu “So sánhcác tính chất của bê tong cốt liệu xi thép và bê tông cốt liệu đá vôi” [3| của M.Maslehuddin, Alfarabi M Sharif, M Shameem, M Ibrahim, & M.S Barry cho SỐliệu như bảng 1.1 Từ kết quả phân tích cho thấy mặc dù khối lượng riêng của xithép cao hơn đá vôi nhưng các thông số khác đều tốt hơn hoặc tương đương Trongđó đặc tính nỗi trội của xi th p là có độ mài mòn thấp đáng kế so với đá đăm thiênnhiên — đây là yếu tố có lợi khi sử dụng cho bê tông trong các công trình đường
giao thông.
Bảng 1.1: So sánh tính chat vật lý của xỉ th p và đá vôi [3]
Tính chất vật lý Đá vôi Xỉ thépKhối lượng riêng, g/cm” 251 351
Độ hut nước, % 2,20 0,85Ham lượng bụi sét, % 0.60 0.067Hàm lượng Chloride, % 0.006 0.006Hàm lượng sulfate, % 02 0.008pH - 11,34Độ mài mon, % 24,2 11,6
Cũng theo nghiên cứu này, khi mau bê tông được chế tao với hàm lượng xi măng400kg/m”, 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 co ly hầu như đều được cải thiện
Trang 25Bang 1.2: Kết qua thí nghiệm của mau bê tông cốt liệu đá dam va bê tông cốt liệu xi thép
Theo một nghiên cứu khác củaKhidhair J.Mohammed, Falak O.Abbas &
Mohammed O.Abbas “Ung dung xi thép trong cải thiện các tính chất cua bê tông”[1], khi thay thế đá đăm băng 25, 50 và 60% xi thì độ hút nước của bê tông giảm(hình 1.13) đồng thời cường độ nén và uốn của mẫu thí nghiệm đều tăng lên phụthuộc vào hàm lượng xỉ thay thế (hình 1.14 và 1.15)
BR 32
3.10
T
10 20 30
T
40Hàm lượng xi (%)
Hình 1.13: Quan hệ giữa hàm lượng xi thay thé đá dam và độ hút nước của mau [1]
Trang 26>
-s Pn ae
° oie _—
2 tr _—#”= a
-90 7⁄5)
—*— 7 ngàyne
g —* 28 ngày
5 50 ==.
— 4030
20 T T T T 1
20 30 40 50 60 70
Ham lượng xi (%)Hinh 1.15: Anh hưởng cua ham lượng xi th p dén cường độ chịu uốn [1]
Luận văn thạc sỹ của Jigar P.Patel, “Ứng đụng của cốt liệu xỉ trong bê tông” [2] đãnghiên cứu chế tạo bê tông cốt liệu xỉ thép với hàm lượng xỉ thay thế đá 25%, 50%,75% và 100%, kết quả thu được như sau:
Trang 27Cường độ chịu nén: mẫu bê tông 7 và 28 ngày có cường độ chịu nén vào khoảng 35MPa Mẫu bê tông thay thé cốt liệu xi 50% cốt liệu lớn có cường độ chịu nén là 35MPa và 100% là 40 MPa Các mẫu thay thé 75% cốt liệu xỉ có cường độ hơn 35
MPa, các mẫu còn lại có cường độ hơn 28 MPa
Bang 1.3: Kết quả cường độ chịu nén sau 7 và 28 ngày [2]
Cường độ chỊu n n sau 7 ngày | Cường độ chịu n n sau 28 ngàyPhân trăm
thay thể,% | Mẫu A,MPa | Mẫu B,MPa | Mẫu A,MPa | Mẫu B,MPa
0 35 35 43 3525 32 32 29 3550 29 29 35 3575 23 23 29 30100A % 25 20 29 31100B% 30 37 42 42
Tat cả các mẫu đều vượt qua cường độ tối thiểu yêu cầu (28 MP)
Cường độ chịu k o: Cường độ chịu kéo sau 28 ngày khoảng 3,5 MPa trong khi bê
tông sử dụng cốt liệu đá dim vào khoảng 3 MPa Kết quả cho thay các mẫu đều cócường độ chịu kéo xấp xỉ khoản 500 psi (3,47 MPa) trừ mẫu có 75% cốt liệu xi
Bảng 1.4: Kết quả cường độ chịu kéo sau 7 và 28 ngày [2]
Phần trăm Cường độ chịu k o sau 7 ngày | Cường độ chịu k o sau 28 ngàythay thé, ` :
oP Mau A,MPa | MauB,MPa | MauA,MPa | Mau B, MPa
0 3,26 3,20 3,98 4.5725 3,73 3,66 3,35 3,950 3,57 343 4,35 34275 257 * 4,05 2,93
HVTH: Tôn Nữ Phuong Nhi
Trang 28Khối lượng thể tích: khối lượng thể tích vào khoảng 2352-2717 kg/m”.
Bang 1.5: Kết quả khối lượng thé tích thực tế và thiết kế [2]
% cốt liệu xi Khối lượng thể tích thiết | Khối lượng thé tích thực tế
1.3.2 Tinh hình nghiên cứu tai Việt Nam
Hiện trong nước chưa có nhiều dé tài nghiên cứu về xỉ thép Dé tài “Nghiên cứu tậndụng xi thải công nghiệp của các nhà máy luyện thép dé sản xuất gạch lát via hèphục vụ phát triển cơ sở hạ tang thân thiện với môi trưởng ” của TS Trần Văn Miễn,
Bộ môn Vật Liệu xây dựng, Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường đại học Bách khoa
TP HCM, đã dùng xỉ thép làm cốt liệu trong bê tông, làm cho bê tông có khả năngthoát nước tốt, độ r ng 18-30%, tương ứng với hệ số thấm 1,2 đến 2,5 cm/s, đápứng được yêu cầu cường độ và độ bén ứng dụng vào các công trình xây dựng như
công viên, bãi đậu xe, quảng trường, khách sạn, các sảnh nhà hàng, khách sạn lớn,sân gon, sân tenis Dây chuyên công nghệ cho nhà máy sản xuât gạch lát vỉa hè bê
Trang 29tông r ng sử dụng xi thép làm cốt liệu có công suất 150.000 m”/năm cũng đã đượcnhóm nghiên cứu thiết kế thành công.
Trong đề tài luận văn tốt nghiệp đại học của Hoàng Minh Tiến và Nguyễn Thanh
Nhàn thuộc Khoa Kỹ thuật xây dựng trường Đại học Bách Khoa “Nghiên cứu tính
chat bê tông cường độ cao su dung cốt liệu xỉ sắt” [18], các tác giả đã so sánh cáctính chất của bê tông cường độ cao khi dùng xỉ th p và đá thiên nhiên làm cốt liệulớn Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở tất cả các cấp phối bê tông có mác 50 MPa, 60MPa và 70 MPa, hầu như các tính chất cơ lý của bê tông cốt liệu xỉ đều cải thiện so
với bê tông cot liệu da.
Biểu đô phát triên cường độ theo thời gian
DM70O0XM700
Cường độ chịu nén (MPa)ồ 3
Hình 1.16: Sự phát triển cường độ của bê tông Mác 700 [18]
Ngoài các nghiên cứu về BTXM, còn có đề tài nghiên cứu về bê tông asphalt cốtliệu xi của Nguyễn Phi Sơn, “Nghiên cứu sử ung ph thải xi sắt trong công nghệsản xuất thép làm cốt liệu cho bêtông Asphalf”, luận văn thạc sỹ, Trường Dai HocBách hoa, ĐHQG TP.HCM năm 2011 Theo kết quả của nghiên cứu, khi sử dụngxỉ sắt làm cốt liệu cho bêtông asphalt thì hàm lượng nhựa tăng, độ dẻo giảm, độ ồnđịnh tăng, cường độ chịu n n cao hơn va kha năng chống biến dạng, mô đun đàn hồitốt hơn so với bêtông asphalt sử dụng cốt liệu đá vôi [12]
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 13
Trang 3040.0005.000 5.500 6.000 6.500
Ham Lượng Nhựa (%) * Xi
A ĐáPoly (Xi)
khói lượng thể tích tăng Ngoài ra các tính chất cơ học như cường độ chịu nén,
cường độ chịu kéo uốn của bê tông xi măng có dùng cốt liệu xỉ th p đều được cảithiện hoặc tương đương so với bê tông 100% cốt liệu đá thiên nhiên Tuy nhiên,tính bền vững của bê tông xi măng cốt liệu xỉ th p trong các môi trường xâm thựcvẫn chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu này
1.4 Tống quan tình hình xây dựng đường bê tông xi măng ở Việt NamĐến thời điểm này, những ưu điểm của đường bê tông xi măng so với đường bêtông atsphalt gần như không còn là van dé đáng tranh luận: tuổi thọ trung bình cao,
khoảng 30- 50 năm (đường nhựa: 25- 28 năm), chịu được tải trọng xe nặng, lưu
lượng xe lớn, có khả năng chống bào mòn tốt, hệ số bám giữa bánh xe và mặtđường cao, an toàn cho xe chạy Một ưu điểm khác của đường BTXM là mặt đườngkhô ráo, ma sát tốt, khai thác an toàn Chi phí phục vụ duy tu, bảo dưỡng và sửachữa đường BTXM thấp hơn so với đường nhựa Trên thế giới, việc sử dụngBTXM để xây dựng đường giao thông đã và đang được nhiều nước thực hiện, nhất
Trang 31là trên các trục đường giao thông chính, đường cao tốc Các nước trong khu vựcchâu Á, như Trung Quốc, Thái Lan loại mặt đường BTXM chiếm từ 30 đến 40%
tông chiêu dài các đường cao tôc và đường trục chính.
Ở nước ta, từ những năm 80 của thế kỷ trước cũng có một số đoạn đường được xâydựng bằng BTXM, đó là đường Quán Bánh - Cửa Lò, quốc lộ 3 đoạn Thái Nguyên -Bắc Cạn và gần đây là gần 100 km trên quốc lộ 1 đoạn tránh ngập Vinh đi ĐôngHà, đoạn đường dẫn vào trạm thu phí cầu Bãi Cháy, gần 440 km đoạn nhánh phíatây và phía đông đường H6 Chí Minh, cùng hàng trăm km đường giao thông nôngthôn được xây dựng mặt đường bằng BTXM Mới đây, TP.HCM dự kiến đầu tư xâydựng một số tuyến đường bang kết cấu mặt đường BTXM trên địa bàn TP Cụ thé,giai đoạn 2012 - 2015, thực hiện 1.540 tuyến đường và nâng cấp 13 nút giao thôngdọc QL 22, đường chui dưới dạ cầu Bến Cát, 4 nút giao thông QL 1A Giai đoạn2016 - 2020, thực hiện 48 tuyến đường và nâng cấp các đường Lê Đức Thọ, DươngQuảng Hàm, Trần Bình Trọng, Đặng Thúc Vịnh, Phan Văn Hon, Huong lộ 80,Vườn Lai, Tô Ngọc Vân, Hà Duy Phiên Giai đoạn sau năm 2020, thực hiện 5 tuyếnđường và nâng cấp các đường tỉnh lộ 7, tỉnh lộ 15 UBND TP cũng vừa kiến nghịBộ Giao thông vận tải hoàn thiện bộ tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng, quy trìnhthi công và nghiệm thu BTXM, hướng dẫn tiêu chí lựa chọn loại kết cau mặt đườngnày, thí điểm đầu tư xây dựng các trục đường có thiết kế tải trọng cao, ưu tiên pháttriển loại kết cau mặt đường BTXM cho đường giao thông nông thôn [25]
Ngày 24/6/2009 diễn ra cuộc hội thảo quốc tế về "Đầu tư đường bêtông ximăng
tại Việt Nam" do Bộ Giao thông van tải, Bộ Xây dựng và Hội công nghiệp xi măng
Việt Nam tô chức, nhằm mục đích kích cầu đường BTXM Nhưng sau đó, các dự anđường giao thông vẫn chưa cho thấy dấu hiệu chủ trương trên được thực hiện Tuynhiên đến thời điểm này đã bat đầu có những chuyền biến tích cực Gan đây, PhóThủ tướng Hoàng Trung Hải đã yêu cầu Bộ GTVT xây dựng để án này, trong đóphải làm rõ tiêu chí loại đường nào có thể chuyển sang làm bê tông xi măng: đồngthời nói rõ dé án cũng cần nghiên cứu cơ chế chính sách để khuyến khích việc sửdụng xi măng trong xây dựng các công trình hạ tầng kỹ thuậth trợ Nghị quyết
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 15
Trang 32mới của Chính phủ cũng dành nhiều sự chú ý nhẫn mạnh hướng dau tư này Chínhphủ giao Bộ GTVT trực tiếp phối hợp với các bộ, ngành liên quan xây dựng Đề ánsử dụng xi măng trong xây dựng hạ tầng giao thông, thay cho nhựa đường đangphải nhập khâu Đồng thời qua đó sẽ kích cau tiêu thụ xi măng trong bối cảnh ngànhsản xuất xi măng nội địa đang loay hoay với bài toán nâng cao sản lượng, phát huygiá trị công suất thiết bị máy móc đã đầu tư Nhìn rộng ra hơn nữa, trên địa bàn cảnước, theo lãnh đạo Bộ GTVT nếu đề án này được thực hiện sẽ làm tăng thêm từ
10- 15% diện tích đường giao thông bê tông xi măng so với 3% như hiện nay chotất cả các loại đường: cao tốc, quốc lộ, tinh lộ, huyện lộ [26] Điều này, rat quan
trọng với những tuyến đường có lưu lượng xe trong tải lớn, và ý nghĩa với các diaphương vùng sâu vùng xa, miễn núi, chịu tác động xấu của mưa lũ nhiều, song đồngthời cũng là những nơi đang rất khó khăn về hạ tầng giao thông phát triển kinh tế xã
hội.
Thời tiết Việt Nam với đặc trưng khí hậu nhiệt đới âm mưa nhiều lũ lụt, năng nóngthất thường, tương đối khó thích nghi với loại hình đường bê tông asphalt Việc xâydựng đường BTXM là giải pháp đem lại hiệu quả khai thác và kinh tế cao Đặc biệt,vật liệu thi công đường BTXM chủ động được từ trong nước, qua đó góp phan chosự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu xây dựng Tuy dau tư ban dau cho làm
đường BTXM cao hơn đường nhựa, nhưng theo các chuyên gia, do vòng đời khai
thác lâu, nên tính ra chi phí làm đường BTXM vẫn rẻ hơn so với giá thành đầu tư
làm đường nhựa.
15 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đê tài là nghiên cứu các tính chat cơ, lý va độ bên chéng xâm thực cua
BTXM sử dụng xi thép làm cốt liệu lớn
Trang 331.5.2 Noi dung nghiên cứu> Phân tích đánh giá nguyên vật liệu sử dung cho đề tài nghiên cứu, đặc biệt là các
tính chất cơ lý của cốt liệu xỉ th p khi được dùng làm cốt liệu lớn trong BTXM.> Thiết kế cấp phối BTXM cốt liệu đá thiên nhiên và cốt liệu xỉ thép có mác
30MPa và 40MPa.
> Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu xi th p đến:
- _ Độ lưu động của h n hợp bê tông: khối lượng thé tích và độ hút nước của
bê tông.
- Tinh chất cơ học của bê tông: cường độ chịu n n, cường độ chịu kéo khiuốn và các tính chất khác như modul đàn hồi, khả năng chồng mài mòn,tính thắm nước
- Tinh bên vững của bê tông trong các môi trường xâm thực.
> Phân tích và so sánh câu trúc của bê tông cot liệu xi th p trong các môi trường
dưỡng hộ khác nhau.
> Ket luận và kiên nghị của đề tai.
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 17
Trang 34CHƯƠNG2_ CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1 Ly thuyết quá trình đóng ran của xi măng Portland [6]Thành phân khoáng vật chính của Clinker xi măng gồm có 4 khoáng chính là alít,
bê lít ;aluminate tricanxit va ferro aluminate tetracanxit Ngoài ra còn có CaO tự do,
Alít: 3CaO.SiO2 viết tat là C38 chiếm khoảng 45-60%, là dung dich ran của tricanxi
silicat và một lượng không lớn (2-4%) các oxyt MgO, AI,O3, P2O5, Cr.O3 và các tap
chất khác Alít là khoáng quan trọng nhất của Clinker, nó quyết định cường độ vàcác tính chất khác của XM Cấu trúc thường ở dạng tinh thể hình lục giác theo mặtcắt ngang, dạng hình khối
Belít 2CaO SiOs, viết tat là CS, là khoáng quan trọng thứ hai, chiếm 20-30% trongclinker Cau trúc thường có dạng tinh thể hình cau
Belit
Tổng hàm lượng silicat trong clinker (Ca§ + Cz§) khoảng 75%, 25% là các khoáng
còn lại (C3A + C4AF).
Aluminate tricanxit: 3CaO.AlzOa, viết tat là C;A, chiếm vào khoảng 4-12%, tốc độthuỷ hóa và rắn chắc rất nhanh nhưng cường độ không lớn Nó rất dễ bị ăn mòn
Trang 35sulfat, do đó trong xi măng bên sulfat phải không chế lượng C3A (nhỏ hơn 5%).Tinh thể C3A dạng hình thoi.
Ferro aluminate tetracanxit: 4CaO.AlzOs.FezOa, viết tat là C,AF, chiếm khoảng 12%, câu trúc tinh thể dạng hình tắm lục giác, có khối lượng riêng lớn nhất trongcác khoáng clinker C,AF có tốc độ ran chắc trung gian giữa alít và belít, vì vậy
10-không có ảnh hưởng lớn đền toc độ ran chac và sự toa nhiệt của Xi măng porland.
Tính chat đặc biệt của clinker ximăng là khi được nghiền mịn thì có khả năng thamgia phản ứng với nước dé tạo thành những chất mới có cau trúc mới, và có lực dính
kết đủ mạnh không những chỉ có những hạt vật chất riêng biệt tạo thành sau khi
phản ứng với nước, mà còn có khả năng dính kết trên bề mặt sản phẩm mới với vậtthể chứa trong vừa tiếp xúc với chúng (gạch, cát, đá, soi, th p ), tạo thành vật liệuđá nhân tạo gồm nhiều vật liệu thành phan
Phan ứng tác dụng của xImăng với nước gọi chung là phan ứng hydrat, có nghĩa tac
dụng với nước tạo nên vật chất có thành phan liên kết của nước ở bên trong màkhông bị hủy hợp chất cũ thành chất mới Loại phản ứng này có tên gọi là phản ứngthủy hóa - hấp thụ nước, liên kết nước bên trong cấu trúc vật chất ban đầu tạo nênchất mới Có trường hợp khoáng tác dụng với nước bị phân hủy thành những chấtmới Thành phan co bản không giữ nguyên gốc ban đầu của khoáng - loại phản ứng
này gọi là phản ứng thủy phần [20].
Hình 2.2: Mô hình mặt cắt ngang mẫu xi măng
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 19
Trang 36Theo Jun, khi phân tích quá trình hydrat hĩa khống ximăng, ta tĩm tắt cho từng
loại khống như sau:
3CaØ.SiO, +nH,O = xCa(OH), + yCaO SiO, mH,O
Trong đĩ: x+y = 3 vam =n= 2x
Da số tài liệu thể hiện hydro silicat canxi khi thủy phân CS ở dạng2CaO.SiOs;.mH:O Trị số m thực tế cũng rất dao động Theo Tơrơpơp, Belakin, mcĩ thé từ 1-4 mol H;O cho 1 mol 2CaO.SiOs
Cũng cĩ tài liệu phân tích thủy phân C3S thành hydro silicat canxi cĩ tỷ lệCaO/SiO, =3/2.
3CaO.SiO, + nH,O > C,S,H, +3Ca(OH),
( Khống C3S2Hp> gọi tên là aprinit.)
Vấn đề đặt ra là hydro silicat canxi tạo thành ở dạng sản phẩm trạng thái keo haytrang thái tinh thể Nhiéu tác giả kết luận hydro silicat canxi trong mọi trường hợp ởquá trình hĩa học thứ nhất (quá trình phản ứng sơ cấp) tách ra ở trạng thái gel của
trạng thái keo nhưng cũng cĩ một vài tác giả lại nêu lên hydro silicat canxi tách ra
dạng tinh thể hạt phân tách vơ cùng mịn, kích thước của chúng thuộc hệ keo Vìvậy, kết luận là hydro silicat canxi tách ra cĩ kích thước trạng thái keo
hi nghiên cứu băng kính hién vi điện tử cũng thay kết quả khơng nhất quán Mộtsố tác giả quan sát thay hydro silicat canxi ở trạng thái 2CaO.SiO, mH,O trong mọi
Trang 37giai đoạn nó phát triển thé hiện rõ rang cau trúc tinh thé là những hạt hình thoi tậphợp kết dính lại với nhau Nhưng cũng có tác giả quan sát thay 2CaO.SiO, mH,O làhình cầu của dang gel keo còn cấu trúc tinh thé tam hình thoi thực chất là tinh théCaCO; do cacbonat hóa Ca(OH)s; Vi vậy, ta tam chấp nhận 2CaO.SiO,.mH,O tách
ra ở trạng thái keo hay những hạt phân tán mịn có kích thước vô cùng nhỏ ở trạngthái keo
Theo tổng hợp số liệu của Vet thì CạS, CạS, thủy phân hay thủy hóa tùy điều kiệnmôi trường khi hydrat, điều kiện đóng ran và nông độ vôi trong pha lỏng
Khoáng C38, C>S, thủy phân toàn phan khi có dư nước tương tự như 6 gam ximăngtrong 80-100ml nước lắc liên tục sẽ thủy phân hết silicat canxi tao ra Ca(OH);
3CaO.SiO, +nH,O —> 3Ca(OR), + SiO,(n—3)2CaO.SiO, +nH,O —> 2Ca(OH), + SiO,(n—2)H,O
Trong thực tế, hai phan ứng trên không xảy ra đến cùng vi pha lỏng dan trở nên bãohòa rồi làm cho phản ứng ngừng hay chậm lại Do đó, tùy nồng độ vôi trong pha
long mà C 2S xảy ra các phản ứng khác nhau:
cao- Tạo thành CSH (B) khi ty lệ —— = 08- 1,5 ứng với nồng độ pha lỏng, CaO=0,08-
2
1,lg/I.
- Nông độ vôi 1,1 gam/lit tinh theo CaO thi hydro silicat có công thức C;SH¿.Tong hop qua trinh nhu sau:
-Néng độ CaO<0,08g.lít phan ứng xảy ra:
C,S—”““—>3Ca(OH), + SiO, nH,O
-Néng độ CaO=0,08g.lít phản ứng xảy ra:
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 21
Trang 38Theo Jun 2Ca0.SiO, là khoáng chủ yếu thủy hóa
2CaO.SiO, +nH,O —> 2CaO.S1O, nH,O
Thủy hóa khi tac dụng với nước, không thay có Ca(OH), tiét ra &t luận trên đượcnhiều tác giả thống nhất
Nếu nông độ CaO trong dung dịch 0,4gam lít và lắc liên tục C,S trong nước vôi cónồng độ trên thì vôi trong kết tủa không tan ra dung dịch, nếu tăng nồng độ vôi0,6gam/lit vôi, cũng lắc liên tục thì vôi từ dung dịch bị kết tủa hấp thu lăng đọng lại.Theo Vet, khi CạS tác dụng với nước tương tự CạS Nếu nhiều nước, lắc liên tục dé
thủy phân:
Trang 39C,S +nH,O —> 2Ca(OH), + SiO,(n—2)H,O
Thông thường phản ứng có thé theo sơ dé:
C,S—2° +C,SH, ——>CSH(B)
Hydro silicat canxi là một trong những số vật chất tao nên những vat chat kết dínhbao đảm đá ximăng phát triển cường độ và có độ bền vĩnh cửu
- Khoáng aluminat canxi (C3A):
Theo Jun, do kết quả hydrat C3A tạo nên hydro aluminat canxi khác han hydrosilicat canxi ở ch hydro aluminat canxi rat nhay cam, dan dén két tinh tao tinh thémới Về cấu trúc tinh thé của chúng, có hai nhóm: nhóm tấm hexan và nhóm tam
giả hexan Vi vậy, tùy điều kiện có thê có hydro aluminat canxi như sau:
4CaO.AI1,03.nH,O trong đó n=12-14
3CaO.AI;Oz.nH;O n=6-12
Ngoai 2 cau trúc hexan nói trên, có cau trúc khối lập phương 3CaO.AI,O03.6H2O.Đề làm chậm quá trình ninh kết khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng đá thạchcao (3-5% khối lượng xi măng) Do đó aluminat canxi tác dụng với thạch cao ngaytừ đầu tạo thành khoáng etringit :
3CaO.AI;Oa + 3 CaSOu.2HzO + 26 H;O -> 3CaO.AIzOs.3CaSOu.32H›O
Trong dung dịch bão hòa Ca(OH), ngay từ dau entrigit sẽ tách ra ở dạng keo phântán mịn đọng lại trên bề mặt C3A làm chậm sự thủy hóa của nó và k o đài thời gianninh kết của xi măng Sự kết tinh của Ca(OH), từ dung dịch quá bão hòa sẽ giảmnông độ hydroxit canxi trong dung dich và etringit chuyển sang tinh thé dạng sợi,tạo ra cường độ ban đầu cho xi măng Etringit có thể tích lớn gấp hơn 2 lần so với
HVTH: Tôn Nữ Phương Nhi 23
Trang 40các thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp | rong của đá ximang.
Sau đó etringit còn tac dụng với C3A con lại dé tao ra mudi k p một sunphat :
2(3CaO.AlzOa) + 3CaO.AI,03.3CaSO4.32H2O +3(3CaO.AI,03.CaSO,4.18H2O)
22H;O ->
-Khoáng alumô pherit canxi (C,AF):
Trong clinker, ngòai C„AF có thé có CF và xảy ra thủy phân và thủy hóa tạo nên
hydro aluminat canxi hydro pherit canxI.
C.AF+nH,O->C.AH, +CaO.Fe,O,.H,OCaO.Fe,O,.H,0+2Ca(OH), +xH,O —>3CaO.Fe,O 6H,O
2CaO.Fe,O, +2H,O —> 2Ca0O.Fe,0O, nH,O2Cao.Fe,O, nH,O0+ Ca(OH), +xH,O —>3CaO.Fe,O 6H,O
Tham khao Giao trinh PCA (Portland Cement Assosiation)-Canada, tom tắt một sốsản phẩm chính sinh ra sau quá trình hydrat hóa xi măng trong bảng 2.1 [19]:
Bảng 2.1: Quá trình hydrrat hóa của xi măng
11 HạO= 3CaO»2SiO,s8H,O2 (3CaOsSiO;) + 3 (CaOsH;O)
Tricalcium silicate Water Calcium silicate Calcium hydroxide
hydrate (C-S-H)2 (2CaOsSiO;) 9 H;O = 3CaO»2SiO;s8H;O + CaOsH;O
Dicalcium silicate Water Calcium silicate Calcium hydroxide
hydrate (C-S-H)3CaO»Al;O› 3 (CaOsSO,s2H;O©) + 26 H,O = 6CaO»Al;O;s3SO;s32H;O
Tricalcium aluminate Gypsum Water Ettringite2 (3CaO»Al,O;) 6CaOsAl;O,se3SO.s32H;O + 4H,O = 3 (4CaO»Al;O;sSO;*12H;O)Tricalcium aluminate Ettringite Water Calcium monosulfoaluminate
3CaO»Al;O; CaO»H;O + 12H,O = 4CaO»Al,O;s13H;O
Tricalcium aluminate Calcium hydroxide Water Tetracalcium aluminate hydrate
4CaOs Al:O;sFe;O; 10 H;O + 2 (CaO»H;O) = 6CaO»Al;O;sFe;O;e12H;O
Tetracalcium aluminoferrite Water Calcium hydroxide Calcium aluminoferrite hydrate
Và khối lượng của các chất sinh ra theo thời gian khi hydrat hóa xi măng: