Cường độ uốn của mỗi mẫu thử (Ru), tính bằng N/mm2, chính xác đến 0,05N/mm2, theo cơng thức: u 2 3 F L R 2 b h
18
+ Với F là lực lớn nhất làm phá hoại mẫu; + L: khoảng cách gối tựa (l=100mm);
+ b, h kích thước tiết diện ngang của mẫu (b=40mm, h=40mm)
Ảnh hưởng của hàm lượng và tính chất cốt liệu đến tính chất của vữa xi măng Portland
Chất lượng và số lượng xi măng.
Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu.
Tỷ lệ giữa nước và xi măng.
Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đàm và điều kiện bảo dưỡng.
Tiêu chuẩn áp dụng
2.8.1.TCVN 3121:2003 - Vữa xây dựng - Phương pháp thử
- Tiêu chuẩn gồm 18 phần cụ thể như sau:
TCVN 3121-1:2003: Phần 1: Xác định kích thước hạt cốt liệu lớn nhất. - TCVN 3121-2:2003: Phần 2: Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử.
- TCVN 3121-3:2003: Phần 3: Xác định độ lưu động của vữa tươi (phương pháp bàn dằn).
- TCVN 3121-6:2003: Phần 6: Xác định khối lượng thể tích vữa tươi.
- TCVN 3121-8:2003: Phần 8: Xác định khả năng giữ độ lưu động của vữa tươi. - TCVN 3121-9:2003: Phần 9: Xác định thời gian bắt đầu đông kết của vữa tươi. - TCVN 3121-10:2003: Phần 10: Xác định khối lượng thể tích mẫu vữa đóng rắn. - TCVN 3121-11:2003: Phần 11: Xác định cường độ uốn và nén của vữa đã đóng rắn.
- TCVN 3121-12:2003: Phần 12: Xác định cường độ bám dính của vữa đã đóng rắn trên nền.
19
- TCVN 3121-18:2003: Phần 18: Xác định độ hút nước mẫu vữa đã đóng rắn. Đề tài áp dụng phần 11:
2.8.2.Phần 11: Xác định cường độ uốn và nén của vữa đã đóng rắn. 2.8.3.Phạm vị áp dụng 2.8.3.Phạm vị áp dụng
Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định cường độ uốn và nén của vữa đã đóng rắn.
2.8.4.Tiêu chuẩn viện dẫn.
TCVN 3121-2 : 2003 Vữa xây dựng - Phương pháp thử - Phần 2: lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử. TCVN 3121-3 : 2003 Vữa xây dựng - Phương pháp thử - Phần 3: Xác định độ lưu động.
2.8.5. Nguyên tắc.
- Cường độ uốn của vữa được xác định bằng cách lần lượt chất tải lên 3 khối vữa đã đóng rắn ở điều kiện tiêu chuẩn, cho đến khi mẫu bị phá huỷ.
- Cường độ nén được tính từ lực phá huỷ lớn nhất và kích thước chịu lực của các nửa mẫu gãy sau khi uốn thử.
2.8.6.Thiết bị và dụng cụ thử:
- Khn bằng kim loại, có hình lăng trụ (hình 1). Khn gồm 3 ngăn, có thể tháo lắp rời từng thanh, kích thước trong mỗi ngăn của khuôn là: chiều dài 160mm + 0,8mm, chiều rộng 40mm + 0,2mm, chiều cao 40mm + 0,1mm.
- Chày đầm mẫu, được làm từ vật liệu khơng hút nước có tiết diện ngang là hình vng với cạnh bằng 12mm ± 1mm, khối lượng là 50g + 1g. Bề mặt chày phẳng và vng góc với chiều dài.
- Thùng bảo dưỡng mẫu có thể duy trì nhiệt độ 270C + 20C và độ ẩm 95% + 5%. - Mảnh vải cotton, cần bốn mảnh, mỗi mảnh có kích thước 150mm x 175mm - Giấy lọc định tính loại 20g/m2, kích thước 150mm x 175mm
20
Hình 2. 2: Mẫu khn
- Máy thử uốn, có khả năng chất tải đến 5 KN, sai số không lớn hơn 2%, tốc độ tăng tải 10 N/s – 50 N/s. Sơ đồ nguyên lý thử uốn thể hiện trên hình.
Hình 2. 3 : Sơ đồ uốn
- Máy thử nén, máy nén có khả năng tạo lực nén đến 100 KN, sai số không lớn hơn 2%, tốc độ tăng tải 100 N/s - 900 N/s;hai tấm nén cúa máy được làm từ thép cứng (độ cứng bề mặt không nhỏ hơn 600HV giá trị độ cứng Vicker), tiết diện hình vng, cạnh là
21
40mm + 0,1mm, chiều dày không nhỏ hơn 10mm.Tấm nén phải đảm bảo phẳng, khe hở bề mặt giữa 2 tấm nén không lớn hơn 0,01mm
2.8.7.Cách tiến hành. 2.8.7.1.Chuẩn bị mẫu thử 2.8.7.1.Chuẩn bị mẫu thử
-Lấy khoảng 2 lít mẫu đã được chuẩn bị theo TCVN 3121-2 : 2003. Trộn đều lại bằng tay từ 10 giây - 20 giây trước khi thử.
Bảng 2. 3: Thời gian dưỡng hộ
2.8.7.2.Tiến hành uốn và nén mẫu 2.8.7.3.Uốn mẫu:
- Mẫu sau khi được bảo dưỡng. Mặt tiếp xúc với các gối uốn là 2 mặt bên tiếp xúc với thành khuôn khi tạo mẫu. Tiến hành uốn mẫu với tốc độ tăng tải từ 10N/s – 50N/s cho đến khi mẫu bị phá huỷ. Ghi lại tải trọng phá huỷ lớn nhất.
2.8.7.4. Nén mẫu
-Mẫu thử nén là 6 nửa viên mẫu gãy sau khi đã thử uốn. Đặt tấm nén vào giữa thớt nén dưới của máy nén, sau đó đặt mẫu vào bộ tấm nén, sao cho hai mặt mẫu tiếp xúc với tấm nén là 2 mặt tiếp xúc với thành khuôn khi tạo mẫu. Nén mẫu với tốc độ tăng tải từ 100N/s - 300N/s cho đến khi mẫu bị phá huỷ. Ghi lại tải trọng phá huỷ lớn nhất.
2.8.8.Tính kết quả 2.8.8.1.Cường độ uốn 2.8.8.1.Cường độ uốn
Cường độ uốn của mỗi mẫu thử (Ru), tính bằng N/mm2, chính xác đến 0,05N/mm2, theo cơng thức:
22
trong đó:
Pu là lực uốn gãy, tính bằng Niutơn;
l là khoảng cách giữa hai gối uốn, tính bằng milimét (10mm);
b, h là chiều rộng, chiều cao mẫu thử, tính bằng milimét (40mm và 40mm).
-Kết quả thử là giá trị trung bình cộng của 3 mẫu thử, chính xác đến 0,1N/mm2. Nếu có một kết quả sai lệch lớn hơn 10% so với giá trị trung bình thì loại bỏ kết quả đó. Khi đó kết quả thử là giá trị trung bình cộng của hai mẫu cịn lại.
2.8.8.2.Cường độ nén
Cường độ nén của mỗi mẫu thử (Rn), tính bằng N/mm2, chính xác đến 0,05N/mm2, theo cơng thức:
trong đó:
Pn là lực nén phá huỷ mẫu, tính bằng Niutơn;
A là diện tích tiết diện nén của mẫu, tính bằng milimét vng.
-Kết quả thử là giá trị trung bình cộng của 6 mẫu thử, chính xác đến 0,1N/mm2. Nếu kết quả của viên mẫu nào sai lệch lớn hơn 15% so với giá trị trung bình của các viên mẫu
23
thì loại bỏ kết quả của viên mẫu đó. Khi đó kết quả thử là giá trị trung bình cộng của các viên mẫu cịn lại.
2.8.9.Báo cáo thử nghiệm
Báo cáo thử nghiệm phải bao gồm các thông tin sau: - địa điểm, thời gian, người lấy và chuẩn bị mẫu; - Loại vữa
- phương pháp lấy và chuẩn bị mẫu vữa;
- giá trị độ lưu động chuẩn bị theo TCVN 3121-3 : 2003;
- kết qủa thử (từng giá trị cường độ uốn/nén lấy chính xác đến 0,05N/mm2 và giá trị trung bình lấy chính xác đến 0,1N/mm2);
24
THỰC TRẠNG VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Thực trạng về xỉ thép tại các nhà máy sản xuất thép 3.1.1. Về tình hình sản xuất thép và sản sinh lượng lớn xỉ thép 3.1.1.1.Về tình hình sản xuất thép
Hình 3. 1: Cơng nghệ sản xuất thép
Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép như trên, nhưng ngược lại với thế giới do điều kiện thiếu gang lỏng. Theo thống kê của Hiệp Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có 4 lị luyện thép BOF (lị thổi), trong đó có 2 lị cơng suất 25 tấn/mẻ và 2 lị cơng suất 35 tấn/mẻ, còn lại hầu hết là các lò điện hồ quang (EAF) (34 lị, cơng suất 10-120 tấn/mẻ ) và lị IF (38 lị, cơng suất 5-50 tấn/mẻ) Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép như trên, nhưng ngược lại với thế giới do điều kiện thiếu gang lỏng. Theo thống kê của Hiệp Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có 4 lị luyện thép BOF (lị thổi), trong đó có 2 lị cơng suất 25 tấn/mẻ và 2 lị cơng suất 35 tấn/mẻ, còn lại hầu hết là các lò điện hồ quang (EAF) (34 lị, cơng suất 10-120 tấn/mẻ ) và lị IF (38 lị, cơng suất 5-50 tấn/mẻ) Xỉ thép là chất thải được sinh ra trong quá trình luyện thép từ các tạp chất khi đưa vào lò luyện như: Các chất lẫn trong nguyên, nhiên vật liệu (đất, cát...) của quặng sắt; nguyên liệu kim loại bị oxi hóa tạo thành các oxít; tường lị bị ăn mịn trong điều kiện nhiệt độ cao và tro của nhiên liệu đốt lị. Thành phần hóa học của xỉ thép bao gồm nhiều loại oxít khác nhau như: CaO, MgO, MnO, FeO, Nio, SiO2, P2O5. Ngồi ra cịn có các hợp chất
25
khác như: CaS, FeS, CaS2... Như vậy, thành phần của xỉ thép phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, các chất được sử dụng trong quá trình luyện thép và công nghệ luyện thép. Hiện nay ở nước ta, có hơn 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động và nhiều nhà máy khác đang trong giai đoạn xây dựng hoặc lập dự án. Sản lượng thép ở Việt Nam năm 2007 khoảng 12 triệu tấn/năm và dự kiến sẽ đạt khoảng 18 triệu tấn/năm vào năm 2025. Lượng xỉ thải ra từ các nhà máy thông thường chiếm từ 11% - 12% khối lượng phôi đầu vào . Như vậy, mỗi năm, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy luyện thép trên cả nước sẽ lên đến 1 - 1,5 triệu tấn. Lượng xỉ này tương ứng với thể tích khoảng 300.000 - 500.000m3. Nếu tính tốn sơ bộ, lượng xỉ này đủ để thi cơng một lớp móng đường có chiều dày 30cm, rộng 7,0m và dài khoảng 200km.
Tuy nhiên, ở Việt Nam, xỉ thép đang được xem là chất thải công nghiệp thuần túy và nó phải được xử lý như một dạng chất thải rắn theo Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 9/4/2007 của Thủ tướng Chính phủ . Điều này sẽ gây ra các ảnh hưởng tiêu cực khác nhau, bao gồm việc chiếm đất và tốn chi phí cho việc chôn cất xỉ thép, đồng thời tác động xấu đến môi trường đất xung quanh khu vực xử lý xỉ thép . Chính vì vậy, Chính phủ đã có chủ trương ưu tiên cho việc tái chế, tái sử dụng và xử lý chất thải rắn, nhằm giảm thiểu khối lượng chất thải được chơn lấp, tiết kiệm kinh phí và tài ngun đất đai. Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép, tác giả phân tích khả năng sử dụng xỉ thép trong lĩnh vực cơng trình xây dựng ở Việt Nam.
3.1.1.2. Quá trình hình thành xỉ thép từ lị điện hồ quang
Vì phần lớn thép được sản xuất từ lị điện hồ quang nên chúng tơi sẽ tập trung nghiên cứu xỉ thép thải qua từ quá trình luyện thép này.
Cơng nghệ luyện thép bằng lò điện hồ quang sử dụng nguyên liệu đầu vào là sắt, thép phế liệu để luyện thép. Để tách các tạp chất có trong thép phế liệu đầu vào, sử dụng vôi và một số chất trợ dung đưa vào lị luyện, q trình nóng chảy trên 1.600oC sẽ làm cho xỉ nổi lên trên, thép lỏng nằm ở lớp dưới. Xỉ được tháo ra khỏi
26
lò, được làm nguội và chuyển sang trạng thái rắn. Khi nguội, xỉ được đưa tới bãi chứa và chuyển đến nhà máy xử lý và tái chế thành các sản phẩm có ích.
Hình 3. 2: Xỉ thép sản xuất từ lị điện hồ quang
3.1.2.Cơng nghệ xử lý xỉ thép tạo ra từ các nhà máy sản xuất thép
27
Nhiều nơi trên thế giới đã xây dựng cơng nghệ xử lí xỉ thép rất hiện đại để tái chế và sử dụng xỉ thép. Sản phẩm xỉ thép sau khi được xử lý và phân loại được xem là đá nhân tạo với nhiều kích thước khác nhau, phục vụ cho các mục đích khác nhau.
Thực trạng việc ứng dụng các đặc tính của xỉ thép trong việc chế tạo vữa xây dựng
3.2.1. Nước ngoài
Hiện nay, tại châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản và nhiều nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp. Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý gồm: 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 sẽ được sử dụng vào nhiều mục đích xây dựng, giao thơng, nơng nghiệp và cơng nghiệp xử lý chất thải. Các ứng dụng của xỉ thép có thể được kể đến như sau:
Thay thế cốt liệu cho bê tơng xi măng:
Xỉ thép có chứa thành phần hóa học tương tự như xi măng Portland mặc dù tỷ lệ các chất khác nhau. Chính vì vậy, xỉ thép có thể được sử dụng trong xi măng Portland và trong bê tông
Tùy vào ứng dụng cụ thể, hàm lượng xỉ thép thay thế trong xi măng Portland có thể đạt từ 20 - 50%. Sử dụng xỉ thép trong bê tơng cũng có ưu điểm, vì xỉ thép làm cho bê tơng tăng tính ổn định nhiệt, kháng sulfate, nước biển và clo và các tính chất này khó có thể tìm thấy được khi dùng xi măng Portland
Nghiên cứu của Manso năm 2004 cho thấy, xỉ thép được nghiền không tạo ra đủ các cốt liệu mịn, điều này dẫn đến hỗn hợp bê tơng có mật độ cao và nặng. Thêm vào đó, lượng nước cần cho q trình trộn sẽ nhiều hơn do xỉ có độ rỗng lớn. Ngồi ra, bê tơng dùng xỉ thép có độ thấm nước thấp và chống mài mịn cao và việc chế tạo được bê tông chất lượng cao từ xỉ thép là hồn tồn có thể nếu loại bỏ được độ trương nở của xỉ.
28
Trong một nghiên cứu, Patel đã chỉ ra rằng, việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép với hàm lượng không vượt quá 75% khơng gây ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ bản của bê tông.
Qasrawi năm 2009, nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải khơng và có hàm lượng CaO thấp, hầu như không qua xử lý chất hoạt tính, làm cốt liệu nhỏ thay cát trong bê tông . Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng xỉ thải với hàm lượng 30% - 50%, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo của bê tơng tăng tương ứng 1,2 và 1,4 lần. Ngồi ra, độ sụt của bê tơng giảm xuống, cịn khối lượng thể tích tăng khi hàm lượng xỉ thép sử dụng tăng lên.
Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng giao thơng và cơng trình thủy lợi: Xỉ thép đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng đường và cảng biển. Trong xây dựng đường, xỉ thép được dùng làm vật liệu nền, móng và mặt đường.
Xỉ thép cho nền, móng đường:
Trong xỉ thép có chứa hàm lượng CaO cao. CaO sẽ trương nở khi gặp nước và làm tăng thể tích. Chính vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của xỉ thép cho nền và móng đường là rất cần thiết. Nghiên cứu của Rohde và đồng nghiệp năm 2003 chỉ ra rằng [9], xỉ thép có khả năng mất ổn định dưới tác động của nước cao do trương nở. Tuy nhiên, mô-đun đàn hồi của xỉ thép được bảo quản trong môi trường ẩm khá cao, lên tới 500MPa, cao hơn đá dăm tự nhiên. Điều này chứng tỏ xỉ thép có thể dùng làm móng đường nếu được xử lý ẩm để giảm độ trương nở thể tích.
Aiban năm 2006 cũng tiến hành một nghiên cứu sử dụng 100% xỉ thép làm lớp móng đường . Kết quả hiện trường cho thấy móng đường làm việc rất tốt mặc dù bị ngập nước nhiều lần do mưa và hệ thống thoát nước mưa kém.
Xỉ thép đã được sử dụng cho nền đường ở nhiều nước như Mỹ, Trung Quốc, Úc... Trung Quốc đã có tiêu chuẩn về sử dụng xỉ thép cho nền đường khá sớm, vào năm 1990.
29
Các nghiên cứu ở trên cho thấy, xỉ thép hồn tồn có thể được sử dụng để làm nền, móng đường. Tuy nhiên, trong hướng dẫn về sử dụng xỉ thép của Mỹ có cảnh báo về khả năng tính kiềm của các chất rò rỉ từ xỉ thép cao, vượt trên 11 độ pH. Nồng độ pH quá cao của