QUAN
Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
Sự phát triển của một quốc gia đi đôi với quy mô và đa dạng của kết cấu công trình, trong đó bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến toàn cầu Sau năm 2010, ngành bê tông cung cấp từ 8 đến 12 tỷ tấn sản lượng hàng năm, với việc khai thác đá vôi tăng khoảng 3,3% mỗi năm Dự kiến đến năm 2020, sản lượng đá vôi khai thác sẽ tăng 20%, đạt khoảng 1,6 tỷ tấn, trong khi đá và cát tăng 14%, đạt 1,1 tỷ tấn Lượng đá vôi khai thác trong 20 năm tới sẽ tương đương với tổng sản lượng của thế kỷ trước, ước tính khoảng 36,5 tỷ tấn Tuy nhiên, việc khai thác đá vôi phục vụ sản xuất xi măng đang gây ra những tác động môi trường nghiêm trọng, bao gồm ô nhiễm và suy thoái khu vực Do đó, cần giảm khai thác đá vôi bằng cách giảm lượng xi măng trong bê tông và tìm kiếm nguyên liệu thân thiện với môi trường thay thế.
Cát vàng và đá chiếm hơn 70% cốt liệu thô trong bê tông, đóng vai trò quan trọng trong cường độ, độ bền và chất lượng sản phẩm Việc thay thế nguyên liệu tự nhiên này là một thách thức lớn, đặc biệt tại Việt Nam, nơi cát vàng được sử dụng phổ biến nhờ vào các tiêu chuẩn kỹ thuật Tuy nhiên, nhu cầu xây dựng gia tăng đã dẫn đến tình trạng khan hiếm cát vàng và giá cả ngày càng cao.
Vào giữa năm 2017, việc khai thác cát lậu bị ngăn chặn tại nhiều địa phương do nguồn tài nguyên cát vàng có hạn, dẫn đến khai thác quá mức, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái, địa tầng và dòng chảy sông Để bảo vệ môi trường và tránh sạt lở, Nhà nước đã ban hành nhiều chính sách quản lý khai thác cát Nhiều nhà nghiên cứu trong nước đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cát, trong đó có đề xuất của một nhà thầu xây dựng về việc sử dụng xỉ thép thay thế một phần cát.
Hình 1.1 Tình trạng khai thác cát trái phép tại địa phương
Xỉ thép là một nguồn phế phẩm công nghiệp lớn, chiếm 15-25% sản lượng thép trong quá trình sản xuất Theo thống kê năm 2009, Trung Quốc dẫn đầu ngành công nghiệp luyện thép với sản lượng gần 740 triệu tấn Tại Việt Nam, có hơn 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động, với sản lượng thép năm 2007 khoảng 12 triệu tấn và dự kiến đạt 18 triệu tấn vào năm 2025 Điều này đồng nghĩa với việc mỗi năm, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy thép trên toàn quốc sẽ lên tới 1 - 1,5 triệu tấn, gây áp lực lên tài nguyên đất và ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh khu vực xử lý xỉ thép.
Xỉ thép tự nhiên Xỉ thép nghiền Xỉ thép sàn
Hình 1.2 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại
Khi ứng dụng xỉ thép trong xây dựng, cần chú ý đến hai vấn đề chính: sự giản nở thể tích và mật độ phân tử khối cao Sự giản nở thể tích xảy ra do thành phần hóa học của xỉ thép, trong đó có calcium và magnesium oxides không thể loại bỏ, dẫn đến quá trình hydrat hóa tạo ra calcium hydroxide Quá trình này làm giảm tính ổn định của vật liệu, đặc biệt là khi sử dụng xỉ thép để sản xuất bê tông cường độ cao Bên cạnh đó, mật độ phân tử khối cao của xỉ thép khiến cho khối lượng riêng của bê tông xỉ nặng hơn 15-25% so với bê tông OPC, điều này không chỉ làm tăng trọng lượng mà còn gia tăng chi phí vận chuyển, tạo ra bất lợi kinh tế cho các sản phẩm bê tông.
Sử dụng xỉ thép với định lượng phù hợp trong cấp phối bê tông không chỉ mang lại hiệu quả cao trong việc giải quyết các vấn đề của ngành công nghiệp bê tông mà còn tận dụng được lượng phế phẩm dồi dào, thay thế cho tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt Điều này giúp giảm chi phí xử lý và năng lượng tiêu thụ trong quá trình sản xuất xỉ, đồng thời giảm thiểu diện tích đất kho bãi cần lưu trữ Hơn nữa, xỉ thép còn cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học và vật lý của bê tông.
Việc sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu xỉ trong chế tạo bê tông tại Việt Nam không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn thúc đẩy phát triển bền vững Các nghiên cứu về liệu và hóa học của vật liệu này cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng bê tông và giảm thiểu lãng phí tài nguyên Sự kết hợp giữa xỉ và các thành phần bê tông khác sẽ mang lại những lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể cho ngành xây dựng.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Chen Meizhu (2007) đã nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) kết hợp với vữa để tạo ra các hạt đất lò cao, thạch cao và clinker Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng cát xỉ thép không chỉ giúp giảm lượng xi măng clinker cần thiết mà còn tăng cường khả năng thay thế phế phẩm công nghiệp bằng cát xỉ thép.
Isa Yuksel (2006) đã tiến hành thử nghiệm sử dụng xỉ hạt lò cao (GGBS) thay thế cho cốt liệu mịn trong bê tông Nghiên cứu cho thấy rằng tỉ lệ GGBS/cát cần được điều chỉnh theo tiêu chuẩn để tối ưu hóa đặc tính cường độ và độ bền của bê tông.
Juan Manso (2004) đã tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhằm sản xuất bê tông chất lượng cao bằng cách sử dụng xỉ EAF (Electric Arc Furnace) thay cho các cốt liệu mịn và thô Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá tính bền, độ ngậm nước và sự ngưng kết nhanh của bê tông Kết quả cho thấy độ bền của bê tông xỉ EAF có thể chấp nhận được, đặc biệt tại những khu vực có nhiệt độ mùa đông hiếm khi xuống dưới 32F (0˚C).
Nghiên cứu của Keun Hyeok Yang (2010) về vữa kiềm hoạt tính và bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ cho thấy cường độ chịu nén của vữa giảm tuyến tính khi mức độ thay thế cốt liệu trọng lượng nhẹ tăng lên, và điều này không phụ thuộc vào tỷ lệ chất kết dính và nước.
Li Yun-feng và cộng sự (2010) đã phát hiện ra rằng bột xỉ thép có tác dụng tích cực đối với tính dễ tạo hình và cơ học của bê tông Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng các tính chất cơ học của bê tông có thể được cải thiện hơn nữa nhờ vào sự tương tác đồng thời khi trộn lẫn các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lò cao.
Nghiên cứu của Chang-long Wang (2013) chỉ ra rằng, bê tông sử dụng xỉ thép thay thế cát có cường độ nén tương đương với bê tông truyền thống Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy xỉ thép có ảnh hưởng lớn đến độ sụt của bê tông.
Nghiên cứu của Jigar Patel (2006) về xỉ thép cho thấy việc thay thế 50-75% cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu xỉ thép không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông, với khả năng thay thế lên tới 70% Để đảm bảo tính khả thi của hỗn hợp bê tông, cần giảm lượng nước và tăng phụ gia nhằm đạt được độ sụt tối thiểu Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng xỉ thép không gây hại cho bê tông và không có tác dụng phụ về cường độ và độ bền.
Nghiên cứu của Yunxia Lun và Fang Xu (2008) cho thấy xỉ thép có thể được sử dụng như cốt liệu mịn nhằm tăng cường ổn định khối lượng của vữa Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng tỷ lệ bột vôi tự do và tỷ lệ mở rộng tuyến tính có thể phản ánh sự cải thiện ổn định khối lượng trong các phương pháp ứng xử khác nhau Đặc biệt, việc sử dụng lò hấp trong quá trình xử lý hơi nước mang lại hiệu quả cao hơn trong việc nâng cao sự ổn định khối lượng của xỉ thép.
Zeghichi (2006) đã thực hiện thí nghiệm thay thế cát bằng tinh xỉ GBF (Ground Blast Furnace) trong khối bê tông, cho thấy hiệu quả của việc thay thế cát bằng xỉ hạt ở mức 30% và 50% thông qua sự gia tăng độ bền nén Kết quả kiểm tra cường độ chịu nén tại các thời điểm 3, 7, 28, 60 ngày và 5 tháng cho thấy rằng việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên bằng tinh xỉ có tác động tích cực đến độ bền kéo, độ bền uốn và nén của bê tông Tuy nhiên, việc thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên bằng xỉ lại có ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ bê tông.
Nghiên cứu của Saud Al-Otaibi (2008) cho thấy việc sử dụng thép tái chế làm cốt liệu mịn trong vữa xi măng có thể thay thế 40% cốt liệu mà vẫn tăng cường độ nén lên đến 40% và giảm co ngót khô khi sử dụng xỉ thép.
Nghiên cứu của Wei Wu và cộng sự (2010) cho thấy rằng, khi thay thế xỉ đồng dưới 40% trong hỗn hợp cốt liệu bê tông, cường độ nén, uốn, kéo và khả năng chịu tải động đạt được hiệu quả tốt nhất.
Hình 1.3 Mối quan hệ giữa độ sụt và cường độ chịu nén bê tông xỉ đồng
Wei Wu cùng cộng sự (2010)
Hình 1.4 Mối tương quan giữa cường độ uốn và kéo bê tông xỉ đồng
Wei Wu và cộng sự (2010) cùng với Vijaya Gowri (2004) đã nghiên cứu việc thay thế 50% cốt liệu xỉ thép cho xi măng, áp dụng các tỉ lệ nước và chất kết dính khác nhau Mục tiêu của nghiên cứu là xác định cường độ chịu nén, chịu kéo và độ bền uốn của bê tông dầm ở các độ tuổi 28, 90, 180 và 360 ngày.
Chandini và cộng sự (2017) đã thực hiện phân tích đánh giá việc thay thế một phần cốt liệu nhỏ, cụ thể là cát, bằng xỉ Kết quả nghiên cứu cho thấy khi hàm lượng xỉ thay thế từ 15% đến 30%, cường độ chịu nén đạt giá trị tối ưu nhất.
Khi sử dụng xỉ thay cát với tỷ lệ từ 50% đến 70%, việc phối trộn với vật liệu bê tông truyền thống hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng bê tông Điều này cho thấy khả năng kéo tăng từ 1.1 đến 1.5 lần mà vẫn đảm bảo tính ổn định của sản phẩm.
Rui Vasco Silva và các cộng sự (2016) đã tổng hợp 121 ấn phẩm trong 43 năm (1973-2015) về việc sử dụng phế phẩm tái chế trong bê tông, tập trung vào hàm lượng, kích thước, nguồn gốc và phản ứng trong các môi trường khác nhau Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng nguyên liệu sỉ thép trong các ứng dụng thực tiễn.
Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu đánh giá tác động của việc sử dụng xỉ thép thay thế một phần cát trong bê tông, dựa trên tỷ lệ phần trăm khối lượng cát, đến cường độ và mô đun đàn hồi của vật liệu Kết quả cho thấy sự thay thế này có thể cải thiện tính chất cơ học của bê tông, mở ra hướng đi mới cho việc tái sử dụng xỉ thép trong xây dựng.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu xỉ thép tái chế với các thành phần hạt và tính chất đạt chỉ tiêu chất lượng dùng cho thiết kế bê tông, sử dụng xỉ thép thay thế một phần cốt liệu
Kết quả nghiên cứu là sự kết hợp giữa quá trình thực nghiệm và lý thuyết tính toán, nhằm đưa ra những kết luận và đánh giá chính xác về vật liệu xỉ tái chế Từ đó, nghiên cứu đề xuất các kiến nghị sử dụng hiệu quả loại vật liệu này.
9 dụng rộng rãi nguồn vật liệu này theo tiêu chí phát triển bền vững cho ngành xây dựng ở Việt nam
1 Xác định thành phần cấp phối B20
2 Thay thế cát theo phần trăm (20, 40, 60 %) kết hợp giảm hàm lượng xi măng trong cấp phối (5,10,15%) để chế tạo bê tông bụi xỉ
3 Từ các biểu đồ, xác định tỷ lệ tối ưu lượng xỉ thay cho cát, để bê tông đạt cấp độ bền chịu nén B20, B22.5 dựa theo đường hồi quy tuyến tính
4 Xét ảnh hưởng xỉ thép đến 4 tính chất cơ lý bê tông: nén, uốn, kéo và modul đàn hồi
5 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép thay cát
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu này hoàn thiện lý thuyết về cấu trúc của vật liệu mới, cụ thể là xỉ thép tái chế, đồng thời chỉ ra tiềm năng ứng dụng xỉ như một vật liệu thay thế cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông Bài viết cũng làm phong phú thêm các kết quả liên quan đến đặc điểm và tính chất của hỗn hợp bê tông chứa xỉ, góp phần nâng cao hiểu biết về khả năng ứng dụng của loại vật liệu này trong xây dựng.
Nghiên cứu này góp phần hoàn thiện lý thuyết bê tông xỉ thép, hỗ trợ cho công tác thiết kế và sản xuất trong nhiều lĩnh vực khác nhau Thành công của nghiên cứu sẽ bổ sung nguồn tài liệu tham khảo quý giá cho các đơn vị xây dựng, nhà quản lý, và làm tài liệu giảng dạy cho các chương trình đại học và sau đại học.
Phương pháp nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu là sự kết hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán, nhằm đưa ra những đánh giá chính xác về vật liệu xỉ tái chế Từ đó, nghiên cứu đề xuất các kiến nghị sử dụng hiệu quả loại vật liệu này.
9 dụng rộng rãi nguồn vật liệu này theo tiêu chí phát triển bền vững cho ngành xây dựng ở Việt nam.
Nội dung nghiên cứu
1 Xác định thành phần cấp phối B20
2 Thay thế cát theo phần trăm (20, 40, 60 %) kết hợp giảm hàm lượng xi măng trong cấp phối (5,10,15%) để chế tạo bê tông bụi xỉ
3 Từ các biểu đồ, xác định tỷ lệ tối ưu lượng xỉ thay cho cát, để bê tông đạt cấp độ bền chịu nén B20, B22.5 dựa theo đường hồi quy tuyến tính
4 Xét ảnh hưởng xỉ thép đến 4 tính chất cơ lý bê tông: nén, uốn, kéo và modul đàn hồi
5 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép thay cát
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu đã hoàn thiện lý thuyết về cấu trúc của vật liệu mới như xỉ thép tái chế, đồng thời chỉ ra tiềm năng ứng dụng xỉ như một chất thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông Kết quả nghiên cứu cũng làm phong phú thêm hiểu biết về đặc điểm và tính chất của hỗn hợp bê tông sử dụng xỉ.
Nghiên cứu này hoàn thiện lý thuyết bê tông xỉ thép, hỗ trợ thiết kế và sản xuất ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Thành công của nghiên cứu sẽ cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho các đơn vị xây dựng, nhà quản lý, cũng như làm tư liệu giảng dạy cho các chương trình đại học và sau đại học.
TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP
Xỉ thép
2.1.1 Khái quát về xỉ thép
Xỉ thép là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép, chủ yếu bao gồm các thành phần hóa học như Ôxít Canxi (CaO), Sắt (FeₓOᵧ), Magiê (MgO), Mangan (MnO₂), Silic (SiO₂) và Nhôm (Al₂O₃) Trong đó, CaO, SiO₂ và FeₓOᵧ chiếm tới 80% trọng lượng của xỉ lò Xỉ lò điện hồ quang được hình thành trong quá trình luyện thép và được thu thập ở nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ 1600 oC, xỉ thép hoàn toàn không chứa kim loại nặng, chất hữu cơ và các chất dễ bay hơi độc hại, vì ở nhiệt độ trên 1.200 oC, tất cả các chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn.
Hình 2.1 Xỉ thép Dựa trên kích thước hạt, xỉ thép chia thành 3 loại:
- Xỉ thép thô, cần được nghiền nhỏ để có thể sử dụng
- Xỉ thép mịn xỉ ở trạng thái trơ, phù hợp trở thành cốt liệu sử dụng trực tiếp cho bê tông, mà không qua sử lý
- Xỉ thép bụi, cần được xử lý trước khi sử dụng cho bê tông
Dựa trên công nghệ sản xuất, xỉ thép chia thành 3 loại:
- Xỉ thép lò hồ quan điện
- Xỉ thép tinh chế (khử tất cả tạp chất tạo nên thép carbon siêu nhẹ) sử dụng kết hợp 2 phương pháp trên
Hình 2.2 Quy trình sản xuất thép lò cao – Valentin (1997)
Hình 2.3 Quy trình sản xuất thép lò hồ quang điện – Valentin (1997)
Xỉ thép sở hữu tính chất cơ học vượt trội nhờ vào cấu trúc tinh thể đặc biệt, có thể so sánh hoặc thậm chí tốt hơn so với đá tự nhiên Những ưu điểm của xỉ thép bao gồm độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt và tính ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
Xỉ thép là một loại vật liệu nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên, có độ ma sát tốt hơn bê tông asphalt và độ bền cao, chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Việc sử dụng xỉ thép thay thế cho các loại vật liệu tự nhiên không chỉ giúp giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên mà còn góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.
Hiện nay, thép trên thế giới chủ yếu được sản xuất qua hai công nghệ chính: lò cao - đúc liên tục và lò điện hồ quang Tại Việt Nam, công nghệ lò điện hồ quang - đúc liên tục chiếm ưu thế trong sản xuất thép.
2.1.2 Tính chất hoá học của xỉ thép
Xỉ thép có màu xám đen và nặng hơn đá basalt từ 20-25%, có hình dạng giống như sỏi hoặc đá tự nhiên Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch từ núi lửa Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF bao gồm Ôxít Canxi (CaO), Sắt (FexOy), Magiê (MgO), Mangan (MnO2), Silic (SiO2) và Nhôm (Al2O3), trong đó CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ.
Xỉ thép tồn tại dưới hai dạng phân tử chính: cấu trúc hình khối và dạng tổ ong Đặc điểm của xỉ thép là nhẵn và giòn, với khối lượng riêng phụ thuộc vào lực dính giữa sức căng bề mặt của dung dịch xỉ thép và tỷ lệ oxit, kim loại sắt cũng như độ rỗng trong cấu trúc.
Nhiều nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng xỉ EAF chứa nhiều khoáng chất quan trọng, trong đó chủ yếu 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), cùng với các oxit tự do như CaO và MgO.
Bảng 2.1 Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) – Valentin (2004)
Thành phần Xỉ thép Đất núi Đá tổ ong Xi Măng
Bảng 2.2 Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) - Ivanka Netingerm (2014)
Phương pháp thí nghiệm Hợp chất phân tích % khối lượng
(Described in HRN EN 1744-1) CaO 0.28
Xỉ thép chứa khoáng CS, một thành phần quan trọng trong xi măng Portland Hợp chất này bao gồm các khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S) và Tricalcium Aluminate (C3Al).
Hình 2.4 Cấu trúc hạt xi măng
Xỉ thép chứa các khoáng chất như Brownmillerite và Mayenite, trong đó Mayenite là một khoáng chất quan trọng có trong đá vôi, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng.
2.1.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép
Xỉ lò điện hồ quang có đặc tính cơ học vượt trội nhờ vào cấu trúc tinh thể độc đáo, tương tự như cấu trúc của đá tự nhiên Ngoài ra, xỉ thép còn mang lại nhiều lợi ích khác.
Bảng 2.3 So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vôi tự nhiên và đá bazan
Tính chất Xỉ thép Đá vôi sau khi nghiền Bazan Trọng lượng riêng ( kg / m 3 ) 3.2-3.6 2.68 2.76 Trọng lượng riêng rời ( kg / m 3 ) 1.482 1.382 1.412 Độ rỗng (%) 55.5 48.3 69.37 Độ hút nước (%) 0.2-2 0.75 0.56
Khả năng chống phân mảnh(%) 13.9 24.1 18.6
Khả năng chống tan chảy (1%Nacl) 0.81 0.87 0.85
Tính bền vững của Magie Sunphat (%) 23.6 21.4 24.2
Cường độ chịu nén (MPa) 169-300 - -
Bảng 2.4 Phân loại xỉ thép- Valentin ( 1997)
Chỉ tiêu phân loại Đặc tính
Hàm lượng hóa học Xỉ giàu hoạt tính sillic
Xỉ giàu can xi phốt phát ( vôi)
Xỉ lò điện Xỉ có tính oxi hóa
Xỉ có tính khử cao
Open hearth slag Early stage slag
Later stage slag Khoáng vật oxit hiếm
B= 0.9 – 1.4 Monoticllite slag B= 1.4 – 1.6 Merwinite slag B= 0.9 – 1.4 C 2 S slag
2.1.4 Ưu điểm của xỉ thép
Trên cơ sở các kết quả hoá và lý học, xỉ thép có những ưu điểm sau:
- Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt;
- Chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu;
- Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi măng
Hình 2.5 Cấu trúc xắp xếp hạt xỉ - Hasan Alanyali (2009)
2.1.5 Vai trò của xỉ thép
Xỉ lò điện, được xem như đá nhân tạo, bao gồm các thành phần chính như FeO, CaO, SiO2 và các oxit khác như MgO, Al2O3, MnO Loại xỉ này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm đường, san lấp và sản xuất xi măng Trước khi sử dụng, xỉ cần được chế biến qua các công đoạn như nghiền, sàng và phân loại kích thước Các sản phẩm xỉ sau khi xử lý bao gồm xỉ đã được nghiền thành hạt và xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm.
Xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định
Xỉ thép tự nhiên Xỉ thép nghiền Xỉ thép sàn
Hình 2.6 Xỉ thép từ nhà máy sau khi phân loại
Hình 2.7 Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính – National Slag (2003)
Xỉ thép có thể thay thế các loại cốt liệu trong bê tông, bao gồm cốt liệu mịn như cát và cốt liệu lớn như đá tự nhiên, với các kích thước khác nhau Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu thiết kế, tỷ lệ thay thế xỉ thép cho các cốt liệu trong bê tông có thể được điều chỉnh linh hoạt.
Bảng 2.5 Ứng dụng từ xỉ thép – National Slag (2003)
Vật liệu có độ cứng và khả năng chịu mài mòn cao, thường được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông asphalt, xây dựng đường, nền nhà xưởng, gạch block và tấm đan Nó cũng có khả năng chịu được sự giản nở cao và độ ẩm thấp, thích hợp cho việc làm vật liệu trải đường giao thông đường tàu Với cấu trúc tổ ong và khả năng hút nước tốt, vật liệu này mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng xây dựng.
Làm bê tông asphalt rỗng tạo ra những con đường chất lượng cao, an toàn và giảm tiếng ồn
Chịu được sự ma sát cao, sản phẩm này có thể thay thế cát và xỉ đồng để làm vật liệu làm sạch bề mặt kim loại Thành phần hóa học của nó chứa nhiều khoáng chất như CS, C 4 F và CA, cùng với các phụ gia xi măng.
Thành phần hoá học chứa FeO, Cao,
Làm phân bón và cải tạo những vùng đất xấu (nhiễm phèn, độ chua cao, )
Thành phần có độ pH cao, gốc vôi và có cấu trúc tổ ong, chứa nhiều khoáng chất
Làm vật liệu đa năng xử lý nước thải, khí thải, bảo vệ môi trường
Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
Để xác định cấp phối bê tông có thể thực hiện bằng 2 phương pháp
- Xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm
- Xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tra bảng kết hợp với thực nghiệm
Nội dung phần thí nghiệm sẽ xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tra bảng kết hợp với thực nghiệm
Dựa vào các yếu tố cơ bản như nguyên vật liệu, độ sụt và mác bê tông yêu cầu, chúng ta cần sử dụng bảng tra để xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m³ bê tông Sau đó, tiến hành kiểm tra thực nghiệm với các vật liệu thực tế sẽ được sử dụng trên công trường và điều chỉnh để đạt được cấp phối bê tông tối ưu nhất.
Bước 1: Tra bảng để xác định sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m 3 bê tông
Để xác định thành phần vật liệu cho 1m³ bê tông, cần căn cứ vào loại mác xi măng, độ sụt, cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu (Dmax) và mác bê tông Sau khi tra bảng xác định sơ bộ thành phần vật liệu, cần lập 3 thành phần định hướng dựa trên kết quả tìm được.
Thành phần 1 (thành phần cơ bản) như đã tra bảng
Thành phần 2 tăng 10% lượng xi măng so với thành phần 1, trong khi lượng nước giữ nguyên Các loại cốt liệu lớn và nhỏ cũng được điều chỉnh tương ứng theo lượng xi măng và nước đã thay đổi.
Thành phần 3 giảm 10% lượng xi măng so với thành phần 1, trong khi lượng nước giữ nguyên Cốt liệu lớn và nhỏ cũng được điều chỉnh tương ứng với lượng xi măng đã giảm.
Khi tra cứu bảng, cốt liệu được biểu thị bằng mét khối (m³), nhưng để đảm bảo bước kiểm tra thực nghiệm chính xác, cần chuyển đổi từ thể tích sang khối lượng (kg).
Bước 2: Kiểm tra bằng thực nghiệm
Sau khi xác định ba thành phần chính, tiến hành kiểm tra thực nghiệm với nguyên vật liệu thực tế Trong quá trình thí nghiệm, cần kiểm tra đồng thời ba thành phần đã xác định để chọn lựa thành phần phù hợp với yêu cầu chất lượng bê tông, điều kiện thi công và đảm bảo đủ sản lượng 1m³ Trình tự thực hiện các bước này rất quan trọng để đạt được kết quả tối ưu.
- Dự kiến thể tích của các mẻ trộn thí nghiệm
Số lượng và kích thước mẫu bê tông cần đúc để kiểm tra cường độ sẽ quyết định thể tích mẻ hỗn hợp bê tông cần trộn, theo bảng tra quy định.
- Tính liều lượng vật liệu cho các mẻ trộn thí nghiệm:
Từ liều lượng vật liệu cho 1m³ bê tông đã được xác định ở bước sơ bộ, ta có thể tính toán khối lượng vật liệu cần thiết cho mỗi mẻ trộn dựa trên thể tích dự kiến của ba thành phần chính.
- Kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông và điều chỉnh thành phần vật liệu
Trong quá trình kiểm tra thực nghiệm, cần ghi chú lượng vật liệu đã thêm vào các mẻ trộn để điều chỉnh ở bước 3 Dựa trên ba thành phần đã thí nghiệm, chọn một thành phần có cường độ nén thực tế (Rtt) vượt qua mác bê tông yêu cầu thiết kế.
Bảng 2.6 Mẻ trộn bê tông nén
Bước 3 : Xác định lại khối lượng vật liệu thực tế cho 1m 3 bê tông:
Dựa trên liều lượng vật liệu thực tế đã sử dụng trong quá trình thí nghiệm để đạt được độ sụt và mác bê tông yêu cầu, chúng ta tiến hành tính toán lại liều lượng vật liệu cho 1m³ bê tông theo các công thức đã xác định.
X1, N1, C1, Đ1 là lượng xi măng, nước, cát và đá (sỏi) đã sử dụng cho mẻ trộn thí nghiệm Mẻ trộn này đã được kiểm tra đạt yêu cầu về độ sụt và cường độ chịu lực, với thể tích Vm lít hoặc kg.
Xht, Nht, Cht, Đht là các chỉ số quan trọng trong việc xác định lượng xi măng, nước, cát và đá (kg) cần thiết cho 1m³ bê tông Những thông số này được kiểm tra để đảm bảo đạt tiêu chuẩn về độ sụt và cường độ chịu lực của mẻ trộn đã được lựa chọn.
Từ thành phần của bêtông trên ta biểu thị khối lượng xi măng (kg) và thể tích cốt liệu (m 3 ), nước (l)
Khối lượng thể tích xốp của cát và đá dăm, ký hiệu là ρvcht và ρvdht (kg/m³), được xác định thực tế tại hiện trường Qua các bước tra bảng xác định sơ bộ, kiểm tra bằng thực nghiệm và điều chỉnh, chúng ta đã xác định thành phần vật liệu cần thiết cho 1m³ bê tông.
Bảng tra thành phần vật liệu cho 1m 3 bê tông thông thường
Dùng xi măng PC40 (hoặc PCB 40), Đá dmax= 20 mm , (40- 70)% cỡ 0.5 x 1 cm và (60 - 30)% cỡ 1 x 2 cm
Bảng 2.7 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 2 - 4 cm
Bảng 2.8 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 6 - 8 cm
Bảng 2.9 Bảng tra cấp phối độ sụt của hỗn hợp bê tông: 14 - 17 cm
Mẫu bê tông xỉ được chế tạo từ các vật liệu chính gồm xỉ thép (xỉ EAF) thu thập từ Công ty Vật liệu Xanh tại Bà Rịa - Vũng Tàu, cùng với đá dăm và cát vàng từ Hoà An, Đồng Nai Xỉ thép đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông.
Yêu cầu về Bê tông:- Cường độ bê tông (Rn): 20MPa
- Độ sụt bê tông (ĐS): 6cm
Yêu cầu về vật liệu:
Xi măng : XM Pooclăng thông thường
Tính chất cơ lý của xi măng
- Cường độ thực tế của Xi măng (Rx) : 47 MPa
- Khối lượng riêng của Xi măng (rx) : 3.1 g/cm3 Đá- Khối lượng riêng: 2.7 g/cm3
- Đường kính hạt lớn nhất : 20 mm
Cát :- Khối lượng riêng của Cát : 2.65g/cm3
Bảng lượng nước trộn ban đầu cần cho 1m 3 bê tông (lít) Độ sụt
Kích thước hạt lớn nhất của cột liệu lớn Dmax (mm)
Mô đun độ lớn của cát 1.5 -
Lượng nước (tra bảng) : 190 mm
Thành phần bê tông Thành phần vật liệu cho bê tông (1m 3 )
X (kg) C (kg) Đ (kg) N (kg) Thành phần 1 492 808.8 1227.96 246
So sánh bê tông xỉ và bê tông thường
Xỉ được sử dụng trong chế tạo bê tông có các tính chất cơ lý lý tưởng, đặc biệt cho các công trình gần nguồn cung cấp xỉ Bê tông từ xỉ có khả năng chịu va đập, mài mòn và bền bỉ trong môi trường xâm thực Việc tận dụng xỉ làm cốt liệu không chỉ giúp giảm chi phí xây dựng, vì giá xỉ sắt rẻ hơn đá dăm, mà còn đảm bảo chất lượng công trình và cải thiện môi trường Quy trình sản xuất xỉ, bao gồm đập và sàng lọc để tạo ra các cỡ hạt khác nhau, rất phù hợp để tối ưu hóa cấp phối cốt liệu, từ đó nâng cao cường độ bê tông.
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu
Cốt liệu lớn được sử dụng trong xây dựng là đá dăm khai thác từ mỏ đá, có hình dạng khối cầu với ít hạt dẹt và góc cạnh Kích thước hạt lớn nhất Dmax đạt 20 mm, với khối lượng riêng 2700 kg/m³ và khối lượng thể tích 1510 kg/m³ Thành phần hạt của đá dăm được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng - N.T.T Hằng (2015)
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Kết quả
Khối lượng riêng TCVN 7576-4:2006 2.70 g/cm 3
Khố lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7576-4:2006 2.61 g/cm 3 Khố lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7576-4:2006 2.67 g/cm 3 ộ út nước TCVN 7576-4:2006 2.5 %
Khố lượng thể tích xốp TCVN 7576-6:2006 1.51 g/m 3 ộ rỗng giữa các hạt TCVN 7576-6:2006 45.8 %
P hầ n tr ăm t íc h lũ y (% )
Kích thước lỗ sàng vuông (mm) Đá dăm
Giới hạn thành phần hạt đá dùng trong XD theo TCVN 7676:2005
Hình 3.1 Biểu đ thành phần hạt củ đá dăm
Bảng 3.2 Thành phần hạt của đá
Kíc t ước lỗ sàng vuông (mm) 20 10 5 Lượng sót sàn riêng biệt (kg) 0.09 0.35 0.64 Lượng sót tíc lũ (%) 9 44 99
Hình 3.2 á dăm 3.1.2 Cốt liệu nhỏ
Cốt liệu nhỏ trong các cấp phối bê tông chủ yếu là cát, và cát được sử dụng trong nghiên cứu cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật theo TCVN 1770:1986 “Cát dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.
Cát được sử dụng tại Đồng Nai là cát sạch, có kích thước hạt thô Các tính chất vật lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt đã được kiểm tra theo Tiêu chuẩn Việt Nam Cát được làm sạch và sấy khô trước khi đưa vào sử dụng.
Hình 3.3 Cát sử dụng cho cấp phối bê tông
P hầ n tr ăm t íc h lũ y (% )
Kích thước lỗ sàng vuông (mm)
Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005
Hình 3.4 Biểu đ thành phần kích cỡ hạt cát 3.1.3 Xỉ thép
Xỉ dạng tảng lớn được làm nguội tự nhiên trong không khí trên bãi thải nhà máy, sau đó được đập thành phẩm bằng máy đập hàm Sản phẩm bán thành phẩm này được lưu trữ ngoài trời và phun nước để ổn định thể tích Nguồn xỉ thép trong nghiên cứu này được thu thập từ các nhà máy luyện thép tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân.
Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng àu Xỉ thép ở đ có tín c ất k á tư ng đ ng với loại xỉ t ép đ và đ ng được sử dụng trên thế giới.
Bảng 3.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN
Tên chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Phương pháp thử Giá trị
Khố lượng thể tíc đổ đống g/cm 3 TCVN 7572-6:2006 1.85 ộ rỗng % TCVN 7572-6:2006 55.1
Khố lượng riêng g/cm 3 TCVN 7572-4:2006 3.60 ộ út nước % TCVN 7572-4:2006 2.0
Xỉ t ép s u k t u t ập về phòng thí nghiệm đã xác định các tín chất c ản n ư t àn p ần ó k ố lượng r ng và k ố lượng t ể tíc, phân tách thành phần hạt, tương đương với thành phần hạt củ cát đạt tiêu chuẩn cho bê tông Thành phần hóa học của xỉ t cát cho thấy hàm lượng C O tương đối cao, chứng tỏ đây là vật liệu pozzolan, phù hợp để sử dụng làm vật liệu bổ sung cho xi măng Portland nhằm tăng độ bền và cường độ của bê tông.
Hình 3.5 Quy trình tách thành phần hạt xỉ
Bảng 3.4 àn p ần ó ỉ thép - Jigar Patel (2006)
MKN SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 SO 3
Do Xỉ t ép được sử dụng trong đề tà nà để thay thế một phần cát trong thành phần cấp phối bê tông, giúp cải thiện tính chất vật liệu và giảm thiểu tác động tiêu cực từ các yếu tố môi trường Việc sử dụng Xỉ t ép không chỉ tối ưu hóa chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Sau khi thu hoạch, cát được phân loại theo kích cỡ hạt để đảm bảo sự đồng nhất trong thành phần Quá trình này bao gồm việc trộn lẫn các kích cỡ hạt khác nhau nhằm đạt được chất lượng tối ưu cho sản phẩm cuối cùng.
Hình 3.6 Xỉ được phân loại theo kích cở hạt
Bảng 3.5 ặc tín c lý của vật liệu
Vật liệu Khối lƣợng riêng
Khối lƣợng thể tích (g/cm 3 ) Độ hút nước (%)
Kết quả phân tích cho thấ độ út nước của xỉ t ép tư ng đố c o đ ều này có ản ưởng trực tiếp đến tính công tác bê tông.
Thiết kế thành phần cấp phối
Hỗn hợp t ng 20 được thiết kế theo phương pháp áp tr ảng đối với bê tông truyền thống, chỉ sử dụng cát và đá, với các kiểm tra thực hiện trong phòng thí nghiệm Cấp phối được chia thành hai nhóm: nhóm đầu giữ nguyên các thành phần và chỉ thay thế một lượng xỉ theo khối lượng cát, nhằm xem xét các tính chất cơ lý như cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi Nhóm còn lại sẽ thay đổi đồng thời lượng măng theo khối lượng bê tông và hàm lượng xỉ thép theo khối lượng cát để xác định cường độ chịu nén Ngoài các tiêu chí về cường độ, bê tông cần được thiết kế với khả năng chảy ở mức trung bình, đạt độ sụt mong muốn từ 8-12cm, phù hợp với yêu cầu sử dụng trong thực tế Cấp phối được trình bày trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông (kg/m 3 )
Hàm lƣợng xỉ thay cát
Xi măng Cát Xỉ Đá Nước
“+”: àm lượng bổ sung “-”: àm lượng giảm
Quy trình thí nghiệm
Tóm tắt quá trình thực hiện:
1 Tất cả hổn hợp bê tông sau khi trộn được ác địn độ xụt theo TCVN 3016:1993 trước khi cho vào khuôn mẫu
2 Các mẫu s u k đúc được giử t n định ở phòng thí nghiệm 24 s u đó được dưỡng hộ trong nước đến ngày tuổ t ng đ được địn trước (7, 28,
90 ngà ) đem t í ng ệm Tại mỗi thờ đ ểm nén mẫu, giá trị trung bình tất cả mẫu thử được chọn n ưng k ng vượt quá 15%
3 Quy trình thực hiện n ư tr n đối với mẫu kiểm tra uốn cường độ chịu uốn ác địn t eo p ư ng p áp uốn 3 đ ểm TCVN 3121:2003
4 Xỉ t ép được sử dụng thay thế một phần cát, với các tỷ lệ 20%, 40%, 60%, các nguyên liệu còn lạ k ng t đổi và thực hiện lạ t eo ước 2, 3
5 Các mẫu bê tông sử dụng xỉ t ép được ng m trong m trường nước, và kiểm tra các chỉ t u c lý vào n ững thờ g n đ được chọn trước Mục đíc đán g á mức độ ăn mòn trong m trường nước đối với bê tông xỉ thép
Bảng 3.7 Kích thước mẫu thí nghiệm theo TCVN 5574-2012
Loại mẫu Kích thước (cm) Chỉ tiêu thí nghiệm
Mẫu lăng trụ ỉ10 x 20 Nộn, Kộo giỏn tiếp (ộp chẻ)
Mẫu lăng trụ ỉ15 x 30 Modul đàn i
Mẫu hình chữ nhật 10 x 10 x 40 Uốn
Xác định cường độ chịu nén TCVN 5574-2012
Cường độ chịu nén t ng ác định theo công thức:
rong đó: Pn – lực nén phá hủy mẫu (N)
Fn – Diện tích má ép (cm 2 ) α- Hệ số phụ thuộc chiều cao mẫu thử
Hình 3.7 Thiết bị nén mẫu ác địn cường độ chịu nén
Mẫu phá hoại thực tế Mẫu phá hoại đúng Mẫu phá hoại sai
Hình 3.8 Thiết bị nén mẫu ác địn cường độ chịu nén
Xác định cường độ chịu uốn TCVN 6355:1998
Cường độ chịu uốn của mẫu thử Rn được ác định theo công thức:
bh rong đó: P u – Tải trọng phá hủy mẫu khi uốn (N)
L – Khoảng cách giữ các đường tâm gố đở (cm) b- chiều rộng mẫu thử (cm) w – chiều cao mẫu thử (cm)
Thiết bị uốn 4 điểm thực tế Sơ đồ truyền tải thí nghiệm uốn
Hình 3.9 Thiết bị uốn 4 điểm
Hình 3.10 Biểu đ quan hệ thời gian – tải trọng thí nghiệm uốn
Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông theo TCVN 8862:2011 thường thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén Do đó, tốc độ gia tải trong thí nghiệm kéo gián tiếp cũng ít hơn so với thí nghiệm nén trực tiếp Cụ thể, trong nghiên cứu, tốc độ nén được áp dụng trong thí nghiệm kéo gián tiếp là 3.5 MPa/s.
31 trong khi đó đối với thí nghiệm nén trực tiếp là 6 MPa/s Cường độ chịu uốn R(t) của mẫu thử được ác định theo công thức:
rong đó: l – chiều dài mẫu (cm)
P- Tải trọng lớn nhất lúc mẫu bị tác đ (N) d – ường kính mẫu (cm)
Hình 3.11 Thiết bị ép chẻ ác địn cường độ chịu kéo gián tiếp
Hình 3.12 S đ truyền tải thí nghiệm ép chẻ
Xác định khối lượng thể tích mẫu
Khối lượng thể tích của từng viên mẫu bê tông được tính theo công thức ρ = m/V, trong đó ρ là khối lượng thể tích, m là khối lượng của viên mẫu ở trạng thái cần thử, và V là thể tích của viên mẫu Công thức này cho phép xác định khối lượng thể tích của bê tông, với đơn vị đo lường là T/m³, kg/m³, hoặc g/cm³.
Khối lượng thể tích của củ tươi được xác định bằng kg/m³, với độ chính xác tới 10 kg/m³ Giá trị này là trung bình cộng của ba kết quả thử nghiệm từ ba viên trong cùng một tổ mẫu.
Xác định mô đun đàn hồi của mẫu theo TCVN 5276:1993 trong trường hợp chịu nén được thực hiện đúng tiêu chuẩn trong giai đoạn đầu khi tác dụng lực lên các vật liệu tuân theo định luật Hooke Kết quả tính toán cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính, phản ánh tính chất đàn hồi của vật liệu.
L0 : C ều dà k ảo sát n đầu (c uẩn đo củ dụng cụ) (mm)
∆L : ộ t đổ c ều dà tư ng ứng vớ k oảng L0 củ mẫu k c ịu lực P (mm)
A0: d ện tíc mặt cắt ng ng củ mẫu t ử
Hình 3.13 Mẫu thí nghiệm modul đàn i và màn hình hiển thị thông số chuyển vị
C u ển vị dọc trục C u ển vị nở ng
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ thay thế cát (Hàm lượng XTC) và hàm lượng giảm xi măng đến cường độ chịu nén
Sau khi đặt mẫu bê tông ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, mẫu được dưỡng hộ trong môi trường nước và sau 28 ngày tuổi, được vớt ra và để khô tự nhiên trong 12 giờ Thí nghiệm nén và uốn phá hoại được thực hiện để xác định cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của mẫu Kết quả cường độ chịu nén sau 28 ngày được trình bày trong bảng 4.1, trong đó mỗi giá trị cường độ chịu nén là trung bình của tổ mẫu Các giá trị bất thường trong quá trình thực nghiệm đã được loại bỏ theo tiêu chuẩn TCVN 4548:2009 về thống kê ứng dụng.
Bảng 4.1 Cường độ chịu nén bê tông B20 (MPa)
Hàm lượng giảm xi măng
Hàm lượng XTC ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông B20, như thể hiện trong hình 4.1 Kết quả cho thấy bụi xỉ có tác động trực tiếp đến cường độ của loại bê tông này.
Khi không thay đổi lượng xi măng, việc tăng hàm lượng XTC dẫn đến cường độ phát triển chậm, đặc biệt sau khi đạt ngưỡng 40% XTC, cường độ có xu hướng giảm, với mức chênh lệch so với bê tông không thay thế xỉ dao động từ 7% đến 13% Ngoài ra, trong cùng điều kiện hàm lượng XTC, bê tông có lượng xi măng ít hơn sẽ có cường độ chịu nén thấp hơn, tương tự như bê tông OPC Kết quả này mở ra cơ hội cải tiến trong thiết kế cấp phối, cho phép giảm lượng xi măng và bổ sung xỉ thép một cách hợp lý.
Nghiên cứu cho thấy hàm lượng XTC tối ưu được đề xuất là 40%, giúp giảm lượng xi măng mà vẫn đảm bảo cường độ chịu nén thiết kế Các cấp phối được điều chỉnh để tận dụng đặc tính của xỉ, thay thế một phần xi măng, đồng thời đạt được cấp độ bền B20 (mác 250) và B22.5 (mác 300).
Tại 40% hàm lượng XTC, cường độ chịu nén đạt 29.43 MPa với cấp phối B20 không thay đổi lượng xi măng Khi giảm 15% xi măng, cường độ chịu nén giảm xuống còn 22.74 MPa, tương ứng với mức giảm 22.73%.
Hàm lượng xỉ thay thế cát (%)
Không giảm xi Giảm 5% xi Giảm 10% xi Giảm 15% xi
Hình 4.1 Cường độ chịu nén bê tông B20
Cấp phối có hàm lượng XTC 60% cho thấy cường độ chịu nén thấp hơn khi thay thế 20% đến 40% xỉ thép Mặc dù xỉ thép mang lại nhiều lợi ích như cải thiện cường độ và có tính chất tương tự xi măng, việc lạm dụng và thay thế quá mức xỉ thép sẽ dẫn đến sự giảm sút cường độ.
Cấp phối giảm 10% hàm lượng xi măng, đạt cường độ lớn nhất 26.08 MPa tại hàm lượng XTC 40% Chênh lệch so với không sử dụng xỉ là 22.5% Khi tăng
Hàm lượng XTC từ 0% đến 20% cho thấy cường độ chênh lệch đạt 4.57 Mpa (≈14.8%) Khi tăng lượng xỉ lên 40%, cường độ tiếp tục tăng thêm 1.57 MPa (≈6.7%) Tuy nhiên, sau khi đạt cường độ cực đại tại hàm lượng XTC 40%, cường độ giảm 2.31 Mpa (giảm xấp xỉ 10.2%) khi hàm lượng XTC tăng lên 60% Cấp phối giảm 15% cũng thể hiện xu hướng biến thiên cường độ tương tự.
Khi so sánh cường độ chịu nén của bê tông có chứa 20% xỉ thép với bê tông không sử dụng xỉ, kết quả cho thấy cường độ chịu nén tăng 7% mà không giảm lượng xi măng Mức tăng này là một cải thiện nhẹ nhưng đáng chú ý trong hiệu suất của bê tông khi sử dụng xỉ thép.
XTC đạt 60%, với mức tăng cao nhất là 13% khi hàm lượng XTC ở mức 40% Việc điều chỉnh hàm lượng xỉ thép một cách hợp lý sẽ tạo ra bê tông có khả năng chịu lực tương đương trong khi giảm lượng xi măng.
Bảng 4.2 Cường độ chịu nén bê tông B20 (MPa)
Cường độ chịu nén (MPa) 25.99 27.79 29.43 28.01
Khối lượng thể tích (kg/m 3 ) 2813.51 2901.80 2922.76 2955.23
Kh ối lư ợn g th ể tí ch ( kg/m 3 )
Hàm lượng xỉ thay thế cát (%)
Cấp phối B20 không giảm xi măng
Cường độ chịu nén Khối lượng riêng
Hình 4.2 Tỷ lệ cường độ chịu nén bê tông bụi xỉ thép 28 ngày
Kết quả thực nghiệm cho thấy, việc bổ sung xỉ vào cấp phối làm tăng cường độ chịu nén, tuy nhiên cũng dẫn đến sự gia tăng khối lượng thể tích trung bình lên trên 2901.80 kg/m³ (3.1%) Điều này cho thấy khối lượng thể tích của xỉ lớn hơn so với cát.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1 Kết luận Đề tài sử dụng nguồn nguyên vật liệu là phụ phẩm, phế phẩm từ các ngành công nghiệp là xỉ thép, kết hợp với tỷ lệ phù hợp để cải tiến bê tông OPC truyền thống, nhằm hoàn thiện và làm phong phú hơn về chủng loại bê tông hiện nay một số kết luận có thể được rút ra như sau:
Việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu mịn có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng bê tông, đặc biệt là trong việc tăng cường độ chịu nén cho các loại bê tông có cường độ thấp.
Tuy xỉ thép không gây ra hậu quả tiêu cực khi được sử dụng trong cấp phối, nhưng nếu tỷ lệ xỉ thay thế cát đạt 60% khối lượng cốt liệu mịn, chất lượng bê tông sẽ có xu hướng giảm.
Lượng xỉ thay thế cát đạt 40% mang lại hiệu quả cao, với cường độ chịu nén tăng 1.13 lần (khoảng 11%) Mặc dù cường độ chịu kéo thấp do tính giòn của vật liệu, nhưng vẫn tăng 2.2 lần so với không sử dụng xỉ thép Cường độ chịu uốn cũng tăng 40%.
Việc thay thế một phần xi măng bằng xỉ phù hợp không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn đảm bảo cường độ công trình đạt yêu cầu như đã tính toán.
Chất lượng bê tông có thể được đánh giá thông qua mối quan hệ giữa hàm lượng XTC và lượng giảm xi măng Một mối quan hệ tuyến tính được đề xuất để xác định cường độ chịu nén của bê tông là: Cường độ chịu nén = -0.0007x^2 + 0.0721x + 23.947.
Bê tông xỉ hạt mịn có modul đàn hồi có trị trung bình 25 GPa, ít có sự sai khác khi tăng hàm lượng XTC từ 20% lên 60%
5.2 Hướng phát triển đề tài
Báo cáo đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như chưa khảo sát toàn bộ các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ Hơn nữa, do hạn chế về lý thuyết chuyên môn trong lĩnh vực nghiên cứu, báo cáo chỉ dừng lại ở mức độ ứng dụng mà chưa phát triển quy trình tính toán tối ưu cho cấp phối xỉ thép.
Nghiên cứu này mở rộng khả năng kế thừa và phát triển, đánh giá toàn diện các yếu tố liên quan, không chỉ giới hạn ở cường độ Nó còn có thể áp dụng cho các hệ số chất lượng bê tông như hệ số Young và hệ số Poisson, từ đó góp phần hoàn thiện lý thuyết tính toán và tạo cơ sở khoa học cho vật liệu mới thân thiện với môi trường.
