Só 06/2022
Nghiên cứu kết hợp xỉ thép và cát nhiễm mặn chế tạo gạch bê tông tự chèn làm mặt đường lát và sân cảng
■ TS.THÁI MINH QUÂN;ThS. LÊ THU TRANG
PGS.TS. NGUYỄN THANH SANG;ThS. NCS. LÊ TRUNG HIẾU Trường Đại học Giao thông vận tái
TOM TĂT: Xỉ thép và cát nhiễm mặn là hai loại vật liệu có trữ lượng tương đối lớn ở Việt Nam. Những nghiên cứu gần đây về việc tái sử dụng xỉ thép được xem là một loại chất thải rắn và sủ dụng hàm lượng cát nhiễm mặn cao nhằm giảm lượng cát tự nhiên để chế tạo ra các loại vật liệu mới đã có những kết quả khả quan. Bài báo đề cập nghiên cứu này về các đặc tính cơ học của gạch bê tông tự chèn sử dụng cát nhiễm mặn và xỉ thép thay thế cát tự nhiên trong thành phần gạch tự chèn bê tông. Các thử nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu ép chẻ, độ hút nước và độ mài mòn được thực hiện. Kết quả thử nghiệm cho thấy, gạch bê tông tự chèn này có thể đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật để sử dụng làm mặt đường lát và sân cảng.
TỪ KHÓA: Gạch bê tông tự chèn, cát nhiễm mặn, tính chất cơ học, xỉ thép, chất thải rắn, tính chất cơ học.
ABSTRACT: Steel slag and saline sand are two materials with relatively large reserves in Vietnam.
Recent studies have shown positive results on the reuse of steel slag, which is considered a solid waste, and the use of high saline sand content to reduce the amount of natural sand in order to create new materials. This paper presents the study on the mechanical properties of interlocking concrete bricks using saline sand and steel slag. Experimental tests for compressive strength, spilitting strength, water absorption and abrasion are carried out. The test results show that this interlocking concrete bricks can meet the technical requirements for use as high
grade pavement for road and port.
KEYWORDS: Interlocking concrete bricks, saline sand, mechanical properties, steel slag, solid waste, mechanical properties.
1.ĐẶTVẤN ĐỂ
Việt Nam có tổng sản lượng thép năm 2007 khoảng 12 triệu tấn/năm và dự kiến sẽ đạt khoảng 18 triệu tấn/
năm vào năm 2025 (Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg ngày 04/9/2007 của Thủ tướng Chính phủ về việc "Phê duyệt quy hoạch phát triển ngành Thép Việt Nam giai đoạn 2007 - 2015, có xét đến năm 2025"). Lượng xỉ thải ra từ các nhà máy thông thường chiếm từ 11 -12% khối lượng phôi đầu vào [1], 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.
Bên cạnh đó, ở Việt Nam, trữ lượng cát nhiễm mặn rất lớn,đặc biệtởmột số tỉnh duyên hải miểnTrung.Tính riêng Quảng Ngãi có trữ lượng cát nhiễm mặn vào khoảng 5.929 triệu m3, hiện nay chưa được nghiên cứu sử dụng thay thế cho cát tự nhiên. Thêm nữa, trên thế giới cũng như ở Việt Nam có nhiều chất thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, xỉ thép cũng cần được tái sử dụng. Trong nghiên cứu của M. Zdiri (2009), các loại cát nhiễm mặn như cát nạo vét từ luồng lạch, cát nạo vét biển đã được nghiên cứu và ứng dụng trong bê tông đầm lăn có cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn có thể đáp ứng được các yêu cầu trong kỹ thuật đường bộ [2], Kamali Siham (2005) cho thấy, bùn nạo vét ở một loạt cảng biển Pháp được sử dụng trong bê tông phục vụ các công trình xây dựng đường làm lớp Base, lớp Subbase [3], Trong thành phần của gạch bê tông có thể dùng thêm xỉ thép từ nhà máy sản xuất gang thép để cải thiện các đặc tính cơ học của gạch. Wang và cộng sự (2020) cho rằng, cốt liệu xỉ thép có góc cạnh tốt làm tăng tính chống mài mòn, nên cải thiện độ bền cũng nhưchống mài mòn cho bê tông [4], Như vậy, có thể kết hợp cát nhiễm mặn và xỉ thép làm cốt liệu cho gạch bê tông tự chèn trong xây dựng mặt đường lát và gạch vỉa hè tự chèn ở Việt Nam.
Nghiên cứu này trình bày về thiết kế thành phần bê tông làm gạch tự chèn theo nguyên lý bê tòng, dùng cát nhiễm mặn và xỉ thép thay thế hoàn toàn cát tự nhiên trong thành phẩn với các tỷ lệ khác nhau. Các yêu cầu kỹ thuật của gạch bê tông sử dụng cốt liệu cát nhiễm mặn và xỉ thép được đánh giá bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu ép chẻ, độ hút nước và độ mài mòn.
2. VẬT LIỆU CHÊ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu sử dụng để chế tạo gạch bê tông tự chèn bao gồm chất kết dính (xi măng và tro bay), cốt liệu (cát nhiễm
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 0Ó/2022
mặn và xỉ thép), nước và các loại phụ gia hóa học. Trong nghiên cứu này, xi măng được sử dụng là xi măng PC40 VICEM Bút Sơn có khối lượng riêng 3,125 g/cm3 và phù hợp theo TCVN 6260-2009. Tro bay Phả Lại loại F có các yêu cầu kỹ thuật đạt rCVN 10302:2014.
Hai loại cốt liệu sử dụng là cát nhiễm mặn Quảng Ngãi và xỉ thép Hòa Phát ở Dung Quất. Kết quả thí nghiệm khối lượng 'iêng của hai loại cốt liệu tương ứng là 2,536 g/cm3 và 3,679 g/cm3. Hàm lượng lon cr của cát nhiễm mặn là 0,071% thuộc oại cát nhiêm mặn. Phụ gia siêu dẻo là phụ gia RQADCON-SPR3000 phù hợp loại D của Tiêu chuẩn ASTM C494. Các yêu cầu
<ỹ thuật của cốt liệu sử dụng được trình bày trong Bảng 2.1. cốt liệu xỉ thép có khối lượng thể tích lớn hơn nhiều so với khối ượng thể tích của hơn 40%, vậy công nghệ trộn hỗn hợp cốt liệu xỉ thép và cát nhiễm mặn cần được quan tâm để đảm bảo íộ đổng nhất.
Bảng 2.1. Các chì tiêu kỹ thuật của cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu
STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Xỉ thép SS10 Cát nhiễm mặn Yêu cầu Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng g/cm3 3,670 2,536 - TCVN 7572-4:06
2 Khối lượng thể tích g/cm3 3,488 2,517 - TCVN 7572-4:06
3 Độ hút nước % 1,43 2,19 - TCVN 7572-6:06
4 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 2,040 1,293 - TCVN 7572-6:06
5 Độ hổng % 55,59 50,99 - TCVN 7572-6:06
6 Hàm lượng hạt thoi dẹt % 6,72 - <10 TCVN 7572-13:06
7 Độ nén dập xi-lanh trạng thái khô % 5,41 - <10
8 Độ nén dập xi-lanh trạng thái bâo
hòa nước % 5,31 - <10
TCVN 7572-11:06
9 Hàm lượng bùn, bụi sét % 0,99 0,53 <1 TCVN 7572-8:06
10 Độ hao mòn Los Angeles % 21,85 - <50 TCVN 7572-12:06
Thành phần của bê tông làm gạch được tính toán tương tự như các loại bê tông thi công bằng phương pháp lu lèn theo nguyên lý bê tông. Phương pháp thiết kế thành phần đảm bảo lượng chất kết dính phải đủ bao phủ hết bề mặt cốt liệu và I ấp lỗ rỗng, tạo ra hỗn hợp phối liệu có độ đặc cao. Nguyên lý thiết kế dựa trên tỷ lệ N/CKD và tính công tác phù hợp với yêu cầu thực tế thi công.
Dựa vào một số kết quả đã nghiên cứu vể gạch bê tông vàTCVN 10306:2014 về thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao, r ghiên cứu đã lựa chọn hàm lượng xi màng bằng 400 kg/m3, tro bay đóng vai trò nhưchất độn mịn bằng 200 kg/m3 và lượng r ước là 147 lít/m3 với tỷ lệ N/X = 0,37.
Tỷ lệ thành phẩn giữa xỉ thép và cát nhiêm mặn được lựa chọn thử nghiệm trong nghiên cứu là 75 - 25%; 60 - 40%, 45 - ĩ 5% và 30- 70%. Thành phần cấp phối xác định trên cơ sở nguyên lý thể tích đặc tuyệt đối được trình bày ở Bảng 2.2.
Các yêu cầu kỹ thuật của gạch tự chèn bê tòng được đánh giá trong nghiên cứu bao gồm: cường độ chịu nén của bê tông I. im gạch được xác định theo TCVN 3118:1993 trên lập phương tiêu chuẩn 150x150x150 mm; độ mài mòn của bê tông được xác định theo Tiêu chuẩnTCVN 3114:1993 trên mẫu lập phương kích thước 70,7x70,7x70,7 mm ởtuổi 28 ngày; độ hút nước của bê tông được xác định theo Tiêu chuẩn TCVN 6355-4:2009.
Hỗn hợp cốt liệu được lựa chọn theo cấp phối tốt nhất gần với mức tối ưu của quy định theo các tiêu chuẩn bê tông làm C ường trên thế giới. Đường hỗn hợp cốt liệu để chế tạo bê tông làm gạch được trình bày ở Hình 2.1.
Hình 2.1: cấp phối cốt liệu cho bê tông làm gạch tự chèn sử dụng cát nhiễm mặn và xỉ thép
Só06/2022
Bảng 2.2. cấp phối Im3 bê tông tự chèn sử dụng cát nhiễm mặn và xỉ thép
cấp phối N/
CKD Nước
(lít) Xi măng
(kg) Tro bay (kg)
Xi thép
(kg) Cát mịn (kg)
Phụ gia (lít)
Khối lượng
thế tích (kg/m3) 75XT-25CM 0,37 147 400 200 1490 497 2,8 2734 60XT-40CM 037 147 400 200 1155 770 2,4 2673 45XT-55CM 0,37 147 400 200 839 1025 2,0 2611 30XT-70CM 0,37 147 400 200 541 1262 2,0 2550
Hình 2.2: Chê'tạo mẫu thí nghiệm bê tông làm gạch sử dụng cát nhiễm mặn và xi thép
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 .Tính công tác và giảm tính công tác theo thời gian Tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt nhỏ được xác định thông qua phương pháp đo độ sụt bằng côn Abram theo TCVN 3106:1993, được khống chế ở mức 6±2 cm và theo dõi theo thời gian trong vòng 60 phút.
3.2. Cường độ chịu nén của bê tông làm gạch tự chèn Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén ở các ngày tuổi 7, 28 ngày là giá trị trung bình của 3 viên mẫu thử (của các cấp phối bê tông làm gạch khác nhau), được trình bày trong Hình 3.1.
Hình 3.1: Ảnh huởng của xỉ thép, cát nhiễm mặn đến cường độ chịu nén của gạch bê tông
Cường độ chịu nén của gạch bê tông giảm dần khi tăng lượng xỉ thép sử dụng và có xu hướng phát triển chậm ở những ngày tuổi sớm. Cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi của các loại gạch bê tông đểu đạt từ 30 MPa trở lên. Như vậy có thể thấy, cường độ 7 ngày tuổi của các loại gạch bê tông đạt từ 57 - 65% so với cường độ ở 28 ngày tuổi. Có thể thấy, khi sử dụng xỉ thép và tro bay, gạch bê tông có xu hướng phát triển cường độ chịu nén ở tuổi muộn. Để đạt được yêu cầu kỹ thuật của gạch tự chèn theo quy định của Tiêu chuẩn ASTM C936 thì tỷ lệ thay thế cát nhiễm mặn trong cốt liệu lớn nhất là 55%. Cường độ chịu nén của hỗn hợp cốt liệu hợp lý nhất của xỉ thép-cát nhiễm mặn là 45 - 55%, cho cường độ 7 ngày và 28 ngày cao nhất, tương ứng với 41,27 MPa và 64,3 Mpa.
3.3. cường độ chịu ép chẻ của bê tông làm gạch tự chèn Kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ ở các ngày tuổi 3,7 và 28 là giá trị trung bình của 3 viên mẫu thử, được trình bày trong Hình 3.2. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Sô 0Ó/2022
chịu ép chẻ 3 ngày tuổi đạt từ 50 - 56% so với cường độ 28 ngày tuổi, cường độ ép chẻ 7 ngày tuổi đạt từ 71 - 75% so với cường độ chịu ép chẻ 28 ngày tuổi. Quy luật này cũng tương tự như bê tông thông thường không sử dụng phụ gia và tro bay. Như vậy có thể nói, khi sử dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo phù hợp vẫn có thể duy trì đạt cường độ tuổi theo yêu cầu. Tỷ lệ cường độ ép chẻ đạt ở 7 ngày tuổi là từ 71 -75%, so với tỷ lệ tương ứng này của cường độ chịu nén đạt 57 - 65% ở inục 3.1 cho thấy mức độ phát triển cường độ chịu kéo nhanh hơn so với cường độ chịu nén khi sửdụng xỉ thép trong thành phẩn của bê tông. Yếu tố này tốt cho bê tông làm gạch tự chèn cũng như loại bê tông mật đường khác.
Hình 3.2: Ảnh hưởng của cốt liệu đến cuờng độ ép chẻ của gạch bê tông
Kết quả thí nghiệm cường độ ép chẻ của các loại gạch bê tông phản ánh quy luật tương đồng với cường độ chịu nén, về cả giá trị lẫn sự phát triển theo thời gian.
3.4. Độ mài mòn của gạch bê tông
Độ mài mòn được thí nghiệm ở tuổi 28 ngày trên mẫu lập phương 7,07x7,07x7,07 cm theo Tiêu chuẩn TCVN 3114:1993. Kết quả là giá trị trung bình của 3 mẫu thử, được trình bày tại Hình 3.3.
Hình 3.3: Độ mài mòn của các loại bê tông làm gạch tự chèn ở tuổi 28 ngày
Độ mài mòn được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn TCVN 3114-1993, kết quả thí nghiệm cho thấy, khi giảm hàm lượng xỉ thép làm giảm khả năng chống mài mòn của gạch bê tông, quy luật cho thấy, khi tăng hàm lượng cát mận lên trong thành phấn cốt liệu thì khả năng chống mài mòn giảm, vậy chỉ nên tăng hàm lượng cát mặn lên đến 40% so với khối lượng cốt liệu.
3.5. Độ hút nước của bê tông làm gạch tự chèn Độ hút nước được thí nghiệm ở tuổi 28 ngày trên mẫu có hình dạng bất kỳ theo Tiêu chuẩnTCVN 6355-4:2009. Kết quả là giá trị trung bình của 3 mẫu thử, được trình bày tại Hình 3.4.
Hình 3.4: Độ hút nuớc của các loại bê tông làm gạch tự chèn ở tuổi 28 ngày
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy độ hút nước của bê tông có xu hướng tăng lên theo hàm lượng cát nhiễm mặn tàng lên. Tuy nhiên, độ hút nước của các các loại bê tông khi hàm lượng cát mặn tăng lên đểu nhỏ hơn độ hút nước là 6% theo yêu cầu của M500 theo TCVN 6476
4. KẾT LUẬN
Với các kết quả nghiên cứu trên, có những kết luận sau được rút ra:
- Có thể tận dụng được khối lượng xỉ thép từ Nhà máy Gang thép Hòa Phát ở Dung Quất cùng với lượng cát mặn ở vùng Quảng Ngãi hoặc cát nạo vét để có thể chế tạo được gạch bê tông tự chèn từ M500 trở lên, làm giảm thiểu giá thành vận chuyển của vật liệu từ nơi khác ở tỉnh Quảng Ngãi;
- Với phương pháp thiết kế thành phẩn áp dụng cho bê tông hạt nhỏ làm mặt đường có ứng dụng theo cấp phối tốt nhất theo Funk and Dinger làm giảm đáng kể chất kết dính;
- Hỗn hợp cốt liệu bao gồm 30 - 75% xỉ thép và 25 - 75%
cát mặn đểu thỏa mãn điểu kiện bê tông đạt cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi từ 52,1 - 64,3 MPa, các loại bê tông này đều có độ hút nước nhỏ hơn 6%, độ mài mòn đều <0,5 g/cm2, các loại bê tông làm gạch tự chền đạt từ M500 trở lên theo TCVN 6476. Để đạt tối Ưu được đồng thời các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông làm gạch tự chèn có thể chọn tỷ lệ là 45% xỉ thép và 55% cát mặn. Với tỷ lệ này thì hàm lượng lon Cl' trong 1 m3 bê tông do cát mặn là 0,73 kg/1 m3. Theo khảo sát mới nhất bằng quan sát, cho đến hiện nay (2 năm), gạch tự chèn chế tạo trong nghiên cứu này chưa có các hiện tượng hư hỏng.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi để tài độc lập cấp Nhà nước của Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam
"Nghiên cứu sử dụng cát nhiễm mặn để xây dựng công trình giao thông" - mã số ĐTĐL.CN -23/19.
Tài liệu tham khảo
[1 ]. Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg ngày 04/9/2007của Thủ tướng Chính phủ về việc "Phê duyệt quy hoạch phát triển ngành Thép Việt Nam giai đoạn 2007 -2015, có xét đến năm 2025".
[2], M. Zdiri (July 2009), The use of fluvial and marine
Só OÓ/2O22
sediments in the formulation of Roller Compacted Concrete for use in pavements, Environmental Technology vol.30, no.8,809-815. DOI: 10.1080/09593330902990097.
[3]. Kamali Siham. et al. (2008), Marine dredged sediments as new materials resource for road construction, Waste Management 28, 919-928, DOI: 10.1016/j.
wasman.2007.03.027.
[4]. Wang, s., Zhang, G., Wang, B., Wu, M., (2020), Mechanical strengths and durability properties of pervious concretes with blended steel slag and natural aggregate, J.
Clean. Prod., 122590, DOI:10.1016/j.jclepro.2020.122590.
[5]. P.K. Mehta, PJ. Monteiro 9 (2017), Concrete Microstructure, Properties and Materials.
[6], Nguyễn Thanh Sang, Nghiên cứu phương pháp kiểm tra và đảm bảo chất lượng thi công công trình cẩu bê tông, Để tài cấp Bộ, mã số CTB2014-04-07.
[7]. c. Heidrich, H.-J. Feuerborn, A. Weir (2013), Coal combustion products: a global perspective, in: World of Coal Ash Conference.
[8]. Quy hoạch phát triển GTVT đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 theo Quyết định số 356/QĐ-TTg ngày 25/02/2013 của Thủ tướng Chính phủ.
[9], ACI 211.1, Guide for selecting Proportion for No
Slump Concrete, ACI commutee 211.
[10], ACI 325.10R. 95 (2001), Reporton Roller Compacted Concrete Pavement, Reapparoved 2001, pp.31-51.
[11]. EN 13877-1, Concrete pavements - Part 1: Materials/
BSI Standards Publication - BS EN 13877-1:2013.
[12], EN 13877-2, Concrete pavements - Part 2: Functional requirements for concrete pavements/BSI Standards Publication - BS EN 13877-2:2013.
[13], Qiao Dong, Guotong Wang, Xueqin Chen, Juan Tan, Xingyu Gu (2020), Recycling of steel slag aggregate in portland cement concrete An overview, Journal of Cleaner Production, https://doi.Org/10.1016/j.jclepro.2020.124447.
[14]. Nguyễn Thanh Sang (2011), Nghiên cứu sử dụng cát duyên hải miền Trung làm mặt đường bê tông xi màng cát trong xây dựng đường giao thông nông thôn, Đề tài cấp Bộ GTVT, mã số DT104012.
[15], Nguyễn Thanh Sang, Trần Lê Thắng, Nguyền Quang Ngọc (2010), Bê tông cát nhiều tro bay làm lớp móng mặt đường ô tô: Giải pháp kinh tế và môi trường,Tạp chí Khoa học GTVT, Trường Đại học GTVT (30), tr.84-91.
[16], Bouzoubaa N„ Fournier B. (2005), Current situation with the production and use of supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete construction in Canada, Can J Civ Eng., 32(1), 129-143, https://doi.org/10.1139/l04-109.
[17]. Hanan A.EI Nouhy (April 2013), Performance evaluation of interlocking paving units in aggressive environments, HBRC Journal, vol.9, Issue 1, pp.41-48, https://
doi.org/10. W16/j.hbrcj.2O12.12.004.
Ngày nhận bài: 17/3/2022 Ngày chấp nhận đăng: 19/4/2022
Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long TS. ĐặngThùy Chi
