155
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU LÀM TỪ XỈ THÉP
BÀ RỊA -VŨNG TÀU TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG
RESEARCH ON EFFECTS OF BA RIA - VUNG TÀU STEEL
AGGREGATE TO THE STRENGTH AND SHRINKAGE OF CONCRETE
ThS. Nguyễn Thành Thái
Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Email: nguyenthai@ibst.vn
TÓM TẮT: Xỉ thép là một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép. Xỉ thép chủ yếu là oxit sắt được
nghiền thành hạt kích thước khác nhau sử dụng như cốt liệu lớn và nhỏ cho bê tông. Trong nghiên cứu
này, xỉ thép được sử dụng để thay thế 100% lần lượt cốt liệu lớn và nhỏ để sản xuất bê tông. Kết quả
nghiên cứu cho thấy có thể sản xuất bê tông có cường độ nén đến 70 MPa. Cường độ của bê tông sử dụng
xỉ thép tương đương hoặc cao hơn, độ co nhỏ hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu thông thường.
ABSTRACT: The steel slag is a byproduct of steel processing. The steel slag consists mainly of iron
oxide, which is crushed into different sizes having similar size, such as coarse aggregates and fine
aggregates for concrete use. In this study, steel slag were analyzed in physical properties and chemistry,
then slag is used to replace 100% respectively coarse aggregates and fine aggregates in concrete high
intensity for compressive strength of 70MPa. The strength of concrete using steel slag is equivalent or
higher, the shrinkage is smaller than that of concrete using conventional aggregates (stone, sand).
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong bê tông cốt liệu chiếm một khối lượng lớn, có thể từ 50% đến 70%. Bê tông thông
thường sử dụng cốt liệu tự nhiên là đá, cát, cát nghiền. Hệ quả là, tài nguyên tổng hợp thô tự
nhiên trở nên cạn kiệt, khan hiếm dần. Xỉ thép là phế thải của công nghiệp, một sản phẩm phụ
của sản xuất thép có nhiều tính chất cơ lý tương tự như cốt liệu, nên việc nghiên cứu ứng dụng xỉ
thép làm cốt liệu để sản xuất bê tông là việc cần thiết.
Năm 2009, Hisham Qasrawi đã nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải không qua xử lý và có
hàm lượng CaO thấp, làm cốt liệu nhỏ thay cát trong bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng,
xỉ thải sử dụng với hàm lượng 30%-50% làm cho cường độ chịu nén tăng 1,2 lần, cường độ chịu
kéo tăng 1,4 lần. Ngoài ra, độ sụt của hỗn hợp bê tông giảm xuống khi hàm lượng xỉ thép sử
dụng tăng lên. Năm 2017, tác giả Radhu Chandini đã nghiên cứu “Sử dụng xỉ thép trong bê tông
làm cốt liệu mịn”. Nghiên cứu tiến hành thay thế cát bằng xỉ thép với tỷ lệ lần lượt là 15%, 30%,
50% và 100%. Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị cường độ tối ưu khi thay cát bằng xỉ thép
từ 30-50%. Các nghiên cứu thường thay thế môt phần xỉ thép và tập trung ở cường độ từ 25-45 MPa.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy cốt liệu xỉ thép có ảnh hưởng tốt tới các tính chất
cơ lý của bê tông (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi) phù hợp để sản xuất bê
tông. Trong nghiên cứu này mục đích là thay thế xỉ thép cho toàn bộ cốt liệu đá và cát để chế tạo
bê tông có cường độ đến 70 MPa. Thông qua đó, đánh giá cường độ của bê tông xỉ thép trong các
điều kiện dưỡng hộ và nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến co ngót của bê tông.
156
2. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng thay thế cốt liệu lớn và nhỏ trong bê tông bằng xỉ thép, sự ảnh hưởng
của xỉ thép đến cường độ và co ngót của bê tông trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau.
2.2. Nguyên vật liệu sử dụng
Trong nghiên cứu này sử dụng thành phần cấp phối bê tông cường độ cao là xi măng PC40 -
Hà Tiên, cát vàng, đá 5 20, xỉ thép mịn, xỉ thép thô và phụ gia siêu dẻo.
Xi măng: Nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại xi măng PC40 - Hà Tiên có đặc tính kỹ thuật sau:
Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng PC40 - Hà Tiên
Chỉ tiêu kỹ thuật Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng
Khối lượng riêng, g/cm3 3,08 TCVN 4030:2003
Khối lượng thể tích, g/cm3 1,10 TCVN 4030:2003
Độ nghiền mịn phương pháp Blaine, cm2/g 3.790 TCVN 4030:2003
Độ dẻo tiêu chuẩn, % 28,0 TCVN 6017:2015
Độ ổn định thế tích, mm 1,4 TCVN 6017:2015
Thời gian đông kết, phút
Bắt đầu:
Kết thúc:
120
226
TCVN 6017:2015
Cường độ nén, MPa
- Ở tuổi 3 ngày:
- Ở tuổi 28 ngày:
29,3
46,2
TCVN 6016:2011
Bảng 2. Thành phần hóa của xi măng PC40 - Hà Tiên
SiO2 Al
2O3 Fe
2O3 CaO MgO SO3 Na
2O K2O MKN CKT
19,68 4,79 3,39 62,86 1,86 2,43 0,08 0,81 3,12 0,98
Phụ gia hóa học: đề tài sử dụng phụ gia MIGHTY 3000-PC2 là phụ gia siêu dẻo thế hệ mới
dùng cho bê tông có độ chảy cao. Đây là một loại phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylic Ether
(PCE) phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại G và loại F.
Cốt liệu nhỏ: Cát vàng có nguồn gốc từ Sông Dinh có các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu
kỹ thuật theo TCVN 7570:2006, một số chỉ tiêu kỹ thuật của cát vàng như sau:
157
Bảng 3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát
Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng
Khối lượng riêng g/cm3 2,62 TCVN 7572-4:2006
Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,39 TCVN 7572-6:2006
Mô đun độ lớn - 2,57 TCVN 7572-2:2006
Hàm lượng bụi mùn sét % 0,04 TCVN 7572-8:2006
Hàm lượng tạp chất hữu cơ - Nhạt hơn màu chuẩn TCVN 7572-9:2006
Độ hút nước % 0,53 TCVN 7572-4:2006
Cốt liệu lớn: Đá có nguồn gốc Tân Cang - Đồng Nai là loại đá có cấp phối hạt 5 20 mm, các
chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu theo TCVN 7570:2006, một số chỉ tiêu kỹ thuật của đá như sau:
Bảng 4. Chỉ tiêu kỹ thuật của đá
Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng
Khối lượng riêng g/cm3 2,72 TCVN 7572-5:2006
Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,36 TCVN 7572-6:2006
Độ hút nước % 0,33 TCVN 7572-4:2006
Hàm lượng bụi mùn sét % 0,41 TCVN 7572-8:2006
Độ mài mòn Los Angeles % 15,70 TCVN 7572-12:2006
Xỉ thép: xỉ thép được lấy của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh nhãn hiệu Ecoslag, công ty đã
đầu tư xây dựng dự án thu gom xỉ thép từ các nhà máy luyện thép trên địa bàn tỉnh Bà Rịa -
Vũng Tàu, sử dụng công nghệ nghiền sàng di động để tái chế xỉ thép thành các sản phẩm sử
dụng vào các mục đích khác nhau. Trong nghiên cứu này lấy 02 loại cỡ hạt: xỉ thép mịn và xỉ
thép thô để lấy làm cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn trong bê tông.
Xỉ thép mịn: được lấy sau khi nghiền mịn thành cỡ hạt nhỏ, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo
TCVN 7570:2006 dùng để thay thế cốt liệu nhỏ (cát vàng), có một số chỉ tiêu kỹ thuật như sau:
Hình 1. Thành phần cấp phối hạt của xỉ thép mịn
158
Bảng 5. Chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép mịn
Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng
Khối lượng riêng g/cm3 3,39 TCVN 7572-5:2006
Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,64 TCVN 7572-6:2006
Mô đun độ lớn - 2,70 TCVN 7572-2:2006
Hàm lượng tạp chất hữu cơ - Nhạt hơn màu chuẩn TCVN 7572-9:2006
Độ hút nước % 2,40 TCVN 7572-4:2006
Xỉ thép thô: được lấy tại bãi xỉ thô, sàng lại tương ứng với cỡ hạt 5 20mm và đáp ứng yêu
cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 dùng để thay thế cốt liệu lớn (đá), một số chỉ tiêu kỹ thuật
như sau:
Bảng 6. Chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép thô
Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng
Khối lượng riêng g/cm3 3,49 TCVN 7572-5:2006
Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,69 TCVN 7572-6:2006
Độ hút nước % 1,79 TCVN 7572-4:2006
Hàm lượng bụi mùn sét % 0,24 TCVN 7572-8:2006
Độ mài mòn Los Angeles % 18,00 TCVN 7572-12:2006
Hình 2. Mẫu xỉ thép và hình chụp SEM của mẫu
Quan sát hình chụp SEM của mẫu xỉ thép có thể thấy cấu trúc của xỉ thép gồm nhiều lỗ rỗng
liên kết với nhau.
159
2.3. Cấp phối bê tông nghiên cứu
Trong nghiên cứu này sử dụng 3 cấp phối với độ sụt 14±2cm để so sánh, đối chứng, các cấp
phối có chung hàm lượng xi măng là 447kg/m3 và tỷ lệ N/X khác nhau. Cấp phối 1: Sử dụng cốt
liệu cát và đá; Cấp phối 2: Thay thế cốt liệu đá bằng xỉ thép thô và cấp phối 3: Thay thế cả cốt
liệu đá và cát lần lượt bằng xỉ thép thô và xỉ thép mịn. Các loại cốt liệu được ngâm nước 24 giờ
và trộn vào bê tông ở trạng thái bão hòa nước.
Bảng 7. Cấp phối bê tông nền và cấp phối bê tông xỉ thép
Ký hiệu Xi măng
(kg)
Cát
(kg)
Đá
(kg)
Xỉ thép
mịn (kg)
Xỉ thép
thô (kg)
Phụ gia
(lít)
Nước
(lít) N/X
CP0 447 795 1090 - - 4,47 143 0,32
CP1 447 795 - - 1315 4,47 157 0,35
CP2 447 - - 915 1315 4,47 189 0,42
Mỗi cấp phối được bảo dưỡng trong điều kiện khác nhau, môi trường bảo dưỡng ngâm nước
và môi trường khô trong phòng thí nghiệm sau đó mang đi nén ở các ngày tuổi 3, 7, 14, 28 và
56 ngày.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Ảnh hưởng của xỉ thép đến cường độ nén của bê tông cường độ cao trong điều kiện bảo
dưỡng khác nhau
Kết quả cường độ nén của bê tông được thể hiện qua bảng 8 và hình 3. Mẫu ký hiệu CP0,
CP1, CP2 là mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (ngâm trong nước), mẫu ký hiệu
CP0-K, CP1-K, CP2-K là các mẫu được để trong phòng thí nghiệm nhưng không được bảo
dưỡng trong nước.
Bảng 8. Tốc độ phát triển cường độ nén của các mẫu bê tông, MPa
Ngày
Cấp phối 3 7 14 28 56
CP0 60,3 76,7 86,2 87,5 89,1
CP0-K 58,0 68,4 81,1 83,5 84,7
CP1 61,1 71,9 75,5 77,9 78,4
CP1-K 62,9 70,7 74,8 76,9 77,4
CP2 52,7 63,8 65,9 68,1 70,2
CP2-K 54,1 62,2 65,6 69,2 71,0