Nghiên cứu sử dụng bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép trong xây dựng mặt đường cứng ở Việt Nam
Bê tông geopolymer nói chung và bê tông geopolymer sử dụng cốt liệu xỉ thép được coi là vật liệu mới. Các lý thuyết về thiết kế thành phần chưa nhiều và chưa thể áp dụng rộng rãi do thành phần vật liệu ở các nước khác nhau. Ở nước ta, tro bay đã được một số công ty phân loại và xử lý đảm bảo theo tiêu chuẩn ASTM (tro bay loại C và F) để cung cấp ra thị trường. Tuy nhiên, xỉ thép ở Việt Nam chưa được xử lý và phân loại để làm cốt liệu trong bê tông.
Việc phân loại xỉ thép là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, đây là một vấn đề cần được thực hiện trong nghiên cứu khác bởi phạm vi nghiên cứu rất rộng. Tất cả các nghiên cứu sử dụng cốt liệu xỉ thép trong bê tông ở Việt Nam hiện nay, mới chỉ sử dụng áp dụng cho bê tông nhựa và đều được thực hiện trên xỉ thép có nguồn gốc hồ quang điện - EAF. Bởi theo các kết quả nghiên cứu trong nước về tính chất của xỉ thép cũng như nghiên cứu về bê tông cốt liệu xỉ thép trên thế giới đều chỉ ra sự phù hợp, tính khả thi của việc sử dụng xỉ thép EAF làm cốt liệu trong bê tông. Do vậy, trong nghiên cứu này, chỉ tập trung vào nghiên cứu xỉ thép EAF để thay thế cho cả đá dăm và cát để chế tạo bê tông geopolymer. Với cùng nguồn nguyên liệu đầu vào nhưng công nghệ của các nhà máy khác nhau sẽ cho ra các sản phẩm tro bay và xỉ thép có thành phần khác nhau. Do đó, trước hết cần nghiên cứu là thành phần, tính chất của xỉ thép làm cốt liệu. Từ đó, đề xuất thiết kế thành phần hỗn hợp và xác định các tính chất cơ học chủ yếu của bê tông geopolymer sử dụng cốt liệu xỉ thép. Tuy nhiên, việc chế tạo và bảo dưỡng các mẫu thí nghiệm trong phòng sẽ rất khác biệt so với khi thi công bê tông khối lớn ngoài hiện trường. Do đó, cần phải tiến hành xây dựng một đoạn đường thử nghiệm bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép. Trên cơ sở đó, đánh giá công nghệ, chất lượng vật liệu thông qua đoạn thử nghiệm thực tế. Kết quả đề tài này sẽ đưa ra một số giải pháp về vật liệu (lựa chọn vật liệu và cấp phối cốt liệu), thiết kế thành phần hỗn hợp, công nghệ thi công (thời gian trộn, đầm nén, bảo dưỡng) đối với bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép để từng bước ứng dụng vào trong xây dựng mặt đường cứng cho đường GTNT nói riêng và ngành xây dựng nói chung, góp phần đa dạng hóa lựa chọn vật liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường sống. Việc triển khai nghiên cứu đề tài sử dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê ông geopolymer tro bay trong xây dựng mặt đường cứng cho GTNT phù hợp với điều kiện Việt Nam là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính thời sự.
Xuất phát từ thực tế đó, ThS. Trịnh Hoàng Sơn cùng các cộng sự tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép trong xây dựng mặt đường cứng ở Việt Nam”.
Qua những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng và hiện trường, đề tài rút ra một số kết luận như sau:
- Đã xác định các tính chất cơ lí hóa của cốt liệu xỉ thép (EAF) từ nhà máy luyện gang thép. Kết quả cho thấy xỉ thép đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật để làm cốt liệu thay thế cho cốt liệu tự nhiên trong việc chế tạo bê tông geopolymer.
- Chế tạo thành công các mẫu thử geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép để nghiên cứu làm vật liệu cho xây dựng đường ô tô.
- Xây dựng được phương pháp thiết kế thành phần cấp phối bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (EAF) trong xây dựng đường ô tô.
- Đề xuất công thức chế tạo bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép có cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật làm vật liệu mặt đường ô tô.
- Đã xác định và làm rõ các tính chất chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (EAF) bao gồm (vi cấu trúc; tính công tác; thời gian đông kết; cường độ nén; cường độ chịu kéo uốn; mô đun đàn hồi; hệ số Poisson; độ mài mòn; co ngót và hệ số giãn nở do nhiệt) phục vụ cho việc tính toán thiết kế, thi công mặt đường cứng ở Việt Nam và đối chứng với các mẫu BTXM và các mẫu bê tông geopolymer tro bay sử dụng đá dăm và cát tự nhiên.
+ Kết quả phân tích (SEM) cho thấy không tồn tại vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu xỉ thép và đá geopolymer; ngược lại, tồn tại vùng chuyển tiếp rõ ràng và vết nứt vi mô giữa đá xi măng và cốt liệu liệu xỉ thép. Đây có thể được coi là một luận giải cho việc hạn chế sử dụng cốt liệu xỉ thép trong BTXM;
+ Tính công tác của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để thi công mặt đường cứng;
+ Đã tìm ra một số hàm hồi quy thực nghiệm;
+ Hệ số Poisson của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép ứng với các cấp 25, 30, 35 lần lượt là 0.177, 0.165, 0.151;
+ Độ mài mòn của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép ứng với các cấp 25, 30, 35 lần lượt là 0.19; 0.14; 0.11 (g/cm2 );
+ Đề xuất hàm hồi quy quan hệ giữa co ngót khô theo thời gian (trong phạm vi 90 ngày) của các loại bê tông GPCS 25, 30, 35, GPC30 và OPC30;
+ Bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (GPCS) có hệ số giãn nở do nhiệt (CTE) trung bình từ (8.34 µε/oC÷9.53 µε/oC) tương tự so với OPC (10.42 µε/oC) và GPC (9.91 µε/oC).
- Đề tài đã đề xuất 07 mô hình kết cấu áo đường cứng sử dụng bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép (EAF) làm lớp mặt thông qua kết quả kiểm toán và phân tích giải tích khả năng làm việc của tấm GPCS trên móng và nền cho trước áp dụng cho đường cấp III – Tải trọng rất nặng và đường cấp thấp ứng với tải trọng trung bình, nhẹ và phù hợp với điều kiện thời tiết ở Việt Nam.
- Khi kiểm toán cùng các điều kiện đầu vào và kết cấu như nhau. Kết cấu mặt đường cứng tính theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT đều thỏa mãn các điều kiện giới hạn khi tính theo ME (phương pháp cơ học thực nghiệm) ở mức độ tin cậy cao.
- Đề tài đã nghiên cứu được công nghệ sản xuất bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép tại trạm trộn với mục tiêu để thương mại hóa. Dây chuyền và công nghệ sản xuất tại trạm trộn tương tự như bê tông xi măng truyền thống. Tuy nhiên dây chuyền có cải tiến một số điểm để phù hợp với vật liệu chế tạo bê tông geopolymer
- Đã khảo sát và lựa chọn loại kết cấu để xây dựng đoạn đường thử nghiệm sử dụng bê tông geoplymer cốt liệu xỉ thép (EAF) áp dụng cho giao thông nông thôn ở Việt Nam, cụ thể là: Kết cấu (KC4) chiều dài 23.5 m; Lớp mặt GPCS 25 (20cm); Lớp 219 phân cách 1÷3; Cấp phối đá dăm (18cm); nền là Á cát nhẹ và Á cát. Áp dụng cho Đường cấp A (GTNT) thuộc quy mô giao thông thiết kế thuộc cấp nhẹ.
- Đã thi công thí điểm thành công một đoạn đường sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép (EAF). Việc thi công hoàn toàn tương tự như mặt đường bê tông xi măng truyền thống.
- Thông qua các yêu cầu kỹ thuật đối với mặt đường cứng được quy định QĐ1951/2012 và QĐ3230/2012, cho thấy mặt đường bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép thí công thí điểm hoàn toàn đáp ứng đảm bảo yêu cầu.
Từ các kết quả thu được, đề tài kiến nghị cần có tiêu chuẩn hướng dẫn cụ thể trong việc sử dụng chất kết dính geopolymer và đa dạng hóa nguồn xỉ thép và loại tro bay kể cả tro bay chưa tuyển. Đồng thời hướng nghiên cứu tiếp theo có thể thực hiện nghiên cứu ứng xử dài hạn như từ biến; đặc tính mỏi và độ bền của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép cũng như nghiên cứu chuyển đổi sang công nghệ bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép đầm lăn.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19564/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
