Sử dụng xỉ thép tái chế thay thế lớp móng cấp phối đường ô tô - nghiên cứu cho trường hợp đường cấp thấp ở tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

TS. Nguyễn Quốc Hiển Trường Ðại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn PGS. TS. Lê Văn Bách

TÓM TẮT: Trên thế giới, xỉ thép tái chế đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông nhằm mang lại lợi ích về kinh tế, môi trường và phát triển bền vững. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vấn đề này vẫn còn hạn chế và chủ yếu được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Trong bài báo, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên địa bàn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu nhằm đánh giá khả năng sử dụng xỉ thép tái chế làm lớp móng đường giao thông.

TỪ KHÓA: Xỉ thép, vật liệu tái chế, móng đường.

ABSTRACT: In all over the world, recycle steel slag has been studied and widely used in the field of construction. This brings about the economic, environmental and sustainable development benefit. In Vietnam, research on this area is still limited and mainly focuses in the laboratory. This paper presents the results of an experimental study in Ba Ria - Vung Tau province so as to assess the possibility of recycling steel slag for base courses of roads.

KEYWORDS: Steel slag, recycle material, road base course.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Xỉ thép là chất thải được sinh ra trong quá trình luyện thép từ các tạp chất khi đưa vào lò luyện. Thành phần hóa học của xỉ thép bao gồm các hợp chất như CaO, MgO, MnO, FeO, Nio, SiO2, P2O5, CaS, FeS, CaS2... Xỉ thép đã được tái chế và sử dụng rộng rãi làm vật liệu xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên, việc sử dụng loại vật liệu này trong dựng ở Việt Nam vẫn còn hạn chế do có sự quan ngại về tác động xấu của xỉ thép đến mối trường.

Trong một nghiên cứu kéo dài suốt 3 thập kỷ [1], nhóm tác giả ở Vương quốc Anh đã chỉ ra rằng tồn tại các chất có khả năng tác động xấu đến môi trường trong xỉ thép, nhưng hàm lượng rất thấp. Thành phần thu được gồm có các tạp chất có độ pH lớn hơn 10. Nghiên cứu cũng kết luận rằng xỉ thép có thể được dùng để xử lý nền đất yếu.

Phương thức chung khi nghiên cứu tái chế xỉ thép là cần xác định hàm lượng các chất thải ra của từng tạp chất cụ thể. Hàm lượng này có được chấp thuận hay không còn phụ thuộc vào vị trí sử dụng và quá trình thẩm thấu của nước xuyên qua vật liệu đó. Quá trình thẩm thấu có thể xảy ra theo cả nguyên tắc vật lý và hóa học [2]. Mức độ của các phản ứng hóa học phụ thuộc chủ yếu vào độ pH của môi trường và bản thân các tạp chất trong xỉ thép. Hình thái của các tạp chất cũng có ảnh hưởng đến mức độ phản ứng hóa học. Ngoài ra, cần phải xét đến nhiệt độ môi trường, thời gian và một số yếu tố khác [3]. Độ lớn theo phương thức vật lý bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó có hiện trạng của vật liệu [4].

Như vậy, việc sử dụng xỉ thép trong xây dựng có ảnh hưởng đến môi trường hay không phụ thuộc rất nhiều vào thành phần, khối lượng tạp chất còn lại sau tái chế cũng như môi trường mà nó được sử dụng.

Có nhiều nghiên cứu về ứng dụng xỉ thép tái chế trong lĩnh vực xây dựng đã được thực hiện ở các nước châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Úc, Trung Quốc... [5-13]. Tuy nhiên ở Việt Nam, các nghiên cứu về vấn đề này [15-21] còn chưa nhiều và chủ yếu mới chỉ được thực hiện trong phòng thí nghiệm, hoặc thử nghiệm ngoài hiện trường nhưng vẫn trong giai đoạn kiểm tra và còn quá sớm để có các kết luận chắc chắn.

Theo thống kê, sản lượng thép hàng năm ở Việt Nam năm 2007 khoảng 12 triệu tấn/năm và dự kiến sẽ tăng đến khoảng 18 triệu tấn/năm vào năm 2025 [14]. Lượng xỉ thải ra từ các nhà máy chiếm từ 11 - 12% khối lượng phôi đầu vào [6]. Như vậy, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy luyện thép trên cả nước sẽ đạt khoảng 1 - 1,5 triệu tấn/năm.

Tại Việt Nam, xỉ thép đang được xem là chất thải rắn công nghiệp cần được xử lý theo Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 9 tháng 4 năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ [14]. Điều này không những gây tác động xấu đến môi trường mà còn tốn kinh phí và chiếm dụng một diện tích đất nhất định cho việc xử lý xỉ thép.

Mặt khác, ở Việt Nam hiện nay, nguồn vật liệu cấp phối đá dăm đang dần cạn kiết, gây ra sự khan hiếm vật liệu trong xây dựng đường ngày càng tăng. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra các nguồn vật liệu mới đáp ứng các yêu cầu theo mục đích sử dụng là một vấn đề có tính khoa học và thực tiễn rất cao.

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học, hóa học, vật lý của xỉ thép tái chế và kết quả sơ bộ đánh giá một số chỉ tiêu khai thác của lớp móng đường bằng cấp phối xỉ thép được xây dựng trên địa bàn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA XỈ THÉP

2.1. Tái chế xỉ thép

Các công nghệ tái chế xỉ thép được sử dụng phổ biến hiện nay trên thế giới như công nghệ nghiền, sàng xỉ đa cấp; công nghệ nghiền bi ướt và công nghệ nghiền sàng đi động. Bài báo không đi sâu vào trình bày và phân tích các ưu nhược điểm của từng công nghệ tái chế ở trên, thay vào đó tác giả trình bày công nghệ được lựa chọn trong quá trình tiến hành nghiên cứu, đồng thời tập trung vào đánh giá các tính chất cơ lý, hóa học và ứng xử của xỉ thép trong điều kiện ứng dụng thực tế. Sau khi cân nhắc, tác giả và các đồng nghiệp của mình quyết định lựa chọn công nghệ nghiền sàng di dộng để tiến hành thực hiện nghiên cứu này. Trình tự và tiến độ theo thời gian để xử lý xỉ thép theo công nghệ nghiền sàng di động được lựa chọn như sau:

- Xỉ nguyên liệu tại các nhà máy luyện thép khi ra khỏi lò điện đã được làm nguội bằng nước, sau đó chuyển ra bãi chứa của nhà máy thép, thời gian lưu trữ ở đây khoảng 15 - 30 ngày, các nhà máy thép tiến hành thu hồi thép phế còn lẫn trong xỉ thép, sau đó xỉ thép được chuyển về bãi chứa của nhà máy xử lý xỉ thép;

- Tại bãi chứa của nhà máy xử lý xỉ thép, xỉ được phun nước ướt trước khi đưa vào bãi chứa. Giải pháp này giúp giảm bụi khi đổ xỉ thép, đồng thời tăng cường thêm quá trình lão hóa xỉ thép;

- Xỉ thép được lưu trữ tại bãi chứa để đưa vào trạm nghiền, sàng. Thời gian chờ xử lý khoảng 1 - 6 tháng tùy theo phương pháp thích hợp để lão hóa xỉ thép;

- Trước khi đưa vào máy nghiền, xỉ được phun nước để làm ướt với mục đích giảm bụi kết hợp tăng cường đẩy nhanh quá trình lão hóa thép;

- Trong quá trình đập, nghiền làm nhỏ kích thước hạt để đạt cấp phối hạt theo yêu cầu của tiêu chuẩn sử dụng, tiếp tục tưới nước và tuyển từ bằng nam châm băng tải treo và nam châm kiểu rulo;

- Xỉ thành phẩm với các kích cỡ khác nhau được đưa ra bãi chứa thành phẩm, sau đó được phối trộn để tạo ra cấp phối cốt liệu theo mong muốn.

2.2. Các chỉ tiêu cơ lý và hóa học của xỉ thép

Mẫu xỉ thép dùng trong nghiên cứu này được lấy tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh, khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, sau khi được tái chế theo công nghệ được nêu trong mục 2.1. Kết quả thí nghiệm xác định thành phần hóa học và các tính chất cơ lý của xỉ thép được thể hiện tại Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Kết quả xác định các tính chất cơ lý và hóa học của xỉ thép

Các số liệu ở Bảng 2.1 cho thấy, xỉ thép chứa một tỷ lệ lớn các oxít như CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ và Fe₂O₃. Đặt biệt, lượng oxít sắt 3 có trong xỉ thép là khá cao. Ngoài ra, các tạp chất có thể gây nguy hiểm đến môi trường và con người như lưu huỳnh là khá nhỏ, dưới 0,1%. Như vậy về mặt hóa học, xỉ thép ở Việt Nam hoàn toàn có thể được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng đường mà không cần phải quan ngại về các tác động xấu của nó đến môi trường.

Qua các số liệu ở trên, có thể thấy rằng xỉ thép nặng hơn so với hầu hết vật liệu đá tự nhiên, có khả năng hút nước cao, độ ma sát và khả năng chống mòn lớn và có độ cứng cao. Xỉ thép có tính kiềm, có hoạt tính cao, it bị giãn nở, có tính ổn định cao trong môi trường độ ẩm thấp. Ngoài ra, các chỉ tiêu khác của xỉ thép cũng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật tương ứng đối với cấp phối đá dăm loại 2 theo TCVN 8859-2011.

Như vậy, với các đặc tính đó, xỉ thép hoàn toàn có thể làm việc tốt trong các lớp móng đường, thậm chí cả ở các khu vực có chế độ thủy nhiệt phức tạp. 

3. KẾT QUẢ SƠ BỘ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ CHỈ TIÊU KHAI THÁC CỦA LỚP MÓNG ĐƯỜNG BẰNG CẤP PHỐI XỈ THÉP

3.1. Đoạn đường thử nghiệm

Đoạn đường thử nghiệm được thi công trên QL55 thuộc tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, tại KM1+400 - KM1+600, trên làn trong bên phải hướng từ phía huyện Đất Đỏ đi về QL51. Quy mô mặt cắt ngang đường gồm 6 làn xe, mỗi bên có 2 làn xe ô tô và 1 làn xe máy, có giải phân cách ở giữa. Kết cấu áo đường hiện hữu từ trên xuống dưới với các lớp như sau: Bê tông nhựa dày 7cm; cấp phối đá dăm dày 30cm; nền đất đắp bằng cấp phối sỏi đỏ.

Sau khi bóc bỏ toàn bộ kết cấu áo đường hiệu hữu trên phạm vi 6m theo chiều ngang (Hình 3.1), tiến hành hoàn thiện lớp trên nền đường theo đúng quy định đảm bảo độ chặt K98. Sau đó, một nửa diện tích khu vực thử nghiệm được thi công lớp móng cấp phối đá dăm loại 1, nửa còn lại được thi công lớp móng bằng cấp phối xỉ thép tái chế (Hình 3.2). Sau khi hoàn thiện lớp móng, tiến hành thi công lớp mặt bê tông nhựa.

Hình 3.1: Sơ họa bình đồ và trắc dọc kết cấu áo đường đoạn thử nghiệm

Hình 3.2: Thi công lớp móng đường đoạn thử nghiệm

3.2. Kết quả thí nghiệm hiện trường

3.2.1. Nội dung thí nghiệm

Trong suốt quá trình thi công và hoàn thiện, tiến hành kiểm tra các nội dung sau:

- Mô-đun đàn hồi trên các lớp kết cấu:

+ Nền đất cấp phối sỏi đỏ sau khi cào bóc các lớp kết cấu bên trên;

+ Móng đường cấp phối đá dăm loại 1;

+ Móng đường cấp phối xỉ thép;

+ Mặt đường bê tông nhựa mới thảm lại trên lớp móng cấp phối đá dăm loại 1;

+ Mặt đường bê tông nhựa mới thảm lại trên lớp móng cấp phối xỉ thép;

+ Mặt đường bê tông nhựa hiện hữu xung quanh phạm vi đoạn thử nghiệm.

- Độ chặt của các lớp:

+ Lớp móng cấp phối đá dăm loại 1;

+ Lớp móng cấp phối xỉ thép.

- Chiều dày các lớp kết cấu.

3.2.2. Kết quả thí nghiệm

Các thí nghiệm hiện trường được thực hiện bởi Phòng Thí nghiệm Vật liệu xây dựng và Kiểm định Công trình - LAS XD 456 của Trung tâm Kiểm định Chất lượng công trình giao thông, Sở GTVT tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Suất đảm bảo đánh giá được chọn là 95%. Kết quả thí nghiệm được thể hiện tại các Bảng 3.1 và 3.2.

Bảng 3.1. Độ chặt của các lớp móng cấp phối đá dăm và cấp phối xỉ thép

Bảng 3.2. Kết quả thí nghiêm môdun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường

Với điều kiện thí nghiệm và vật liệu như trong nghiên cứu này, các kết quả cho thấy độ chặt của lớp móng cấp phối xỉ thép cao hơn so với lớp móng cấp phối đá dăm loại 1. Điều đó chứng tỏ thi công lớp móng cấp phối xỉ thép đỡ tốn công đầm nén hơn so với cấp phối đá dăm loại 1. Chiều dày lớp cấp phối đá dăm loại 1 lớn hơn lớp cấp phối xỉ thép, đây cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến mô-đun đàn hồi đo được trên mặt lớp cấp phối đá dăm cao hơn so với lớp cấp phối xỉ thép. Tuy nhiên, mặt đường bê tông nhựa thảm lại trên 2 loại lớp móng này có giá trị mô-đun đàn hồi chung khá tương đương nhau và nhỏ hơn không đáng kể so với mặt đường bê tông nhựa hiện hữu xung quanh phạm vi đoạn thử nghiệm (Bảng 3.2).

Các kết quả thí nghiệm ở trên cho phép chúng ta đánh giá cường độ của vật liệu xỉ thép khi làm lớp móng đường tương đương với cường độ của lớp cấp phối đá dăm loại 2 theo TCVN 8859-2011. Qua theo dõi quan sát đoạn thử nghiệm trên QL55, sau thời gian đưa vào sử dụng gần 1 năm, mặt đường hiện nay vẫn ổn định và khai thác tốt.

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Với các kết quả nghiên cứu ở trên, tác giả rút ra một số kết luận như sau:

- Xỉ thép hoàn toàn có thể được sử dụng trong xây dựng công trình giao thông mà không cần phải quan ngại về các tác động xấu của nó đối với môi trường. Tuy nhiên, trong quá trình tái chế xỉ thép cần phải tuân thủ chặt chẽ các yêu cầu theo tiêu chuẩn về môi trường.

- Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật để làm các lớp móng đường giao thông.

- Nhìn chung, các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép cao hơn so với cấp phối đá dăm thông thường. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chi phí gia công xỉ thép. Do vậy, cần phải có thêm những nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ tái chế và sản xuất xỉ thép theo nguyên lý cấp phối để hạ giá thành sản phẩm.

- Do nghiên cứu mới chỉ được thực hiện tại một địa phương cụ thể với quy mô thử nghiệm hiện trường chưa thật lớn, thời gian theo dõi chưa thật lâu. Vì vậy, cần có thêm những nghiên cứu với các nguồn xỉ thép khác nhau và thử nghiệm trên các điều kiện khác nhau, đặc biệt là cần có sự theo dõi lâu hơn để xem xét các mối tiềm ẩn của các phản ứng hóa học cũng như các hiện tượng vật lý xảy ra trong khối vật liệu.

- Với các kết quả thu được, tác giả kiến nghị các cơ quan có thẩm quyền cho phép sử dụng xỉ thép tái chế làm các lớp móng cho các loại đường cấp thấp, hoặc các tuyến đường nội bộ. Sau này, khi có những nghiên cứu hoàn chỉnh hơn, có thể cho phép tiến hành trên các tuyến đường cấp cao.

Tài liệu tham khảo

[1]. W. Mayes, P. Younger, J. Aumônier (2008), Hydrogeochemistry of alkaline steel slag leachates in the UK, Water, air, and soil pollution 195(1-4) 35-50.

[2]. H. Van der Sloot, J. Dijkstra (2004), Development of horizontally standardized leaching tests for construction materials: A material based or release based approach? Identical leaching mechanisms for different materials, Energy Research Center of the Netherlands, Report No-. ECN-C-04-060, 44pp. & annexes.

[3]. H. Van der Sloot, J. Meeussen, A. Van Zomeren, D. Kosson (2006), Developments in the characterisation of waste materials for environmental impact assessment purposes, Journal of Geochemical exploration 88(1) 72-76.

[4]. T.A. Branca, V. Colla, Possible uses of steelmaking slag in agriculture: An overview, INTECH Open Access Publisher 2012.

[5]. H. Yi, G. Xu, H. Cheng, J. Wang, Y. Wan, H. Chen (2012), An overview of utilization of steel slag, Procedia Environmental Sciences 16 791-801.

[6]. M.N. Hisyamudin, A.K.A. R, S. Yokoyama (2012), Dissolution behavior of hazardous materials from EAF slag in water with wet grinding method, The International Conference on Civil and Environmental Engineering Sustainability, Johor Bahru, Malaysia.

[7]. Australasian Slag Association, A guide to the use of iron and steel slag in roads, Available at http://www.asa-inc.org.au/knowledge/technical-literature/technical-guides.

[8]. Washington State Department of Transportation (2015), Use of Steel Slag Aggregate in Pavements, A Report to the State Legislature In Response to 2ESHB 1299.

[9]. H. Motz, J. Geiseler (2001), Products of steel slags an opportunity to save natural resources, Waste Management 21(3) 285-293.

[10]. S. Ozeki, (1997), Properties and usage of steel plant slag, Encosteel: Steel for Sustainable Development  135-139.

[11]. Environmental Report for JFE Holdings Inc. and JFE Steel Corporation. JFE: Tokyo, 2004; pp.23-25. Available online: http://www.jfe-holdings.co.jp/en/environment/2004/pdf/ er2004e.pdf.

[12]. G. Khater (2002), The use of Saudi slag for the production of glass-ceramic materials, Ceramics International 28(1) 59-67.

[13]. P.-H. Shih, Z.-Z. Wu, H.-L. Chiang (2004), Characteristics of bricks made from waste steel slag, Waste management 24(10) 1043-1047.

[14]. Quyết định số 145/2007/QĐ-TTg ngày 4/9/2007 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”.

[15]. Nguyễn Văn Du (2013), Nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép trong sản xuất BTN nóng để làm đường ô tô trên thế giới và khả năng áp dụng làm mặt đường ô tô ở khu vực phía Nam, Đề tài NCKH cấp Trường, Trường Đại học GTVT.

[16]. Trần Văn Miền, Công ty TNHH Lê Phan (2011), Sử dụng xỉ thép làm cốt liệu thay thế đá dăm làm bê tông asphalt ứng dụng làm lớp áo đường trong công trình giao thông, Đề tài khoa học công nghệ cấp Thành phố, TP. Hồ Chí Minh.

[17]. Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Văn Du (2015), Đánh giá khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa ở Việt Nam, Tạp chí GTVT.

[18]. Trường Đại học GTVT, Công ty Cổ phần UTC2 - Phòng Thí nghiệm Kiểm định trọng điểm đường bộ, môi trường và an toàn giao thông (8 - 10/2014), Báo cáo kết quả thí nghiệm tính chất BTN cốt liệu xỉ thép.

[19]. Nguyễn Phi Sơn (2011), Nghiên cứu sử dụng phế thải xỉ sắt trong công nghệ sản xuất thép làm cốt liệu cho bê tông asphalt, Luận văn Thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.

[20]. Trần Hữu Bằng (2011), Nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng xỉ thép trong bê tông xi măng, Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học GTVT.

[21]. Nguyễn Mạnh Tuấn, Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong xây dựng móng và nền đường ô tô ở Việt Nam (Research on Application of Iron and Steel Slag to Road Construction Material in Vietnam), Hợp tác ĐHBK với JFE Steel Corp., 2013-2014.