Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực công trình xây dựng

TS. Nguyễn Quốc Hiển Trường Ðại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Nguyễn Văn Long

TÓM TẮT: Xỉ thép đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Tỷ lệ tái chế sử dụng xỉ thép đạt gần 100% ở một số nước phát triển. Tuy nhiên, ở Việt Nam, xỉ thép vẫn được xem là chất thải rắn cần xử lý, chôn cất. Điều này không những gây tác động xấu đến môi trường mà còn tốn kinh phí và chiếm dụng diện tích đất nhất định cho việc xử lý xỉ thép. Tái chế sử dụng xỉ thép không những mang lại lợi ích về môi trường, kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội. Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép, tác giả phân tích khả năng sử dụng xỉ thép trong lĩnh vực công trình xây dựng ở Việt Nam.

TỪ KHÓA: Xỉ thép, tái chế, bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép, bê tông xi măng, móng đường.

ABSTRACT: Steel slag is considered as a premium product, which is studied and applied popularly in construction in some countries on the world. The recycling rate of steel slag reaches roughly 100% at some developed countries. However, steel slag has been seen as a waste product in Vietnam, which needs to be processed and landfilled. This is not only detrimental to the environment but also costly in processing and occupying land. Recycling steel slag can bring environmental and economical benefits, as well as securing the sustainable development of the society. This paper focuses on analyzing why steel slag is usable in construction field. Moreover, the paper also reviews the studies, applications and benefits of using steel slag.

KEYWORDS: Steel slag, recycled concrete aggregates plastic steel slag, cement concrete, roadbed.

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 như: Các chất lẫn trong nguyên, nhiên vật liệu (đất, cát...) của quặng sắt; nguyên liệu kim loại bị oxi hóa tạo thành các oxít; tường lò bị ăn mòn trong điều kiện nhiệt độ cao và tro của nhiên liệu đốt lò. Thành phần hóa học của xỉ thép bao gồm nhiều loại oxít khác nhau như: CaO, MgO, MnO, FeO, Nio, SiO2, P2O5. Ngoài ra còn có các hợp chất khác như: CaS, FeS, CaS2... Như vậy, thành phần của xỉ thép phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, các chất được sử dụng trong quá trình luyện thép và công nghệ luyện thép.

Hiện nay ở nước ta, có hơn 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động và nhiều nhà máy khác đang trong giai đoạn xây dựng hoặc lập dự án. Sản lượng thép ở Việt Nam năm 2007 khoảng 12 triệu tấn/năm và dự kiến sẽ đạt khoảng 18 triệu tấn/năm vào năm 2025 [1]. Lượng xỉ thải ra từ các nhà máy thông thường chiếm từ 11% - 12% khối lượng phôi đầu vào [2]. 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. Lượng xỉ này tương ứng với thể tích khoảng 300.000 - 500.000m³. Nếu tính toán sơ bộ, lượng xỉ này đủ để thi công một lớp móng đường có chiều dày 30cm, rộng 7,0m và dài khoảng 200km.

Tuy nhiên, ở Việt Nam, xỉ thép đang được xem là chất thải công nghiệp thuần túy và nó phải được xử lý như một dạng chất thải rắn theo Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 9/4/2007 của Thủ tướng Chính phủ [1]. Điều này sẽ gây ra các ảnh hưởng tiêu cực khác nhau, bao gồm việc chiếm đất và tốn chi phí cho việc chôn cất xỉ thép, đồng thời tác động xấu đến môi trường đất xung quanh khu vực xử lý xỉ thép [3]. Chính vì vậy, Chính phủ đã có chủ trương ưu tiên cho việc tái chế, tái sử dụng và xử lý chất thải rắn, nhằm giảm thiểu khối lượng chất thải được chôn lấp, tiết kiệm kinh phí và tài nguyên đất đai.

Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép, tác giả phân tích khả năng sử dụng xỉ thép trong lĩnh vực công trình xây dựng ở Việt Nam. 

2. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA XỈ THÉP

Bảng 2.1 thể hiện thành phần hóa học của xỉ thép tại một số quốc gia trong đó có Việt Nam. Mẫu xỉ thép Việt Nam được lấy tại Công ty TNHH Vật Liệu Xanh, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

Bảng 2.1. Các hợp chất có trong xỉ thép tại các quốc gia tiêu biểu

Các số liệu 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 ở Việt Nam và Úc là khá cao. Nhìn chung, thành phần xỉ thép tại các nước là khá giống nhau. Ngoài ra, các tạp chất có thể gây nguy hiểm đến môi trường và con người như lưu huỳnh là khá nhỏ, tất cả các mẫu cho thấy hợp chất có lưu huỳnh luôn ở mức 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 như ở các nước khác mà vẫn đảm bảo an toàn về môi trường.

3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG XỈ THÉP TRÊN THẾ GIỚI

Hiện nay, tại châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản và nhiều nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp. Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý gồm: Xỉ đã được nghiền thành hạt, xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm, xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định sẽ được sử dụng vào nhiều mục đích xây dựng, giao thông, nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải. Các ứng dụng của xỉ thép có thể được kể đến như sau:

3.1. Thay thế cốt liệu cho bê tông xi măng

Xỉ thép có chứa thành phần hóa học tương tự như xi măng Portland [2,4] mặc dù tỷ lệ các chất khác nhau. Chính vì vậy, xỉ thép có thể được sử dụng trong xi măng Portland và trong bê tông [3].

Tùy vào ứng dụng cụ thể, hàm lượng xỉ thép thay thế trong xi măng Portland có thể đạt từ 20 - 50% [4]. Sử dụng xỉ thép trong bê tông cũng có ưu điểm, vì xỉ thép làm cho bê tông tăng tính ổn định nhiệt, kháng sulfate, nước biển và clo và các tính chất này khó có thể tìm thấy được khi dùng xi măng Portland [4].

Hình 3.1: Bê tông cốt liệu xỉ thép

Nghiên cứu của Manso năm 2004 [6] cho thấy, xỉ thép được nghiền không tạo ra đủ các cốt liệu mịn, điều này dẫn đến hỗn hợp bê tông có mật độ cao và nặng. Thêm vào đó, lượng nước cần cho quá trình trộn sẽ nhiều hơn do xỉ có độ rỗng lớn. Ngoài ra, bê tông dùng xỉ thép có độ thấm nước thấp và chống mài mòn cao và việc chế tạo được bê tông chất lượng cao từ xỉ thép là hoàn toàn có thể nếu loại bỏ được độ trương nở của xỉ.

Trong một nghiên cứu [7], Patel đã chỉ ra rằng, việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng xỉ thép với hàm lượng không vượt quá 75% không gây ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ bản của bê tông.

Qasrawi năm 2009, nghiên cứu sử dụng xỉ thép phế thải không và có hàm lượng CaO thấp, hầu như không qua xử lý chất hoạt tính, làm cốt liệu nhỏ thay cát trong bê tông [8]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng xỉ thải với hàm lượng 30% - 50%, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo của bê tông tăng tương ứng 1,2 và 1,4 lần. Ngoài ra, độ sụt của bê tông giảm xuống, còn khối lượng thể tích tăng khi hàm lượng xỉ thép sử dụng tăng lên.

Nhiều công trình có sử dụng bê tông xỉ thép được xây dựng trên thế giới, như: Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh - Trung Quốc, sân bay Sydney, sân vận động Colonial Melboune và một số công trình khác [4].

Hình 3.2: Sân vận động Colonial Melboune [4]

 

Hình 3.3: Hầm nối sân bay Sydney [4]

3.2. Ứng dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng giao thông và công trình thủy lợi

Xỉ thép đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng đường và cảng biển. Trong xây dựng đường, xỉ thép được dùng làm vật liệu nền, móng và mặt đường.

3.2.1. Xỉ thép cho nền, móng đường

Trong xỉ thép có chứa hàm lượng CaO cao. CaO sẽ trương nở khi gặp nước và làm tăng thể tích. Chính vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của xỉ thép cho nền và móng đường là rất cần thiết. Nghiên cứu của Rohde và đồng nghiệp năm 2003 chỉ ra rằng [9], xỉ thép có khả năng mất ổn định dưới tác động của nước cao do trương nở. Tuy nhiên, mô-đun đàn hồi của xỉ thép được bảo quản trong môi trường ẩm khá cao, lên tới 500MPa, cao hơn đá dăm tự nhiên [8], [9]. Điều này chứng tỏ xỉ thép có thể dùng làm móng đường nếu được xử lý ẩm để giảm độ trương nở thể tích [9].

Aiban năm 2006 cũng tiến hành một nghiên cứu sử dụng 100% xỉ thép làm lớp móng đường [10]. Kết quả hiện trường cho thấy móng đường làm việc rất tốt mặc dù bị ngập nước nhiều lần do mưa và hệ thống thoát nước mưa kém.

Xỉ thép đã được sử dụng cho nền đường ở nhiều nước như Mỹ, Trung Quốc, Úc... Trung Quốc đã có tiêu chuẩn về sử dụng xỉ thép cho nền đường khá sớm, vào năm 1990 [3].

Các nghiên cứu ở trên cho thấy, xỉ thép hoàn toàn có thể được sử dụng để làm nền, móng đường. Tuy nhiên, trong hướng dẫn về sử dụng xỉ thép của Mỹ có cảnh báo về khả năng tính kiềm của các chất rò rỉ từ xỉ thép cao, vượt trên 11 độ pH. Nồng độ pH quá cao của chất rò rỉ có thể ăn mòn cống rãnh và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái nước xung quanh khu vực xây dựng đường [11]. Chính vì vậy, cần có các nghiên cứu xác định nồng độ pH của chất rò rỉ từ xỉ thép trước khi đưa vào sử dụng cho móng và nền đường.

3.2.2. Xỉ thép cho bê tông nhựa

Từ những năm từ 1990, xỉ thép đã được sử dụng cho bê tông nhựa tại Úc, Mỹ [4], [11]. Ưu điểm của xỉ thép so với các loại vật liệu đá tự nhiên là bề mặt có độ nhám cao và cường độ chịu lực tốt.

Nghiên cứu của Ali và các đồng nghiệp [12] đã chỉ ra rằng, bê tông nhựa có mô-đun đàn hồi và cường độ chịu nén tăng, ít biến dạng và ít bị ảnh hưởng bởi nước hơn khi hàm lượng xỉ thép trong hỗn hợp tăng. Ngoài ra, bê tông nhựa sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép yêu cầu lượng nhựa cao hơn so với cốt liệu đá tự nhiên là 25%. Điều này có thể được lý giải bởi xỉ thép có độ rỗng lớn hơn cốt liệu tự nhiên.

Tuy nhiên, nghiên cứu [12] chưa đề cập đến khả năng giãn nở thể tích của xỉ thép tác động đến quá trình làm việc của bê tông nhựa trong thực tế. Chính vì vậy, một số nghiên cứu đã được tiến hành nhằm đánh giá ảnh hưởng của việc giãn nở thể tích của xỉ đến quá trình làm việc của bê tông nhựa [13], [14]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi có tác động của nước hàm lượng vôi trong xỉ cao gây nứt mặt đường bê tông nhựa do xỉ thép bị giãn nở. Nghiên cứu cũng đã kiến nghị cần có bộ quy định thí nghiệm phù hợp để kiểm tra độ trương nở của xỉ trước khi đưa vào sử dụng.

3.2.3. Xỉ thép cho công trình thủy lợi

Ở Đức, khoảng 400.000 tấn xỉ được sử dụng mỗi năm để làm ổn định lòng sông và bờ kè sông để chống lại xói mòn [15]. Còn ở Nhật Bản, Hiệp hội xỉ Nippop đã phát triển công nghệ sử dụng xỉ như một loại vật liệu xử lý đất ở các công trình cảng từ những năm 1993 [16].

3.3. Các ứng dụng khác của xỉ thép

Ngoài các ứng dụng kể trên, xỉ thép còn được ứng dụng rộng rãi trong công tác xử lý nền, bao gồm thi công nền hạ công trình, chống lún, chống lầy cho các công trình kho bãi và nhà xưởng. Vì xỉ thép có chứa hàm lượng xi măng thấp và hàm lượng CaO cao [4] nên có thể làm việc như một chất ổn định nền. Xỉ thép có thể được dùng để thi công trong môi trường không thuận lợi (nền đất lầy, lún, ngập nước) hoặc thời tiết xấu (mưa). Đặc biệt tại các công trình bị ngập nước, xỉ thép được sử dụng để chống lầy, làm khô mặt bằng và xử lý nền đất yếu trong quá trình thi công.

Ngoài ra, xỉ thép còn được sử dụng để chế tạo đồ gốm sứ [18]. Một nghiên cứu của Shih và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng, với một hàm lượng xỉ thép hợp lý có thể giảm được nhiệt độ cháy cần thiết cho gạch làm từ đất sét [19]; đã có những công ty dùng xỉ thép để chế tạo ngói, gạch màu lát nền đi bộ cũng như gạch không nung và đã áp dụng ở Trung Quốc [3].

Hình 3.4: Gạch không nung sử dụng xỉ thép

4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG XỈ THÉP TẠI VIỆT NAM

Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu thay thế cho đá dăm trong bê tông nhựa, sử dụng xỉ thép làm phụ gia khoáng thay thế xi măng trong bê tông xi măng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chỉ dừng ở mức độ thí nghiệm trong phòng, còn các thử nghiệm ngoài hiện trường vẫn đang trong giai đoạn kiểm tra và còn quá sớm để đưa ra các kết luận chắc chắn.

Nghiên cứu của Công ty TNHH Vật Liệu Xanh [20] cho thấy, xỉ thép có độ cứng, độ ma sát và khả năng chống mài mòn cao, còn chỉ số bong tróc thấp hơn nhiều so với đá. Bề mặt của xỉ thô, nhám và độ pH cao, dao động từ 10 - 11 nên có độ dính bám tốt với nhựa đường. Tuy nhiên, xỉ thép có khối lượng riêng lớn hơn 20% so với đá và khả năng hút nước cao hơn đá.

Kết quả nghiên cứu của TS. Trần Văn Miền [22] cho thấy, ở cùng một hàm lượng nhựa hấp phụ thì dung trọng của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép cao hơn đáng kể so với bê tông nhựa cốt liệu đá dăm. Xu hướng này đúng cho cả cốt liệu hạt mịn và cốt liệu hạt trung sử dụng cho bê tông nhựa. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, độ ổn định và cường độ chịu nén của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép cao hơn của bê tông nhựa cốt liệu đá dăm.

Nghiên cứu của ThS. Nguyễn Văn Du [21] cho thấy, chỉ số dẻo của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép thấp hơn bê tông nhựa cốt liệu đá dăm, còn các đặc trưng thể tích của chúng ở cùng một cấp phối tương đương nhau. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép có khả năng kháng lún vệt bánh xe tốt [21].

Kết quả nghiên cứu của tác giả Trần Hữu Bằng [23] cho thấy, cường độ của của bê tông xi măng phụ gia khoáng xỉ thép có tốc độ phát triển thấp hơn so với bê tông xi măng thông thường và hàm lượng phụ gia khoáng xỉ thép càng cao thì cường độ bề tông xi măng càng giảm.

Tuy các nghiên cứu ở trên mới chỉ được thực hiện ở trong phòng thí nghiệm, nhưng đã bước đầu cho thấy được khả năng sử dụng xỉ thép trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông là rất lớn.

 

5. KẾT LUẬN

Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép ở Việt Nam và trên thế giới, tác giả rút ra một số kết luận như sau:

- Xỉ thép hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu để có thể được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng mà không gây ra các tác động xấu đối với môi trường;

- Xỉ thép nên được sử dụng như một loại vật liệu địa phương nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, vì khi vận chuyển xỉ thép đi quá xa, giá thành có thể cao hơn dùng vật liệu đá tự nhiên;

- Cần có nhiều hơn nữa các nghiên cứu về vật liệu xỉ thép, đặc biết là các thí nghiệm hiện trường để có cơ sở tổng quát và tin cậy hơn trong việc ứng dụng loại vật liệu này vào thực tế;

- Để xỉ thép được áp dụng rộng rãi, cần xây dựng và sớm ban hành hệ thống tiêu chuẩn về việc sử dụng xỉ thép, chú trọng vào vấn đề xác định thành phần hóa học của xỉ thép, đảm bảo xỉ thép không có chứa các chất gây hại cho môi trường và con người. o

 

Tài liệu tham khảo

[1]. 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”.

[2]. 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.

[3]. 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.

[4]. 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.

[5]. B. Das, S. Prakash, P. Reddy, V. Misra (2007), An overview of utilization of slag and sludge from steel industries, Resources, conservation and recycling 50(1) 40-57.

[6]. J.M. Manso, J.J. Gonzalez, J.A. Polanco (2004), Electric arc furnace slag in concrete, Journal of materials in civil engineering 16(6) 639-645.

[7]. J.P. Patel (2008), Broader use of steel slag aggregates in concrete, Master Thesis, Cleveland State University.

[8]. H. Qasrawi (2014), The use of steel slag aggregate to enhance the mechanical properties of recycled aggregate concrete and retain the environment, Construction and Building Materials 54 298-304.

[9]. L. Rohde, W. P. Nunez and J. A. P. Ceratti (2003), Electric Arc Furnace Steel Slag, Transportation Research Record 1819, Transportation Research Board, Washington, D.C.  pp. 201-207.

[10]. S.A. Aiban (2005), Utilization of steel slag aggregate for road bases, Journal of Testing and Evaluation 34(1) 1-11.

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

[12]. N. ALI, J. Chan, E. Theriault, A. Papagiannakis, A. Bergan (1991), Sysco Electric Arc Furnace Slag As An Asphalt Concrete Aggregate, Proceedings of The Thirty-Sixth Annual Conference of Canadian Technical Asphalt Association.

[13]. B. Farrand, J. Emery (1995), Recent improvements in quality of steel slag aggregate, Transportation research record 1468 137-141.

[14]. A. Coomarasamy, T. Walzak (1995), Effects of moisture on surface chemistry of steel slags and steel slag-asphalt paving mixes, Transportation research record (1492) 85-95.

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

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

[17]. 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.

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

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

[20]. Công ty TNHH Vật Liệu Xanh (2012), Dự án đầu tư nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng từ xỉ lò điện hồ quang tại Khu công nghiệp Phú Mỹ I, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

[21]. Nguyễn Văn Du (2013), Nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép trong sản xuất bê tông nhựa 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.

[22]. 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 TP. Hồ Chí Minh.

[23]. 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.