Họ và tên NCS: Dương Trung Quốc

Tên luận án: Nghiên cứu đặc điểm và khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông trong công trình biển

Ngành: Địa chất học

Mã số: 9440201

người hướng dẫn: PGS.TS. Trần Thanh Nhàn, PGS.TS. Đỗ Quang Thiên

đơn vị đào tạo: Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

Đóng góp mới của Luận án:

Thứ nhất, bổ sung hệ thống dữ liệu về đặc điểm thành phần khoáng vật – hóa học và tính chất của các loại xỉ thép Formosa, góp phần làm rõ sự khác biệt giữa các nhóm vật liệu theo nguồn gốc công nghệ.

Thông qua việc nghiên cứu 5 loại xỉ thép Formosa gồm BOF040, BOF010, CAST040, CAST010 và DeS với mẫu thu thập theo 3 đợt khác nhau, luận án đã xây dựng được hệ thống dữ liệu về thành phần hóa học, thành phần khoáng vật, thành phần hạt, các tính chất vật lý – cơ học và đặc tính môi trường của nguồn vật liệu này. Kết quả phân tích đã xác định được đặc trưng của hệ oxit CaO–SiO₂–Fe₂O₃–MgO cùng các pha khoáng silicat canxi, ferrit canxi và oxit sắt trong xỉ BOF và CAST; đồng thời nhận diện sự khác biệt của xỉ DeS với thành phần giàu Ca, các hợp phần chứa sulfate và hệ khoáng vật khác biệt. Các kết quả này cung cấp luận cứ khoa học để phân biệt các loại xỉ không chỉ theo quy trình sản xuất mà còn theo bản chất thành phần khoáng vật – hóa học và đặc trưng vật liệu, góp phần bổ sung dữ liệu nghiên cứu địa chất vật liệu đối với nguồn xỉ thép phát sinh từ hoạt động luyện kim tại Việt Nam.

Thứ hai, làm rõ bước đầu mối quan hệ giữa nguồn gốc công nghệ, đặc điểm khoáng vật – hóa học và sự phân hóa tính chất vật lý, cơ học của các loại xỉ thép.

Trên cơ sở kết hợp kết quả phân tích khoáng vật – hóa học với các thí nghiệm tính chất vật liệu, luận án đã chỉ ra sự tương ứng giữa đặc trưng hệ khoáng giàu sắt, silicat và ferrit canxi của xỉ BOF, CAST với khối lượng riêng lớn và khả năng chống tác động cơ học tốt. Ngược lại, xỉ DeS có thành phần khoáng vật – hóa học khác biệt, khối lượng riêng thấp hơn, độ hút nước và hàm lượng hạt mịn lớn, dẫn đến những hạn chế khi sử dụng trực tiếp làm cốt liệu bê tông. Các kết quả này góp phần nhận diện và luận giải mối quan hệ giữa nguồn gốc – thành phần – tính chất của xỉ thép dưới góc độ khoáng vật học và địa chất vật liệu, tạo cơ sở khoa học cho việc phân loại, đánh giá chất lượng và lựa chọn định hướng sử dụng phù hợp đối với từng nhóm xỉ.

Thứ ba, cung cấp bằng chứng thực nghiệm về đặc điểm trương nở dài hạn của xỉ thép và làm rõ giới hạn của việc đánh giá tính ổn định thể tích chỉ dựa vào hàm lượng CaO tự do.

Đây là một kết quả khoa học đáng chú ý của luận án. Mặc dù hàm lượng fCaO trong các mẫu xỉ BOF và CAST tương đối thấp, kết quả thí nghiệm kéo dài 196 ngày vẫn ghi nhận sự phát triển đáng kể của độ trương nở, với mức độ khác nhau rõ rệt giữa các loại xỉ. Kết quả này cho thấy tính ổn định thể tích không thể được đánh giá đầy đủ chỉ thông qua hàm lượng CaO tự do, mà cần xem xét đồng thời trạng thái tồn tại của các pha khoáng có khả năng phản ứng, đặc điểm biến đổi thứ sinh và điều kiện tương tác với nước. Trên cơ sở đó, luận án góp phần bổ sung luận cứ thực nghiệm về đặc tính biến đổi của vật liệu khoáng nhân sinh, đồng thời đặt ra yêu cầu kết hợp nghiên cứu thành phần khoáng vật – địa hóa với các thí nghiệm đánh giá tính ổn định thể tích theo thời gian.

Thứ tư, xây dựng cơ sở khoa học cho việc đánh giá và định hướng sử dụng xỉ thép như một nguồn vật liệu khoáng thứ sinh thay thế cốt liệu tự nhiên.

Từ kết quả nghiên cứu thành phần khoáng vật, hóa học, tính chất vật lý – cơ học và độ ổn định thể tích, luận án đã xác định được những đặc trưng có lợi và các yếu tố hạn chế khả năng sử dụng của từng loại xỉ thép Formosa. Trong đó, xỉ BOF và CAST thể hiện tiềm năng làm cốt liệu nặng cho bê tông nhờ khối lượng riêng lớn và các đặc tính cơ học phù hợp, nhưng cần tiếp tục kiểm soát ảnh hưởng của các pha khoáng có khả năng gây biến đổi thể tích. Ngược lại, xỉ DeS không được ưu tiên sử dụng trực tiếp làm cốt liệu bê tông do những đặc điểm bất lợi về thành phần hạt, độ hút nước và tính chất vật liệu. Những kết quả này là cơ sở cho việc lựa chọn nguồn xỉ, tổ hợp cốt liệu và triển khai nghiên cứu ứng dụng chế tạo bê tông, khối Tetrapod phục vụ bảo vệ công trình ven biển. Qua đó, luận án góp

phần phát triển hướng tiếp cận ứng dụng các kết quả nghiên cứu địa chất vật liệu vào khai thác hợp lý nguồn vật liệu khoáng nhân sinh, tiết kiệm tài nguyên cốt liệu tự nhiên và phục vụ phòng chống tai biến địa chất vùng ven biển.

NEW CONTRIBUTIONS OF THE DOCTORAL DISSERTATION

PhD candidate: Dương Trung Quốc

Dissertation  title:  Study  on  the  Characteristics  and  Applicability  of  Steel  Slag  as Aggregate for Concrete in Marine Structures

Major: Geology

Code: 9440201

Academic titles, degrees, and names of supervisors: Assoc. Prof. Dr. Tran Thanh Nhan, Assoc. Prof. Dr. Đo Quang Thien

Training institution: University of Sciences, Hue University

Content: Briefly present the dissertation’s new academic and theoretical contributions and the new findings derived from its research and investigations.

First, the dissertation provides a systematic dataset on the mineralogical– chemical characteristics and properties of different types of Formosa steel slag, helping to clarify differences among material groups arising from their production processes.

By investigating five types of Formosa steel slag BOF040, BOF010, CAST040, CAST010, and DeS, using samples collected during three separate sampling campaigns, the dissertation has established a dataset on their chemical and mineralogical compositions, particle-size distributions, physicomechanical properties, and environmental characteristics. The analyses identified the characteristic CaO–SiO₂– Fe₂O₃–MgO oxide system, together with calcium silicate, calcium ferrite, and iron oxide mineral phases in BOF and CAST slags. In contrast, DeS slag was distinguished by its calcium-rich composition, sulfate-bearing constituents, and distinct mineral assemblage. These results provide a scientific basis for differentiating slag types not only by their production processes but also by their mineralogical–chemical compositions and material characteristics, thereby contributing additional data to geological materials research on steel slag generated by metallurgical activities in Vietnam.

Second, the dissertation provides initial insights into the relationships among production processes, mineralogical–chemical characteristics, and variations in the physical and mechanical properties of different types of steel slag.

By combining mineralogical–chemical analyses with material-property tests, the dissertation identified an association between the iron-rich assemblages of silicates and calcium ferrites in BOF and CAST slags and their high particle density and good resistance to mechanical action. In contrast, DeS slag exhibits a distinct mineralogical– chemical composition, lower particle density, and higher water absorption and fine- particle content, which limit its direct use as concrete aggregate. These findings contribute to identifying and interpreting the origin–composition–properties relationships of steel slag from the perspectives of mineralogy and geological materials science, providing a scientific basis for the classification, quality assessment, and selection of suitable applications for each slag group.

Third, the dissertation provides experimental evidence of the long-term expansion behavior of steel slag and clarifies the limitations of assessing volumetric stability solely on the basis of free CaO content.

This is a noteworthy scientific finding of the dissertation. Although the free CaO (fCaO) contents of BOF and CAST slag samples were relatively low, tests conducted over

196 days still recorded substantial continued expansion, with markedly different expansion levels among slag types. These results indicate that volumetric stability cannot be adequately assessed solely from free CaO content; the occurrence and state of reactive mineral phases, secondary alteration processes, and conditions of interaction with water must also be considered. Accordingly, the dissertation provides additional experimental evidence of the alteration behavior of anthropogenic mineral materials and highlights the need to combine mineralogical–geochemical investigations with time-dependent volumetric stability tests.

Fourth, the dissertation establishes a scientific basis for evaluating and guiding the use of steel slag as a secondary mineral resource to replace natural aggregates.

Based on investigations of mineralogical and chemical compositions, physicomechanical properties, and volumetric stability, the dissertation identified the beneficial characteristics and limiting factors affecting the potential use of each type of Formosa steel slag. BOF and CAST slags show potential as heavyweight aggregates for concrete owing to their high particle density and suitable mechanical properties; however, the effects of mineral phases capable of inducing volume changes require continued control. In contrast, DeS slag is not prioritized for direct use as concrete aggregate because of its unfavorable particle-size distribution, water absorption, and material properties. These findings provide a basis for selecting slag sources and aggregate blends and for applied research on concrete and Tetrapod wave-dissipating units for coastal structure protection. The dissertation thereby contributes to an approach that applies geological materials research to the rational utilization of anthropogenic mineral resources, the conservation of natural aggregate resources, and the mitigation of geological hazards in coastal areas.