Nghiên cứu sử dụng xỉ than của công nghiệp nhiệt điện dùng chế tạo bê tông geopolymer

TẠP CHÍ KINH TẾ CÔNG NGHIỆP Số 32 Tháng 6/2022 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG xỉ THAN CỦA CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN DÙNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG GEOPOLYMER Study on using slag in Power plant to produce geopolymer concrete V[.]

TẠP CHÍ KINH TẾ - CƠNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG xỉ THAN CỦA CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN DÙNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG GEOPOLYMER Study on using slag in Power plant to produce geopolymer concrete Võ Minh Nhựt Đỗ Đại Thắng Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Long An, Việt Nam nhuttt.sk@gmail.com Đại học Quốc gia TP.HCM, Việt Nam ddthangỄvnuhcm.edu.vn Tóm tắt—-Vật liệu geopolymer có khả sử dụng nguyên liệu phế thải chứa alumino-silicate để thay cho vật liệu xây dựng truyền thống Nghiên cứu sử dụng xỉ than từ nhà máy nhiệt điện để làm nguyên liệu thay cho cốt liệu chất kết dính để chế tạo bê tơng geopolymer Thành phần xi than sử dụng thay cát đá 25, 50, 75 100% theo khối lượng Dung dịch hoạt hóa sử dụng để hoạt tính đóng rắn bê tơng geopolymer tác dụng nhiệt độ Kêt thực nghiệm cho thấy xỉ than có khà thay cho thành phần cốt liệu bê tông geopolymer đạt yêu cầu cường độ Abstract— Geopolymer material is known that can be activated alumini-silicate in waste to produce building materials In this research, the slag in power plant is used as aggregate to replace in mix proportion of concrete Hence, fly ash is also used as binder in mix proportion Slag in range from 25, 50, 75 to 100% by weight are investigated The alkaline solution is used to activated in geopolymer processing Geopolymer concrete is obtained by curing codition In the results, geopolymer concrete can be obtained strength by replacement of slag in aggregate and mix proportion Từ khóa — Bê tơng geopolymer, xì than, tro bay, Geopolymer concrete, coal slag Đặt Vấn đề Việc tái chế loại nguyên liệu xây dựng nhằm giải vấn đề chất thải rắn nguồn nguyên liệu thay cho cốt liệu chế tạo vật liệu xây dựng giải vấn đề xây dựng bền vững hạn chế khai thác tài nguyên Các nhà máy nhiệt điện than nguồn phát thải lớn lĩnh vực lượng ngun nhân gây nhiễm khơng khí Trong tình trạng vấn đề biến đổi khí hậu quan tâm nhiều nay, việc sử dụng phế thải tro bay xỉ than nhà máy nhiệt điện để thay hoàn toàn xi măng chế tạo bê tông nhàm bảo vệ môi trường điều cần thiết Mồi loại công nghệ đốt kèm với loại than cho tỷ lệ tro xỉ hàm lượng chất lại tro xỉ khác Tro xỉ nhà máy nhiệt điện than Việt Nam có thành phần chủ yếu ơxít kim loại hàm lượng bon cịn lại tro cơng nghệ thải xỉ, số nhà máy dùng công nghệ thải xỉ ướt sử dụng nước biên để thải hỗn hợp tro, xỉ bãi chứa dẫn tới tro, xỉ bị nhiễm mặn, gây khó khăn q trình xử lý, tiêu thụ Ngồi ra, số nhà máy thải xỉ công nghệ ướt trộn lẫn tro xỉ vào nước bom bãi chứa, dẫn tới tro, xỉ lẫn lộn gây khó khăn q trình xử lý, sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng (Nguyền Viết Trung Nguyễn Ngọc Long, 2004; Nguyễn Thanh Tùng cộng sự, 2010; Viện Vật liệu xây dựng, 2016) Davidovits (2001) dùng thuật ngữ geopolymer để giới thiệu loại polymer tổng hợp từ khoáng vật thuộc nhóm aluminosilicate Thành phần chủ yếu geopolymer nguyên tố Si2+, Al3+ o2’ có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên đất sét, canh lanh sản phẩm sản xuất từ sản xuất tro bay, xỉ lò cao Vật liệu geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường cấu trúc mạng không gian vơ định hình, cấu trúc hóa học vơ định hình geopolymer tạo thành từ mạng lưới câu trúc Alumino - 67 TẠP CHÍ KINH TÉ - CÒNG NGHIỆP số 32 - Tháng 6/2022 Silicate hay gọi Poly - Sialate Các nguồn nguyên liệu Alumino-Silicate khác nghiên cứu thành phần hoạt hóa để chế tạo geopolymer Trong số phế phẩm nhà máy công nghiệp, đặc biệt công nghiệp nhiệt điện sử dụng than, tro bay xỉ thải nguồn vật liệu tiềm công nghệ geopolymer Sự kết hợp potassium hydroxite sodium silicate dùng làm dung dịch hoạt hóa geopolymer Dung dịch hoạt hóa yếu tố có ảnh hưởng lớn đến cường độ học kết hợp đem lại cường độ cao cho geopolymer Các thành phần hoạt hóa, kích thước hạt, hàm lượng calcium, hàm lượng kim loại kiềm, hàm lượng vô định hình, hình thái nguồn gốc nguyên liệu chứa alumino-silicate ảnh hưởng đến đặc tính geopolymer (Davidovits, 2011; Kim, 2015; Kim cộng sự, 2016) Nghiên cứu đánh giá khả sử dụng xỉ than thay thể thành phần cốt liệu lớn cốt liệu nhị thành phần cấp phối bê tơng geopolymer Việc thay xỉ than bê tông tăng khả tái sử dụng nguồn phế thải công nghiệp nhiệt điện, giảm chi phí xử lý mơi trường Đối tượng nghiên cứu phương pháp thực 2.1 Tro bay Tro bay sử dụng loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng 0.08 mm Thành phần hóa học cho bảng Bảng Thành phần hóa học tro bay Thành phần SiO2 % Khối lượng 53,9 Ghi chú: MKN - Mất nung A12O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO so3 MKN 34,5 4,0 1,0 0,3 0,81 0,25 9,63 2.2 Cốt liệu Cốt liệu nhỏ sử dụng có khối lượng riêng 2,61 g/cm3, khối lượng thể tích 1,45 g/cm3, modun độ lớn 1,8 cốt liệu lớn có kích thước Dmax 20 mm, khối lượng riêng 2,72 g/cm3, khối lượng thể tích 1,62 g/cm3 2.3 Xỉ than Xỉ than lấy từ nhà máy nhiệt điện theo công nghệ đốt than phụn, thành phần hạt gia công sàng qua sàng 10 mm sàng 5mm, khối lượng riêng 2,3 g/cm3 2.4 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa kết hợp sodium hydroxide sodium silicat Sodium silicate dung dịch có tổng hàm lượng Na2Ơ SÌƠ2 38%, tỷ trọng 1.42 ± 0.01 g/ml Dung dịch sodium hydroxide có nơng độ 10 Mol Trong thành phân dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ sodium silicate-sodium hydroxit 1-1 theo khối lượng 2.5 Phương pháp thực nghiệm thành phần cấp phối Bệ tơng chế tạo có cấp độ bền thiết kế B25 theo TCVN 5574:2018 Tro bay sử dụng 300, 400 500 kg/m3 Thành phần xỉ than thay thể cốt liệu nhỏ cốt liệu lớn 25, 50, 75 100% theo khối lượng Thành phần cấp phối bê tơng trình bày bảng Nhào trộn khô thành phần nguyên liệu sau định lượng đá, cát, tro bay vòng phút băng máy trộn Hỗn hợp dung dịch hoạt hóa bao gồm sodium silicat sodiumhydroxit chuẩn bị trước đổ vào hồn hợp trộn khơ lúc Q trình nhào trộn ướt khoảng phút máy trộn Hỗn hợp bê tông xác định độ sụt theo TCVN 68 TẠP CHÍ KINH TÉ - CƠNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022 3106-1993 Sau hỗn hợp bê tơng chế tạo khn hình trụ theo TCVN 10303-2014 dưỡng hộ lò sấy nhiệt độ 800°C Bảng Thành phần cấp phối bê tông Cấp phối Tỷ lệ (%) TB (kg) Xỉ nhỏ (kg) Xỉ lớn (kg) c (kg) Đ(kg) DD (lít) BT1 300 0 750 1150 250 BT2 400 0 730 1070 250 BT3 500 0 690 1030 250 BT1C1 25 300 187,5 562,5 1150 250 BT1C2 50 300 375 375 1150 250 BT1C3 75 300 562,5 187,5 1150 250 BT1C4 100 300 750 0 1150 250 BT1D1 25 300 287,5 750 862,5 250 BT1D2 50 300 575 750 575 250 BT1D3 75 300 862,5 750 287,5 250 1150 750 250 BT1D4 100 300 Ghi chú: TB: tro bay; C: Cát; Đ: đá; DD: Dung dịch hoạt hóa Kết nghiên cứu đánh giá 3.1 Anh hưởng tro bay đến tính chất bê tông geopolymer Độ sụt (cm) Thực nghiệm ảnh hưởng tro bay đến tính chất hỗn hợp bê tông geopolymer cho thấy khả làm việc hỗn hợp bê tơng có thay đổi theo hàm lượng tro bay Hình la cho thấy hàm lượng tro bay sử dụng 300 kg độ sụt đạt 12 cm Khi hàm lượng tro bay tăng đến 400 kg 500 kg độ sụt giảm cịn 10 cm cm Kết cho thấy hàm lượng tro bay làm giảm khả linh động hồn hợp bê tông tương tác dunh dịch hoạt hóa hạt tro bay b) Hình Ảnh hưởng tro bay đến tính chất bê tơng geopolymer ạ) 69 TẠP CHÍ KINH TẾ - CƠNG NGHIỆP Số 32-Tháng 6/2022 Thực nghiệm ảnh hưởng tro bay đến tính chất cường độ bê tơng geopolymer cho thấy bê tơng sử dụng 300 kg tro bay có khả đạt cường độ nén uốn khoảng 27 N/mm2 3,1 N/mm2 sau dưỡng hộ nhiệt độ 800°C hình 2b cấp phối bê tơng dùng 400 kg tro bay có khả đạt cường độ nén uốn 28 N/mm2 3,2 N/mm2 Cấp phối dùng 500 kg tro bay cho cường độ hoạt hóa đạt 30 N/mm2 3,3 N/mm2 Việc cấp phối sử dụng tro bay nhiều cường độ có xu hướng tăng thêm cho thấy thành phần oxit hoạt tính tro bay tăng cường có khả phản ứng tạo chuỗi polymer tốt hơn, làm cho cường độ phát triển tốt Thành phần tro bay hoạt hóa với dung dịch làm cho bê tông đạt yêu cầu cường độ nén uốn 3.2 Anh hưởng xỉ than thay cốt liệu nhỏ đến tính chất bê tơng geopolyme a) , b> Hình Ảnh hưởng xỉ than thay cốt liệu nhỏ đến tính chất bê tơng geopolymer Ket thực nghiệm trình bày hình a cho thấy khả linh động hỗn hợp bê tơng có xu hướng thay đơi xỉ than thay thành phần cát Khi hàm lượng xỉ than thay 25 đến 100% độ sụt có xu hướng giảm dần từ 12 cm xuống cm, giảm khoảng 25% khả linh động hỗn hợp bê tông tro bay Điều cho thấy thành phần xỉ than có cấu trúc bê mặt rơng xơp nên thay thê thành phân cát có xu hướng làm cho hỗn hợp bê tơng giảm tính cơng tác Thực nghiệm hình 2b cho thấy cường độ chịu nén bê tơng tro bay có xu hướng giảm dân sử dụng xỉ than thay thê cho cát Khi hàm lượng xỉ than sử dụng thay 25 đên 100% cường độ nén hoạt hóa giảm dân từ 27 N/mm2 xng cịn 22 N/mm2, giảm khoảng 20% 3.3 Ảnh hưởng xỉ than thay cốt liệu lớn đến tính chất bê tơng geopolymer Ket thực nghiệm trình bày hình 4a cho thấy khả linh động hỗn hợp bê tơng có xu hựớng thay đơi xỉ than thay thành phần đá Khi hàm lượng xỉ than thay lân lượt 25 đên 100% độ sụt có xu hướng giảm dân từ 12 cm xuông cm, giảm khoảng 60% khả linh động hỗn hợp bê tông tro bay Điều cho thấy thành phần xỉ than có cấu trúc bề mặt rỗng xốp nên thay thành phân đá có xu hướng làm cho hợp bê tơng giảm nhanh tính cơng tác Đồng thời, cấu trúc bê mặt xôp xỉ than làm cho khả chuyên động côt liệu môi trường tro bay - dung dịch bị giảm 70 TẠP CHÍ KINH TÉ - CƠNG NGHIỆP Số 32-Tháng 6/2022 Xỉ than thay đá (%) , b) Hình Anh hưởng xỉ than thay cốt liệu lớn đến tính chất bê tơng geopolymer Hình 3b cho thấy cường độ chịu nén bê tông tro bay có xu hướng giảm dần sử dụng xỉ than thay cho đá Khi hàm lượng xỉ than sử dụng thay 25 đến 100% cường độ nén hoạt hóa giảm dần từ 27 N/mm2 xuống 20 N/mm2, giảm đến 30% Kết luận Hàm lượng tro bay phế thải nhiệt điện có khả hoạt hóa với dung dịch geopolymer tạo cường độ cho bê tông Hàm lượng tro bay tăng cường độ có xu hướng tăng cường Xỉ than dùng thay cốt liệu nhỏ với hàm lượng 25 đến 100% làm giảm độ dẻo bê tông giảm cường độ khoảng 20% Xỉ than dùng thay cốt liệu lớn với hàm lượng 25 đến 100% làm giảm rõ rệt khả làm việc hỗn hợp bê tông geopolymer giảm cường độ khoảng 30% Thành phần cấp phối bê tông geopolymer dùng tro bay xi than có khả hoạt hóa tạo cường độ đạt yêu cầu B15 theo TCVN 5574-2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Trung Nguyễn Ngọc Long (2004) Phụ gia hóa chất dùng cho bê tơng Việt Nam Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [2] Nguyễn Thanh Tùng cộng sự, (2010) Nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại từ công nghệ tuyến nối Công ty cố phần Cao Cường - Sông Đà 12 đế chế tạo bê tông chất lượng cao, bê tông tự đầm bê tông bền môi trường xám thực Viện Vật liệu xây dựng, Hà Nội [3] Viện Vật liệu xây dựng (2016) Điều tra, khảo sát đánh giá dề xuất giải pháp sử dụng triệt đế nguồn tro xỉ nhiệt điện sản xuất vật liệu xây dựng, Hà Nội [4] Davidovits, J (2011) Geopolymer Chemistry and Applications Saint-Quentin, France, 5th edition, Geopolymer Institute [5] Kim, H K (2015) Utilization of sieved and ground coal bottom ash powders as a coarse binder in high-strength mortar to improve workability Constr Build Mater, N.91, pp:57-64 [6] Kim, Y., Dang, M.Q & Do, T.M (2016) Studies on compressive strength of sand stabilized by alkali-activated ground bottom ash and cured at the ambient conditions Geo-Engineering, 7:15 Ngày nhận: 30/03/2022 Ngày duyệt đăng: 30/05/2022 71 ... geopolymer Việc thay xỉ than bê tông tăng khả tái sử dụng nguồn phế thải cơng nghiệp nhiệt điện, giảm chi phí xử lý mơi trường Đối tượng nghiên cứu phương pháp thực 2.1 Tro bay Tro bay sử dụng loại F... nghiệp, đặc biệt công nghiệp nhiệt điện sử dụng than, tro bay xỉ thải nguồn vật liệu tiềm công nghệ geopolymer Sự kết hợp potassium hydroxite sodium silicate dùng làm dung dịch hoạt hóa geopolymer. .. đến tính chất bê tơng geopolymer ạ) 69 TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32-Tháng 6/2022 Thực nghiệm ảnh hưởng tro bay đến tính chất cường độ bê tông geopolymer cho thấy bê tông sử dụng 300 kg tro