Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy nhà máy nhiệt điện nghi sơn lên các tính chất vật lý và cơ học của vữa xây dựng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRO ĐÁY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN LÊN CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VỮA XÂY DỰNG Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật công nghệ THANH HÓA, THÁNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRO ĐÁY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN LÊN CÁC TÍNH

CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VỮA XÂY DỰNG

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật công nghệ

THANH HÓA, THÁNG 4/2023

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRO ĐÁY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN LÊN CÁC TÍNH

CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VỮA XÂY DỰNG

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật công nghệ

Sinh viên thực hiện: Lê Minh Trực Nam; Nguyễn Chí Thanh Nam;

Hồ Công Chiến Nam;

Lớp, khoa: ĐH KTCT K23 – K24; Năm thứ: 2,3/Số năm đào tạo: 4,5 Ngành học: Kỹ thuật công trình xây dựng

Người hướng dẫn: Trịnh Thị Hiền

THANH HÓA, THÁNG 4/2023

i

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 Lê Minh Trực ĐH KTCT-K23 Toàn bộ đề tài

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi

MỞ ĐẦU 1

1.Sự cân thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

4 Đóng góp mới của đề tài 2

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

6 Cách tiếp cận 2

7 Nội dung nghiên cứu 2

8 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 4

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 6

2.1 Vật liệu 6

2.2 Thiết kế thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm 8

2.3 Chuẩn bị mẫu và phương pháp thí nghiệm 9

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1.Tính chất vật lý và hóa học của tro bay và xi măng 6

Bảng 2 2 Thành phần cấp phối vữa thử nghiệm 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2 1 Hình ảnh vi cấu trúc của a) Xi măng và b) Tro bay ở độ phóng đại 1000 lần 7

Hình 2.2 Hình ảnh vi cấu trúc của tro đáy ở độ phóng đại 2000 lần 8

Hình 2 3 Vật liệu đầu vào được đem cân 9

Hình 2 4 Trộn hỗn hợp vật liệu 10

Hình 2 5 Đúc các mẫu thí nghiệm 10

Hình 2 6 Máy nén kiểm tra cường độ 11

Hình 2 7 Các mẫu kiểm tra cường độ nén 11

Hình 2 8 Các mẫu ngâm xác định độ hút nước 12

Hình 2 9 Cân mẫu xác định độ hút nước 12

Hình 2 10.Thí nghiệm xác định vận tốc truyền xung siêu âm (UPV) 13

Hình 2 11.Thí nghiệm xác định độ truyền nhiệt 13

Hình 3.1 Sự phát triển cường độ chịu nén của các mẫu vữa……….14

Hình 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến độ hút nước của mẫu vữa 15

Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến vận tốc truyền xung siêu âm 16

Hình 3 4 Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến độ truyền nhiệt của các mẫu vữa 17

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

N/CKD Nước/chất kết dính

VTTXSA Vận tốc truyền xung siêu âm

vi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn lên các tính chất vật lý và cơ học của vữa xây dựng

2 Cấp dự thi: Cấp khoa 3 Nhóm sinh viên thực hiện: - Họ và tên:

Lê Minh Trực; Nguyễn Trí Thanh: K23 Đại Học Kỹ thuật Công trình

Hồ Công Chiến: Lớp: K24 Đại Học Kỹ thuật Công trình - Khoa: Kỹ Thuật Công Nghệ

4 Giáo viên hướng dẫn: Trịnh Thị Hiền

5 Thời gian thực hiện: 9 tháng (từ tháng 09/2022 đến tháng 04/2023) 6 Cơ quan quản lý đề tài: Trường Đại học Hồng Đức

7 Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ

1

MỞ ĐẦU

1 Sự cân thiết của đề tài

Cát tự nhiên là vật liệu cần thiết trong xây dựng và giữ vai trò là cốt liệu nhỏ trong thành phần cấp phối cho bê tông và vữa xây dựng ở Việt Nam là rất lớn Theo chiến lược phát triển ngành vật liệu xây dựng Việt Nam thời kì 2021-2030 và định hướng đến năm 2050, nhu cầu cát xây dựng (chỉ tính riêng cho bê tông và vữa) ở Việt Nam đến năm 2025 khoảng 170-190 triệu m3/năm, đến năm 2030 khoảng 200-220 m3/năm [1] Tuy nhiên, lượng cát tự nhiên có hạn, việc khai thác bừa bãi và trái phép đã gây ra nhiều vấn đề cho môi trường và đời sống người dân Nguồn cung hợp pháp chỉ đáp ứng được 40-50% nhu cầu xây dựng, do đó đã xảy ra tình trạng thiếu hụt cát xây dựng tại một số địa phương trong thời gian vừa qua Tình hình khan hiếm cát tự nhiên trong sản xuất bê tông và vữa xây dung không chỉ diễn ra tại Việt Nam mà còn ở rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là các nước đang phát triển Để giải quyết vấn đề trên, Chính phủ đã yêu cầu cần tăng cường phát triển các loại cát nhân tạo đáp ứng nhu cầu sử dụng bằng các phế thải công nghiệp Phấn đấu giai đoạn 2021-2030 thay thế tối thiểu 40% cát tự nhiên và giai đoạn 2031-2050 thay thế tối thiểu 60% cát tự nhiên [1]

Ngoài thực trạng thiếu hụt cát tự nhiên trong xây dựng, hiện tượng ô nhiễm môi trường do phế thải công nghiệp vẫn được thu hút và quan tâm của dư luận hiện nay như các phế thải từ các nhà máy nhiệt điện Sự phát triển của công cuộc cách mạng công nghiệp và hiện đại hóa đất nước, kéo theo nhiều nhà máy nhiệt điện được xây dựng Theo thống kê của Bộ Xây dựng, hiện nay cả nước có 29 nhà máy nhiệt điện, mỗi năm thải ra khoảng 16 triệu tấn tro xỉ, lượng tro xỉ tồn kho tính đến tháng 3/2022 khoảng 48 triệu tấn [2] Tại Thanh Hóa, hiện nay các nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1 và Nghi Sơn 2 đang hoạt động, hàng ngày thải ra hàng ngàn tấn tro xỉ Lượng tồn đọng tro xỉ của hai nhà máy này trong tương lai là rất lớn Việc tích lũy ngày càng nhiều, nguy cơ các bãi chứa quá tải dẫn đến rò rỉ các chất thải này ra ngoài gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người Vì vậy, việc tìm giải pháp hữu hiệu để xử lý khối lượng khổng lồ tro xỉ này là rất cấp thiết, đặc biệt là việc tái sử dụng chúng thành vật liệu thay thế cát sử dụng trong sản xuất bê tông và vữa xây dựng

Các nghiên cứu trên thế giới về sử dụng tro đáy thay thế cát còn ít và hạn chế đặc biệt là đối với vữa xây dựng Hơn nữa, tro đáy của mỗi nhà máy nhiệt điện tùy thuộc vào công nghệ đốt và loại than sử dụng mà có thành phần hóa học và phẩm chất khác nhau, ảnh hưởng khác nhau đến các đặc tính kỹ thuật của vữa Nghiên cứu này sử dụng tro đáy hạt mịn của nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn để thay thế một phần hoặc toàn

2

bộ cát trong sản xuất vữa xây dựng Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy lên các đặc tính kỹ thuật của vữa xây dựng được nghiên cứu và đánh giá trong đề tài này gồm: Cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, độ hút nước, vận tốc truyền xung siêu âm, độ truyền nhiệt, quan sát SEM Từ đó đề xuất hàm lượng tro đáy tối ưu có thể thay thế cát trong thành phần cấp phối của vữa xây dựng

2 Mục tiêu

Tìm được hàm lượng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn phù hợp thay thế cho cát trong sản xuất vữa xây dựng

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Việc sử dụng tro đáy thay thế cát trong thành phần cấp phối

vữa xây dựng cho mẫu vữa có chất lượng hợp lý và độ bền lâu dài Sử dụng phế phẩm công nghiệp tro bay làm chất kết dính cùng với xi măng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Ý nghĩa thực tiễn: Việc chứng minh được tro đáy nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn

có thể thay thế một phần cát tự nhiên và tìm ra được hàm lượng thay thế phù hợp có ý nghĩa thực tiễn cho việc tái sử dụng chất thải công nghiệp, hạn chế khai thác sử dụng cát tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường

4 Đóng góp mới của đề tài

Sử dụng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn có thể thay thế một phần cát tự nhiên và tìm ra được hàm lượng thay thế phù hợp sẽ là có ý nghĩa thực tiễn cho việc tái sử dụng chất thải công nghiệp, hạn chế khai thác sử dụng cát tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Vữa xây dựng có sử dụng tro đáy

Phạm vi nghiên cứu: Tro đáy lấy tại nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn

6 Cách tiếp cận

Nghiên cứu phương pháp thiết kế thành phần cấp phối, thiết kế mẫu thí nghiệm, đúc mẫu thí nghiệm, bảo dưỡng mẫu, thí nghiệm các thông số kỹ thuật, xử lý số liệu và đánh giá kết quả khi sử dụng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn thay thế một phần cát tự nhiên trong vữa xây dựng, và viết báo cáo tổng kết

7 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối vữa xây dựng

- Sử dụng lần lượt tỷ lệ tro đáy thay thế cát là 0%, 25%, 50%, 75% và 100%

3

- Đúc các mẫu vữa với các tỷ lệ tro đáy thay thế cát như trên

- Tiến hành các thí nghiệm xác định: Cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, độ hút nước, vận tốc truyền xung siêu âm, độ truyền nhiệt, quan sát SEM

- Tổng hợp kết quả thí nghiệm, phân tích, xử lý số liệu

8 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối

vữa xây dựng

Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu vữa sử dụng tro đáy hạt mịn thay

thế cát trong thành phần cấp phối, thí nghiệm xác định các đặc tính kỹ thuật của các mẫu vữa

Phương pháp thống kê toán học: Tổng hợp và xử lý số liệu, đánh giá kết quả, từ

đó đề xuất hàm lượng đó đề xuất hàm lượng tro đáy thay thế cát hợp lý nhất

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Cùng với tro bay, tro đáy đã thu hút rất nhiều các nhà khoa học ở Việt Nam và trên thế giới đầu tư nghiên cứu, mong muốn có thể tận dụng tối đa và sử dụng đa dạng trong các lĩnh vực của đời sống, đặc biệt trong linh vực xây dựng Liên đoàn các nhà máy sản xuất năng lượng chất thải Châu Âu đã đề xuất ưu tiên sử dụng tro đáy thay thế các vật liệu cát, sỏi Phần lớn tro đáy được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông có kích thước hạt từ 2- 40 mm Có rất nhiều nghiên cứu sử dụng tro đáy để thay thế một phần các cốt liệu cho bê tông và vữa xây dựng thể hiện ảnh hưởng của tro đáy đến độ linh động, khối lượng thể tích, cường độ chịu nén và độ hút nước điểm hình như:

Ahmad Maliki F.và nnk (2017) đã nghiên cứu sử dụng tro đáy thay thế cho 10%, 20%, 30%, …, 90%, 100% cát trong bê tông Kết quả cho thấy cường độ kháng nén cho giá trị lớn nhất ở 7 ngày và 28 ngày là 36,4 MPa và 46,2 MPa khi thay thế 60% tro đáy Tuy nhiên, cường kháng uốn cho giá trị lớn nhất khi thay thế 70% tro đáy với các giá trị lần lượt ở 7 ngày và 29 ngày tuổi là 3,03Mpa và 3,63MPa [3]

Loveley Kumari S, Thandavamoorthy S (2017) đã nghiên cứu sử dụng tro đáy với tỷ lệ thay thế cát trong bê tông là 255,59% và 75% Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở 7 ngày tuổi cường độ kháng nén đạt từ 73,7MPa và 67,8MPa và ở ngày 28 đạt từ 92,1MPa đến 78,2MPa Cường độ kháng uốn ở ngày 7 đạt từ 6,05 đến 4,85 MPa và 28 ngày tuổi đạt 8,12MPa đến 5,56 MPa Khi hàm lượng tro đáy tăng thì cường độ giảm dần, đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng 25% tro đáy [4]

Soman và nnk (2014) nghiên cứu hàm lượng thay thế tro đáy cho cát ở 10%, 20%, 30%, 40% và 50% trong bê tông đã chỉ ra rằng khi thay thế 30% tro đáy bằng cát thì cường độ kháng nén đạt giá trị lớn nhất là 38,43Mpa Cường độ kháng kéo khi ép chẻ khi sử dụng 30% tro đáy đạt 3,695Mpa lớn hơn so với bê tông thông thường là 3,5Mpa và khi sử dụng 50% thì đạt 2,87Mpa Cường độ kháng uốn khi bê tông chứa 30% tro đáy cũng đạt giá trị lớn nhất 6,66Mpa so với 10% là 6,59Mpa và 50% là 5,59MPa [5]

1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Cùng với tro bay, tro đáy đã thu hút rất nhiều các nhà khoa học ở Việt Nam đầu tư nghiên cứu, mong muốn có thể tận dụng tối đa và sử dụng đa dạng trong các lĩnh vực của đời sống, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng

5

Nguyễn Công Thắng và các cộng sự đã sử dụng kết hợp tro bay và muội silic để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao, trong đó tro bay được sử dụng với hàm lượng 0%, 10%, 20%, 30% và 40% tổng hàm lượng chất kết dính [6] Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng kết hợp tro bay và muội silic cải thiện đáng kể tính công tác và tăng cường độ nén của bê tông, sử dụng 20% tro bay trong tổng hàm lượng chất kết dính cho bê tông có cường độ nén cao nhất Trần Văn Miền và Nguyễn Lê Thi đã nghiên cứu sử dụng 0%, 20%, 30%, 40% và 50% tro bay thay thế xi măng trong bê tông [7] Các kết quả thực nghiệm của nghiên cứu cho thấy, hàm lượng tro bay sử dụng càng tăng thì nhiệt độ trong bê tông và cường độ chịu nén của bê tông giảm

Ngô Sĩ Huy và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sử dụng tro bay và tro đáy để sản xuất gạch không nung bằng cách dung dịch NaOH để kích hoạt kiềm hóa Kết quả với điều kiện của thí nghiệm đã tìm được tỷ lệ trộn tối ưu BA:FA:C là 1:1:0,45 thì gạch không nung đạt được cường độ là 17,36MPa [8]

Nghiên cứu sử dụng tro đáy trong lĩnh vực xây dựng đã có khá nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên sử dụng tro đáy để thay thế cát trong vữa xây dựng vẫn còn hạn chế, đặc biệt là việc sử dụng tro đáy của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn Thanh Hóa

6

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu

Vật liệu sử dụng để chế tạo mẫu vữa xậy dựng trong nghiên cứu này bao gồm : Xi măng PCB40, tro đáy, cát tự nhiên, chất kết dính (xi măng, tro bay), nước và phụ gia Cụ thể nghiên cứu sử dụng xi măng PCB40 sản xuất từ nhà máy xi măng Nghi Sơn, tro bay được lấy từ nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1, chúng có khối lượng riêng lần lượt là 3,12T/m3, 2,16T/m3 Tính chất vật lý và hóa học của xi măng, tro bay được trình bày ở Bảng 2.1 Cát được mua trên thị trường có khối lượng riêng là 2,62T/m3; khối lượng thể tích ở trạng thái khô tự nhiên là 1,45 T/m3; độ ẩm 0,53%; độ hút nước là 0,42% Tro đáy được lấy từ nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 1 có khối lượng riêng là 2T/m3; khối lượng thể tích ở trạng thái khô tự nhiên là 1,04 T/m3; độ ẩm 0,44%; độ hút nước là 32% Cát vàng tự nhiên và tro đáy được sàng để loại bỏ các cỡ hạt nằm trên sàng 1,25 mm và nằm dưới sàng 0,14mm trước khi đưa vào sử dụng

Bảng 2 1.Tính chất vật lý và hóa học của tro bay và xi măng

7

Các hình ảnh vi cấu trúc của xi măng và tro bay đƣợc quan sát bởi kính hiển vi điện tử quét SEM ở độ phóng đại 1000 lần đƣợc thể hiện ở Hình 2.1 cho thấy xi măng có dạng vô định hình, trong khi tro bay có dạng hình cầu và có lẫn tạp chất

a) Xi măng

b) Tro bay

Hình 2 1 Hình ảnh vi cấu trúc của a) Xi măng và b) Tro bay ở độ phóng đại 1000 lần

8

Cốt liệu của các mẫu vữa xây dựng trong nghiên cứu là cát vàng tự nhiên mua trên thị trường và tro đáy của nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn, được sàng để loại bỏ các cỡ hạt nằm trên sàng 1,25 mm và nằm dưới sàng 0,14mm trước khi đưa vào sử dụng Như vậy các mẫu vữa trong nghiên cứu chỉ sử dụng cốt liệu mịn có cỡ hạt nằm giữa 2 cỡ sàng 0,14mm và 1,25mm Cát và tro đáy có khối lượng riêng lần lượt là 2,62 T/m3 và 2 T/m3 Khối lượng thể tích ở trạng thái khô tự nhiên của cát là 1,45 T/m3, của tro đáy là 1,04 T/m3 Độ ẩm của cát và tro đáy lần lượt là 0,53% và 0,44% Độ hút nước của cát là 0,42% trong khi độ hút nước của tro đáy lên tới 32% Điều này là do cấu trúc xốp, rỗng của tro đáy được quan sát thấy ở hình ảnh vi cấu trúc của nó bởi kính hiển vi điện tử quét SEM với độ phóng đại 2000 lần (Hình 2.2)

Hình 2.2 Hình ảnh vi cấu trúc của tro đáy ở độ phóng đại 2000 lần

2.2 Thiết kế thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm

Các mẫu vữa xây dựng trong nghiên cứu này được thiết kế với tỉ lệ cốt liệu/chất kết dính (CL/CKD) là 2,8 Cốt liệu mịn gồm cát tự nhiên và tro đáy với tỉ lệ tro đáy được thay thế cát tự nhiên lần lượt 0%, 25%, 50%, 75% và 100% tính theo khối lượng Ký hiệu các mẫy vữa lần lượt là BA00, BA25, BA50, BA75 và BA100 chỉ hàm lượng tro đáy thay thế cát trong thành phần cấp phối của mẫu Để giảm lượng nước và tăng tính công tác cho hỗn hợp vữa thì tất cả các mẫu đều sử dụng phụ gia hóa dẻo Lượng nước và phụ gia hóa dẻo điều chỉnh sao cho phù hợp để đường kính độ chảy xòe của hỗn hợp vữa đạt 175mm phù hợp với yêu cầu vữa trát xây dựng được quy định trong tiêu chuẩn TCVN 4314-2003 [9] Tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) của các hỗn hợp