Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tôNghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN CAO CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀTRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG

TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN CAO CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀTRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG

TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thôngMã số : 9.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hướng dẫn khoa học: 1 GS TS Phạm Huy Khang2 TS Nguyễn Văn Nam

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Cao Cường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, tôi trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã tạo mọi điều kiệngiúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận tải; Văn phòng UBND tỉnh Hải Dương; PhòngĐào tạo Sau đại học; Trung tâm Khoa học công nghệ GTVT; Phòng Thí nghiệm côngtrình Vilas 047; Khoa Công trình; Bộ môn Đường bộ;

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là GS.TS Phạm HuyKhang và TS Nguyễn Văn Nam Các Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ vàđộng viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, bộ môn Đường ô tô vàSân bay, các nhà khoa học trong và ngoài Trường, các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ,nhận xét, góp ý về mặt chuyên môn cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm Công trình Vilas 047đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của luận án.

Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoànthành luận án này.

Hà Nội, tháng 05 năm 2024Tác giả luận án

Nguyễn Cao Cường

MỤC LỤCDanh mục hình ảnh, biểu đồ

1.1.Đá thải tại các mỏ đá và tình hình sử dụng đá thải trong xây dựng đường ô tô 5

1.1.1.Hệ thống giao thông đường bộ và nhu cầu vật liệu xây dựng 5

1.1.2.Quy trình khai thác đá tại mỏ 6

1.2.Tổng quan về tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam 9

1.2.1.Nguồn gốc tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than 9

1.2.2.Các đặc trưng của tro bay 11

1.2.3.Phân loại tro bay 12

1.2.4.Tình hình vật liệu tro bay tại Việt Nam 15

1.2.5.Tính chất của tro bay nhiệt điện đốt than ở Việt Nam 15

1.3 Lý thuyết về sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựng mặtđường ô tô 21

1.3.1.Khái niệm chung về gia cố vật liệu 21

1.3.2.Sự hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ 22

1.3.3.Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng 25

1.3.4.Sự hình thành cường độ đá thải kết hợp tro bay gia cố xi măng 26

1.4.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đá, đá thải, tro bay gia cố xi măng làmmóng mặt đường ô tô 27

1.4.1.Trên thế giới 27

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 29

1.5.Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án 33

1.6.Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu 34

1.6.1.Mục tiêu nghiên cứu 34

1.6.2.Nội dung của đề tài nghiên cứu 35

1.7.Phương pháp nghiên cứu 35

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐTÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIACỐXI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 36

2.1.Yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô 36

2.1.1 Yêu cầu cơ bản đối với đất gia cố chất kết dính vô cơ theo TCVN 10379:2014 36

2.1.2 Yêu cầu vật liệu của cấp phối thiên nhiên và cấp phối đá dăm gia cố xi măngtheo TCVN 8858:2011 37

2.2.Thí nghiệm đánh giá hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng 39

2.2.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 39

2.2.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo - uốn R ku .40

2.2.3 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E 41

2.3.Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móngđường, nền đường đường ô tô 43

2.4.Lựa chọn bãi đá thải và đánh giá chất lượng của đá thải 44

2.4.1 Lựa chọn bãi đá thải 44

2.4.2 Thí nghiệm xác định thành phần hạt của đá thải 45

2.4.3 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đá thải 47

2.4.4 Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm đá thải để sử dụng làm vật liệu xây

dựng kết cấu mặt đường 48

2.5.Kế hoạch nghiên cứu thực nghiệm 49

2.5.1 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu: 50

2.5.2 Các nội dung nghiên cứu 50

2.5.3 Chế bị mẫu và phương pháp thí nghiệm: 50

2.6.Kết quả thí nghiệm vật liệu thành phần 51

2.6.1 Kết quả thí nghiệm vật liệu đá thải sử dụng trong nghiên cứu 51

2.6.2 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu của tro bay sử dụng trong nghiên cứu 51

2.6.3 Xi măng 52

2.6.4 Nước 53

2.7.Công tác chế bị mẫu và công tác thí nghiệm 53

2.8.Kết quả thí nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm 58

2.8.1 Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén 58

2.8.2 Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ 64

2.8.3 Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi 71

2.8.4 Tương quan thực nghiệm giữa cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi với cường độchịu nén của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng 77

2.9.Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ tro bay đến tính chất cơ lý của hỗn hợp đá thải tro baygia cố xi măng 78

2.9.1 Cấu tạo và cấu trúc của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng 78

2.9.2 Tỉ lệ tro bay hợp lý trong hỗn hợp đá thải, tro bay gia cố xi măng 80

2.10.Kết luận Chương 2 82

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VẬT LIỆU ĐÁ THẢI VÀTRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG ÔTÔ 83

3.1.Quy trình công nghệ khai thác đá làm vật liệu xây dựng ở Việt Nam 83

3.1.1.Tổng quan về quá trình khai thác đá 83

3.1.2.Công tác đào bóc tầng phủ tạo tuyến khai thác 84

3.1.3.Công tác khai đá 85

3.1.4.Công tác gia công vật liệu 86

3.1.5.Thực trạng công tác gia công cốt liệu ở các mỏ đá ở Việt Nam 88

3.2.Công nghệ thu gom và xử lý đá thải 90

3.2.1.Đá thải tại mỏ đá 90

3.2.2.Công tác thu gom và xử lý đá thải 91

3.2.3.Phối trộn và tính toán tỉ lệ phối trộn 95

3.3.Công nghệ sử dụng hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng làm móng đường và

mặt đường ô tô 96

3.3.1.Thiết kế hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng 96

3.3.2.Công nghệ trộn hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng 97

3.3.3.Công nghệ thi công hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng 102

3.3.4.Theo dõi, kiểm soát vết nứt và giải pháp xử lý vết nứt 107

3.3.5.Những lưu ý khi thi công 109

3.4.Kết luận Chương 3 109

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNGHỖNHỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG 111

4.1.Nguyên tắc đề xuất và phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 111

4.1.1.Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường 111

4.1.2.Đề xuất phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 113

4.2.Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường 113

4.3.Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng lớp vật liệu đá thải tro bay gia cố xi măng 115

4.3.1.Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường BTXM có lớp móng bằngvật liệu đá gia cố xi măng 115

4.3.2.Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằngvật liệu đá gia cố xi măng 117

4.3.3.Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng 121

4.4.Thiết kế kiểm chứng với một số kết cấu mặt đường đã đề xuất 125

4.4.1.Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường BTXM đã đề xuất 125

4.4.2.Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường mềm đã đề xuất 132

4.5.Kết luận Chương 4 141

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142 Các công trình đã công bố

Tài liệu tham khảo

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Quy hoạch mạng lưới đường bộ cao tốc ở Việt Nam đến năm 2050 6

Hình 1.2 Công tác khoan nổ mìn sản xuất đá xây dựng 7

Hình 1.3 Hình ảnh công tác xay nghiền và phân loại đá 8

Hình 1.4 Thu hồi tro, xỉ trong nhà máy nhiệt điện 11

Hình 1.5 Kích thước và hình dạng của hạt tro bay [46] 12

Hình 1.6 Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun [3] 18

Hình 1.7 Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi [3] 18

Hình 1.8 Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều [25] 23

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét – keo [30] 24

Hình 2.1 Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng ép chẻ mẫu hình trụ 41

Hình 2.2: Sơ đồ thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi 42

Hình 2.3 Hình ảnh lấy mẫu đá thải tại mỏ Sunway – Quốc Oai – Hà Nội 45

Hình 2.4 Hình ảnh thí nghiệm xác định thành phần hạt của mẫu đá thải 45

Hình 2.5 Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối đá dăm 46

Hình 2.6 Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối thiên nhiên 46

Hình 2.7 Thành phần cấp phối hạt của hỗn hợp đá thải điều chỉnh bằng cách trộn tro bay

47

Hình 2.8 Thành phần hạt của tro bay sử dụng thí nghiệm [46] 52

Hình 2.10 Một số hình ảnh công tác chế bị mẫu 56

Hình 2.11 Hình ảnh công tác bảo dưỡng mẫu 56

Hình 2.12 Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 57

Hình 2.13 Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu ép chẻ 57

Hình 2.14 Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi 58

Hình 2.15 Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố XM 61

Hình 2.16 Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của hỗnhợp

62

Hình 2.17 Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay giacố xi măng 63

Hình 2.18 Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố XM 68

Hình 2.19 Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu ép chẻ củahỗn hợp 69

Hình 2.20 Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay giacố xi măng 69

Hình 2.21 Mô đun đàn hồi của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi 74

Hình 2.22 Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của hỗn hợp

75

Hình 2.23 Các biến ảnh hưởng chính đến mô đun đàn hồi của hỗn đá thải tro bay gia cố

ximăng 75

Hình 2.24 Ảnh mặt cắt mẫu ở hàm lượng XM 5% với các tỉ lệ tro bay khác nhau 80

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ khai thác đá bằng phương pháp lộ thiên [33] 84

Hình 3.2 Tổ chức bóc đất và đổ đất vào đường hào đã lấy vật liệu 84

Hình 3.3 Nổ vi sai theo hàng ngang 85

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo các loại máy nghiền đá khác nhau [23] 86

Hình 3.5 Sơ đồ nghiền với chu kỳ hở và chu kỳ kín [023] 87

Hình 3.6 Sơ đồ sàng [23] 87

Hình 3.7 Sơ đồ trạm nghiền sàng đá phổ biến nhất ở Việt Nam 88

Hình 3.8 Loại trạm nghiền với 3 hàm nghiền và 2 hệ sàng cung cấp cốt liệu 89

với 5 kích cỡ khác nhau 89

Hình 3.9 Loại trạm nghiền với chỉ 2 hàm nghiền, nhưng 3 hệ sàng (hệ sàng sơ bộ chỉ cómột lớp), hệ sàng thứ cấp (số 2 và số 3) được sắp xếp để cung cấp cốt liệu với 4 kích cỡ

89

Hình 3.10 Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi nổ mìn và đường vận chuyển từ bải nổ mìn về

khu vực sản xuất đá mỏ Sunway 90

Hình 3.11 Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi sản xuất mỏ đá Sunway 91

Hình 3.12 Hình ảnh máy nghiền đá mini PE250x400 cấp liệu rung 4m3 và cấp liệu thủcông 93

Hình 3.13 Cấu tạo của máy nghiền côn 94

Hình 3.14 Sơ đồ trạm trộn hỗn hợp BTXM làm việc theo 98

sơ đồ công nghệ một cấp [23] 98

Hình 3.15 Sơ đồ của trạm trộn hỗn hợp BTXM làm việc theo sơ đồ công nghệ hai cấp[23] 99

Hình 3.16 Hình ảnh trạm trộn hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng điển hình 100

Hình 3.17 Máy trộn hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng di động tại đường 101

Hình 3.18 Hình ảnh công tác lu lèn mặt đường đất trộn tro bay gia cố xi măng 107

Hình 4.1 Trình tự phân tích thiết kế kết cấu mặt đường 113

Hình 4.2 - Mô hình tính toán hệ nhiều lớp đàn hồi chịu tải phân bố 133

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C 618 [48] 13

Bảng 1.2 Khối lượng tro, xỉ dự kiến theo quy hoạch điện VII 15

Bảng 1.4 Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun tại Việt Nam [3] 17

Bảng 1.5 Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi tại Việt Nam 19

Bảng 1.6 Thành phần hoá của tro bay NMNĐ sử dụng than nhập ngoại 20

Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm gia cố hỗn hợp đất lẫn đá gia cố tro xỉ [46] 30

Bảng 2.1 Yêu cầu về thành phần hạt của CPĐD gia cố xi măng [4] 37

Bảng 2.2 Yêu cầu về thành phần hạt của CPTN gia cố xi măng [4] 38

Bảng 2.3 Yêu cầu về cường độ của cấp phối gia cố xi măng theo TCVN 8858:2011 43

Bảng 2.4 Yêu cầu về cường độ của cấp phối gia cố xi măng theo TCCS 37:2002/TCĐBVN 44

Bảng 2.5 Một số chỉ tiêu cơ bản của các đá thải mỏ đá Sunway 48

Bảng 2.6 Chỉ tiêu cơ lý lựa chọn đánh giá và tiêu chuẩn tham chiếu 50

Bảng 2.7 Khối lượng mẫu thí nghiệm hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng 51

Bảng 2.8 Thành phần hóa học tro bay sử dụng trong thiết kế hỗn hợp thí nghiệm 52

Bảng 2.9 Các đặc tính vật lý của tro bay sử dụng trong thiết kế hỗn hợp thí nghiệm 52

Bảng 2.10 Các đặc trưng vật lý của xi măng Nghi Sơn 53

Bảng 2.11 Kết quả thí nghiệm xác định độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhấtcủa hỗn hợp đá thải trộn tro bay gia cố xi măng 54

Bảng 2.12 Cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 14 ngày tuổi 58

Bảng 2.13 Cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi 59

Bảng 2.14 Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp giacố 4% xi măng 60

Bảng 2.15 Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp giacố 5% xi măng 60

Bảng 2.16 Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia

cố 6% xi măng 61

Bảng 2.17 Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu nén 62

Bảng 2.18 Cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố XM ở 14 ngày tuổi 65

Bảng 2.19 Cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi

Bảng 2.23 Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu ép chẻ 68

Bảng 2.24 Mô đun đàn hồi của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi 71

Bảng 2.25 Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố4% xi măng 72

Bảng 2.26 Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố5% xi măng 72

Bảng 2.27 Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố6% xi măng 73

Bảng 2.29 Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu ép chẻ 74

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của một số máy nghiền đá mini PEX 93

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của một số máy nghiền côn Hòa Phát 94

Bảng 4.1 Phân cấp quy mô giao thông khi thiết kế mặt đường BTXM 115

Bảng 4.2 Chiều dày tấm BTXM thông thường theo cấp hạng đường 116

Bảng 4.3 Chọn loại lớp móng trên tùy thuộc quy mô giao thông cho mặt đường BTXM 117

Bảng 4.4 Kết cấu áo đường mềm theo tổng lượng trục xe tiêu chuẩn 100 kN tích lũy/1 lànxe trong thời hạn thiết kế 118 Bảng 4.5 Chiều dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 (mặt đường mềm) tùy thuộc quymô

giao thông 119 Bảng 4.6 Kết cấu mặt đường cho đường GTNT 122 Bảng 4.7 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô 124 Bảng 4.8 Kết quả kiểm toán kết cấu mặt đường BTXM đường cấp IV quy mô giao thôngmức trung bình 128 Bảng 4.9 Kết quả tính toán mặt đường BTXM có qui mô giao thông nặng (Đường cấp III)

131 Bảng 4.10 Thông số vật liệu thiết kế mặt đường mềm cho đường ô tô cấp III quy mô giaothông cấp trung bình 136 Bảng 4.11 Kết quả tính toán mặt đường BTXM cho đường ô tô cấp III có qui mô giaothông cấp trung bình 136 Bảng 4.12 Thông số vật liệu thiết kế mặt đường mềm cho đường ô tô cấp II quy mô giaothông cấp nặng 139Bảng 4.13 Kết quả tính toán mặt đường BTN cho đường ô tô cấp II có qui mô giao thôngcấp

nặng 139

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

AASHTO : Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước MỹASTM : Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ

BTXM : Bê tông xi măng

CBR : Chỉ số sức chịu tải (Califomia Bearing Ratio)CPĐD : Cấp phối đá dăm

CPTN : Cấp phối thiên nhiên

CTB : Hỗn hợp gia cố xi măng (Cement Treated Base)

FBC : Công nghệ đốt than tầng sôi (Fluidized Bed Combustion)GTNT : Giao thông nông thôn

GTVT : Giao thông vận tải

SAMI : Lớp hấp thụ ứng suất (Stress Absorbing Membrane Interlayer)

NCS : Nghiên cứu sinhNMNĐ : Nhà máy nhiệt điệnTCCS : Tiêu chuẩn cơ sởTCVN : Tiêu chuẩn Việt NamVLXD : Vật liệu xây dựng

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Kết cấu hạ tầng nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng là nền tảng vậtchất có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế-xã hội của đất nước.Trong thời gian qua, Đảng, Nhà nước và cả xã hội đã dành sự quan tâm lớn cho đầu tưphát triển giao thông vận tải; một số công trình giao thông hiện đại, như đường bộ caotốc, cảng biển quốc tế, cảng hàng không quốc tế, được đầu tư xây dựng đạt tiêu chuẩnkhu vực và quốc tế, góp phần tạo diện mạo mới cho đất nước.

Từ năm 2012-2020, hạ tầng giao thông đường bộ đã được đầu tư xây dựng nhưsau: đã đưa vào khai thác 1.041km đường cao tốc, đang đầu tư xây dựng hơn 160km, tiếptục triển khai các thủ tục để đầu tư xây dựng thêm 654km đường cao tốc Bắc - Nam phíaĐông (theo Nghị quyết số 52/2017/QH14, ngày 22/11/2017 của Quốc hội); 40km đườngcao tốc đoạn thành phố Lạng Sơn - cửa khẩu Hữu Nghị (Đồng Đăng); 92km đường caotốc Vân Đồn - Móng Cái.

Định hướng đến năm 2030: Phấn đấu đến năm 2030, trên 80% các tỉnh/thành phốtrong cả nước đều có đường bộ cao tốc đi qua hoặc kết nối tới trung tâm hành chính và cókhoảng 3.500km - 4.000km đường bộ cao tốc Trong đó, ưu tiên đầu tư đưa vào khai thácthông tuyến đường bộ cao tốc Bắc - Nam từ Lạng Sơn đến Cà Mau, các tuyến đường bộcao tốc trên các hành lang vận tải chủ yếu, các tuyến đường bộ cao tốc cửa ngõ kết nốivới thủ đô Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và các đô thị lớn, các tuyến cao tốc vành đaiđô thị; hệ thống đường bộ Việt Nam đồng bộ về tiêu chuẩn kỹ thuật, kết nối thuận lợi vớihệ thống đường bộ ASEAN, Tiểu vùng sông Mê Công mở rộng và xuyên Á.

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện chiến lược phát triển giao thông đã qua vàđịnh hướng trong những năm tới đã xuất hiện nhiều vấn đề cần giải quyết.

Một trong những vấn đề lớn là tình hình sản xuất vật liệu phục vụ xây dựng.

Đến nay, ngành VLXD đã chuyển sang giai đoạn phát triển bền vững, có quyhoạch, sử dụng hợp lý, hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên, tiết kiệm nguyên nhiênliệu, năng lượng và bảo vệ môi trường, phát triển công nghệ theo hướng hiện đại hóa, sảnxuất xanh.

Đá xây dựng: Với tổng tài nguyên trên 53 tỷ m3 [37] đủ khả năng khai thác phụcvụ cho nhu cầu xây dựng ở Việt Nam trong thời gian hàng trăm năm Tuy nhiên sự phânbố không đều, tập trung chủ yếu ở các vùng núi khó khai thác Trên các tuyến giao thôngđã hình thành hàng loạt các mỏ khai thác với trữ lượng lớn nhỏ khác nhau Có nhiều mỏđã được khai thác từ lâu, tuy nhiên nhiều mỏ cũng mới được khai thác.

Trong quá trình khai thác, thông thường có 15-30% đất đá thải ra trong quá trìnhsản xuất đá các loại (bao gồm đất đá tầng phủ, bột đá, đá kích cỡ khác nhau trong quátrình khai thác và sản xuất ) Với khối lượng hàng chục triệu m3 đá (đáp ứng theo yêucầu kỹ thuật) các loại cần sử dụng thì lượng đá thải ra tại các mỏ rất lớn.

Ngoài vật liệu đá thải, hiện nay một nguồn vật liệu khác cũng đang gây ra nhữngtác động không nhỏ tới môi trường đó là tro bay tại các nhà máy nhiệt điện.

Theo kết quả nghiên cứu của Viện Vật Liệu Xây Dựng, Bộ Xây Dựng, tính đếnnăm 2016, tại Việt Nam có tổng cộng 21 cụm nhà máy nhiệt điện hoạt động, trong đó có10 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than phun, 12 nhà máy sử dụng công nghệ đốt thantầng sôi Tổng công suất nhiệt điện 13.110 MW Theo kết quả điều tra của Viện Vật liệuxây dựng, tổng lượng tro, xỉ phát thải năm 2016 khoảng 15.784.357 tấn, dự kiến đến năm2030 lượng tro, xỉ phát thải khoảng 38.314.500 tấn.

Với lượng tro, xỉ khổng lồ như trên, hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần rấtnhỏ sử dụng trong bê tông đầm lăn, chủ yếu đã sử dụng ở một số nhà máy thủy điện,phần lớn lượng còn lại chưa được nghiên cứu sử dụng gây nên hiện tượng tồn đọng rấtlớn, một mối nguy cơ đối với môi trường.

Với khối lượng lớn, chất thải này có thể gây ra những vấn đề phức tạp liên quanđến các rủi ro về ô nhiễm, chất lượng đất đai và các ảnh hưởng về mỹ quan và đều cótiềm năng gây ra các tác động tới môi trường theo nhiều khía cạnh khác nhau Bao gồm:

- Thay đổi mục đích sử dụng đất hiện tại.

- Phá hủy các môi trường sống tự nhiên do phát quang hay vùi lấp.

- Phát tán bùn cát lắng vào hệ thống thoát nước, xói mòn các đập đất đá thải.- Phát thải các hợp chất hòa tan bao gồm các kim loại nặng và cyanua vào các consông, cửa sông và biển hoặc do thải trực tiếp, ngấm hoặc do chảy tràn từ các nguồn thảitrên.

- Ô nhiễm nguồn nước ngầm do chất thải đào thải ra.

- Phát tán bụi từ các bề mặt khô vào môi trường gây ô nhiễm không khí và ảnhhưởng đến môi trường sống.

- Làm biến đổi hình thái các lưu vực ven sông và các khu vực chịu lũ lụt, do đó cóthể làm cho các tác động của lũ lụt thêm trầm trọng hơn.

Việc nghiên cứu và sử dụng 2 loại vật liệu phế thải này là hết sức cần thiết khôngchỉ sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên mà còn có ý nghĩa phát triển bền vững trongxây dựng.

Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy

nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô” là cần thiết, có tính thời sự và có ý

nghĩa khoa học.

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng đá thải kết hợp với tro bay nhà máy nhiệtđiện gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô và đường GTNT; Nghiên cứu đề xuấtcông nghệ sử dụng đá thải và tro bay gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô và đườngGTNT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là đá thải tại các mỏ đá kết hợp với tỷ lệ tro bay

nhà máy nhiệt điện gia cố với xi măng sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đườngô tô, đường GTNT

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thử nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu cơ

lý của đá thải (ở một mỏ nhất định) kết hợp với tro bay (với các tỷ lệ khác nhau) và gia cốvới xi măng (với các tỷ lệ khác nhau) để tìm ra tỷ lệ hợp lý.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Kiến nghị công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp vật liệu

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào hiện thực hóa chủ trương tiết kiệmtài nguyên thiên nhiên, sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường vàtận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô.

+ Giải quyết vấn đề khan hiếm vật liệu trong xây dựng các công trình giao thông.+ Góp phần giảm giá thành xây dựng khi tận dụng vật liệu phế thải.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆNGIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.1 Đá thải tại các mỏ đá và tình hình sử dụng đá thải trong xây dựng đường ô tô

1.1.1 Hệ thống giao thông đường bộ và nhu cầu vật liệu xây dựng

Kết cấu hạ tầng nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng là nền tảng cơsở vật chất có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của đấtnước Do đó, trong những năm gần đây, Chính phủ Việt Nam luôn quan tâm ưu tiên tăngvốn đầu tư từ nguồn ngân sách để xây dựng một kết cấu hạ tầng giao thông đồng bộ, hiệnđại.

Trong những năm qua, nhiều hình thức huy động vốn đã được Chính phủ chấpthuận và ủng hộ để đầu tư xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông, điển hình là những côngtrình đầu tiên đầu tư bằng hình thức BOT, BT, với tổng mức đầu tư vài chục tỷ đồng.Bước vào thời kỳ đổi mới nền kinh tế, đặc biệt là trong hơn 10 năm qua, sự phát triểnnhanh và ngày càng nâng cao về chất lượng kết cấu hạ tầng giao thông đã thỏa mãn tốthơn nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của xã hội Giao thông vận tải chính là sự kếthợp hữu cơ của kết cấu hạ tầng, phương tiện và tổ chức dịch vụ vận tải Trong đó, kết cấuhạ tầng đóng vai trò quan trọng và cần phải đi trước một bước Chính vì vậy, chủ trươngđầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đã được nêu ra trong Nghị quyết Đại hộiĐảng toàn quốc lần thứ VI, với mục tiêu đến năm 2020 phải đưa nước ta trở thành nướccó nền kinh tế phát triển, theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa; và từ giai đoạn 2021- 2030 đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông tiếp tục là một trong những đột pháchiến lược quan trọng cần ưu tiên đầu tư phát triển, đi trước một bước với tốc độ nhanh,bền vững.

Thực hiện đường lối của Đảng, Nghị quyết của Quốc hội và định hướng phát triểnkinh tế - xã hội 4 vùng trọng điểm, ngày 1/3/2016 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyếtđịnh số 326/QĐ-TTg về Quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốc đến năm 2030 đápứng yêu cầu lâu dài của đất nước Theo đó, triển khai 21 tuyến đường, tổng chiều dài6.411 km, riêng tuyến Bắc Nam và tuyến Bắc Nam phía Đông có tổng chiều dài 2.083km, tuyến phía Tây dài 1.269 km Theo quy hoạch, đến năm 2050 sẽ có 9014km đườngcao tốc với 41 tuyến.

Đến năm 2050 sẽ có 9014km đường cao tốc với 41 tuyến

Hình 1.1 Quy hoạch mạng lưới đường bộ cao tốc ở Việt Nam đến năm 2050

Để thực hiện được nhiệm vụ trên riêng nguồn vật liệu để xây dựng là vô cùng lớn, riêng lượng đá các loại ước tính đến năm 2030 nhu cầu đá xây dựng các loại cần khoảng

Lượng đá trên được khai thác ở hàng trăm mỏ khác nhau mới có thể đáp ứng đượcyêu cầu.

1.1.2 Quy trình khai thác đá tại mỏ

Quy trình khai thác đá tại mỏ gồm các bước sau:

Bước 1: Khoan nổ mìn sản xuất đá xây dựng

- Tiến hành loại bỏ các lớp đất bên trên mỏ đá, tiến hành đặt mìn vào lỗ khoan đãtạo Sau đó nạp mìn vào lỗ khoan, cho nổ mìn phá đá bằng đầu dây có nối vào thiết bịđiều khiển từ xa Sản phẩm thu được là những khối đá tách rời có kích thước khá lớn Dođó nếu trong quá trình nổ các khối đá có kích thước quá lớn phải tiếp tục tiến hành nổ pháđể đá đạt kích thước vừa đủ.

169.250.400 m3, đến năm 2050 nhu cầu đá sẽ là 248.450.400 m3.

Hình 1.2 Công tác khoan nổ mìn sản xuất đá xây dựngBước 2: Xay nghiền và tiến hành phân loại đá

- Đá sau khi được nổ mìn, sẽ ở những kích cỡ to nhỏ khác nhau, thậm chí còn văngra khác xa, lúc này cần dùng máy bốc xúc đá lên xe ô tô để tiến hành vận chuyển đưa vàogiai đoạn nghiền sàng.

- Tiếp đến là giai đoạn phân loại đá, đá được đưa vào dây chuyền sàng tách và phân loại thành những viên đá có kích thước theo tiêu chuẩn từng loại.

Hình 1.3 Hình ảnh công tác xay nghiền và phân loại đá

Thông thường lượng vật liệu khai thác thành phẩm tại các mỏ chỉ chiếm khoảng70- 85% còn lại khoảng 15-30% là lượng đất đá phải cào bóc và rơi vãi trở thành đá thảitùy thuộc vào chiều dày tầng phủ, công nghệ khai thác và chế biến đá Như mỏ đá Rú Dàitại xã Nghi Công Bắc, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An, lượng đá thải khoảng 30,25%(theo số liệu số liệu tại báo cáo đánh giá tác động môi trường của mỏ đá); mỏ đá Lèn 12Thung, xã Trù Sơn, huyện Đô Lương, tỉnh Nghệ An cho thấy lượng tổn thất (đá thải) là33,78% (theo báo cáo đánh giá tác động môi trường của mỏ) Đá thải gồm các loại sau:

- Đất lẫn đá khi cào bóc tầng phủ và nổ mìn, loại phế thải này gồm đất tầng phủ,đá to nhỏ do nổ mìn phá đá tạo nên.

- Loại vật liệu rơi vãi tại bãi sản xuất bao gồm đá nhỏ các loại, bột đá và thậm chícả một lượng nhỏ đất.

Nguồn đá thải tại các mỏ thường tích tụ thành lớp dày tại mặt bằng mỏ hoặc đượcsan ủi thu gom và thành bãi riêng Lượng đất đá thải tại mỏ theo ước tính sẽ hàng chụctriệu m3 Nếu tận dụng được loại vật liệu này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và có ý nghĩalớn về môi trường.

Ảnh hưởng của phế thải đá khi khai thác

- Khai thác đá là một trong những hoạt động sản xuất có tác động tiêu cực tới môitrường trong đó quan trọng nhất là cảnh quan, địa hình, hệ sinh thái khu vực Các giaiđoạn phát triển của dự án có những tác động khác nhau tới môi trường xung quanh Cáctác động môi trường bao gồm những tác động trực tiếp và gián tiếp, ngắn hạn và lâu dài,những tác động tiềm ẩn và tích luỹ, những tác động có thể khắc phục hoặc không thểkhắc phục có tiềm năng lớn gây suy thoái, ô nhiễm môi trường khu vực.

- Những tác động của công tác khai thác đá đến thiên nhiên và môi trường gồm: Các tác động đến môi trường thiên nhiên:

o Ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, nước mặt;o Làm thay đổi địa hình vùng mỏ;

o Phá huỷ cảnh quan thiên nhiên hoang dã;o Giảm diện tích rừng, giảm sự tái sinh;

o Tăng tỷ lệ tử vong và dẫn đến sự di cư của động vật hoang dã.o Gây ra các sự cố về môi trường.

 Những tác động đến môi trường đất:

o Nhiễm bẩn mặt đất do chất thải đất đá;o Thay đổi mục đích sử dụng đất.

 Tác động đến môi trường không khí:o Bụi, khí độc, tiếng ồn;

o Chấn động, đá văng. Tác động đến môi trường nước:

o Ô nhiễm môi trường nước do nước mưa chảy tràn lẫn dầu mỡ, cặn lơlửng bụi đất đá.

 Tác động tới con người:

o Gây nên các bệnh nghề nghiệp như bụi phổi (silico), tim mạch…o Khả năng gây tai nạn lao động.

Tóm lại: Nguồn phế thải tại các mỏ đá rất lớn, đây được coi là nguồn tài nguyên

lớn cần được quan tâm nghiên cứu và sử dụng đặc biệt là trong xây dựng giao thông.Nguồn vật liệu đá để xây dựng ở nước ta rất lớn, nhưng không phải là vô tận Dovậy khai thác có hiệu quả, bền vững góp phần bảo vệ môi trường là một nhiệm vụ quantrong đối với những người làm công tác nghiên cứu về xây dựng đường ô tô.

1.2 Tổng quan về tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam

1.2.1 Nguồn gốc tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than

Tro bay là chất thải của các nhà máy nhiệt điện đốt than Trong quá trình đốt cháythan và các phụ phẩm kèm theo trong buồng đốt sản sinh ra tro, xỉ Các nhà máy nhiệtđiện đốt than đang áp dụng các công nghệ sau: đốt than phun, đốt than tầng sôi tuần hoàn,đốt than tầng sôi áp lực, khí hóa than.

Lò hơi đốt than phun là công nghệ đã rất phát triển và đang là nguồn sản xuất điệnnăng chủ yếu trên thế giới Than được nghiền mịn và được đốt cháy trong buồng lửa lòhơi Nhiệt từ quá trình đốt cháy sẽ gia nhiệt cho nước và hơi trong các dàn ống và thiết bịbố trí trong lò hơi Công nghệ này trong tương lai vẫn sẽ là một lựa chọn ưu thế cho cácnhà máy điện.

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn được phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước.Công nghệ này gần như công nghệ đốt than phun Sự khác biệt là than đốt trong lò tầngsôi có kích thước lớn hơn và được đốt cùng chất hấp thụ lưu huỳnh (đá vôi) trong buồnglửa, hạt than được tuần hoàn trong buồng lửa cho tới khi đủ nhỏ Công nghệ này chophép đốt các nhiên liệu xấu có chất lượng thay đổi trong khoảng rộng, nhiên liệu có hàmlượng lưu huỳnh cao.

Công nghệ tầng sôi áp lực cũng là một công nghệ mới Về mặt cấu tạo, loại lò hơinày phức tạp hơn hai loại lò hơi trên Quá trình cháy cũng giống như lò hơi tầng sôi tuầnhoàn, nhiệt độ buồng đốt vào khoảng 800 – 8500C, áp suất 12-16 bar Khói nóng đượclàm sạch và đưa vào sinh công tuabin khí sau đó cấp nhiệt cho nước - hơi trong lò thu hồinhiệt để chạy tuabin hơi Lò hơi tầng sôi áp lực được kiến nghị áp dụng khi nhiên liệucháy có độ ẩm cao như than nâu Hiệu suất cao, ít phát thải, chi phí vận hành thấp lànhững ưu điểm của công nghệ này Tuy nhiên, cho đến nay tính thương mại của côngnghệ này chưa cao.

Thông thường than sử dụng trong nhà máy nhiệt điện được nghiền nhỏ trộn với cácphụ phẩm công nghệ khác (như bột đá vôi để hấp thụ lưu huỳnh), sau đó hỗn hợp vật liệunày được thổi cùng không khí vào buồng đốt Hỗn hợp nhiên liệu này được đốt cháy sảnsinh ra nhiệt lượng đồng thời tạo ra một dư lượng khoáng chất nóng chảy Quá trình lấynhiệt của lò hơi và làm mát khí thải làm cho một lượng các hạt khoáng chất nóng chảycứng lại tạo thành tro thô rơi xuống đáy lò, các hạt còn lại nhẹ và nhỏ hơn vẫn tồn tạitrong khí thải.

Trước khi khí thải được thải ra không khí, hỗn hợp khí này được đưa qua lò ngưngđể thu hồi bằng các phương pháp khác nhau tùy thuộc vào công nghệ của nhà máy (tĩnhđiện, vải lọc, nước ) Căn cứ vào việc có sử dụng nước hay không sử dụng nước trongquá trình thu hồi và vận chuyển tro, xỉ mà người ta chia làm ba loại: thu hồi khô, thu hồiướt, hoặc kết hợp.

Tro thô được thải ra ở đáy lò thường được gọi là tro đáy hoặc xỉ than, tro được thutại lò ngưng kích thước nhỏ và đồng đều được gọi là tro bay Lượng tro và xỉ rất lớn,chiếm khoảng 30% đến 35% lượng than sử dụng Trong đó lượng tro bay chiếm khoảng65 – 95%, lượng tro đáy chiếm khoảng 5 – 35% tùy thuộc vào công nghệ đốt, loại than sửdụng [1] Hình 1.4 thể hiện sơ đồ quá trình hình thành và thu hồi tro đáy và tro bay tạinhà máy nhiệt điện.

Nguồn: Japan Fly Ash Association

Hình 1.4 Thu hồi tro, xỉ trong nhà máy nhiệt điện

1.2.2 Các đặc trưng của tro bay

1.2.2.1 Thành phần hóa học của tro bay

Tro bay của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quátrình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá Hầu hết các loại tro bayđều có thành phần là các hợp chất silicat bao gồm các oxit như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2,MgO, CaO, … với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàmlượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, …

1.2.2.2 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau,các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau (Hình 1.5).Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng Thông thường các hạttro bay hình cầu, rắn được coi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trongrỗng có khối lượng riêng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng Một trong các dạngthường thấy

ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác.

Kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớnvà các hạt nhỏ

Đặc trưng dạng cầu của các hạt trongkhoảng kích thước thường thấy nhiều

Hình 1.5 Kích thước và hình dạng của hạt tro bay [46]

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0- 2,5 g/cm3 có thể cảithiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng, độ bền nén.

1.2.2.3 Phân bổ kích thước hạt của tro bay

Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định khả năng ứng dụng củanó Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, điều kiện đốt và phương pháp thuhồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong tro bay khác nhau Tro bay có kích thước hạtnằm trong khoảng 10 – 350 m, phân đoạn có đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷtrọng lớn [46].

1.2.3 Phân loại tro bay

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618 Theocách phân loại này thì tùy thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phần làmhai loại C và F như sau:

Bảng 1.1 Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C 618 [48]

CÁC YÊU CẦU THEO TIÊU CHUẨNASTM C618

Đơn vịLớn nhất/Nhỏ nhất

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Yêu cầu vật lý

Độ mịn, lượng sót trên sàng 45μm (No m (No

Yêu cầu vật lý không bắt buộc

Yêu cầu về độ đồng nhất

Kiểm soát ASR

Trương nở, % xi măng có tính kiềm thấp % Lớn nhất 100 100

Tính kháng sun phát

Tro loại C thường có nguồn gốc từ đốt than non hoặc than á bitum Tro bay loại Cchứa tổng hàm lượng canxi, được biểu thị bằng canxi oxit (CaO), lớn hơn 10% Hầu hếtcanxi trong tro bay loại C dưới dạng silicát và/hoặc aluminát, khi gặp nước sẽ xảy raphản ứng thủy hóa giống như phản ứng thủy hóa của xi măng Pooc lăng Một lượng vôitự do được tạo ra trong quá trình thủy hóa, như là thủy hóa trong xi măng Pooc lăng Vôitự do này có thể tham gia vào quá trình phản ứng thủy hóa giữa silicát và/hoặc aluminátđược giải phóng từ sét hoặc silicát và aluminát từ tro bay, mà không được tổ hợp với canxi Mặt khác, tro bay loại C có nhiều pozzolan nguyên chất, với một hàm lượng thấp phùhợp với canxi.

Tro bay loại F thường có nguồn gốc từ đốt than bitum hoặc than antraxit và hàmlượng CaO tối đa 10% Khi sử dụng tro bay loại F, nên kết hợp với chất kết dính vô cơkhác như vôi hoặc xi măng.

Theo TCVN10302: 2014, phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông và vữa ximăng, được phân loại như Bảng 1.2.

Bảng 1.2 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây [14]

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO% khối lượng, không nhỏ hơn2 + Al2O3 + Fe2O3, FC

Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnhtính quy đổi ra SO3, % khối lượng, không lớn hơn

333 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % khối

lượng, không lớn hơn

24 Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối

-lượng, không lớn hơn

5*55 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), %khối lượng, không lớn hơn F

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: lĩnhvực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấpnhận.

Yêu cầu và phân loại tro bay theo TCVN10302: 2014 và ASTM C618 về cơ bản làgiống nhau Tại TCVN10302: 2014, nhằm tận dụng tối đa nguồn tro bay trong nước củaViệt Nam cũng như tiếp thu thành tựu các nước phát triển, đã quy định chi tiết với cáccông

trình cụ thể từ đó cho phép các lĩnh vực không có yêu cần cao về cường độ khoảng chấpnhận lớn hơn về các thành phần bất lợi ví dụ như hàm lượng MKN.

1.2.4 Tình hình vật liệu tro bay tại Việt Nam

Theo kết quả nghiên cứu của Viện Vật Liệu Xây Dựng, Bộ Xây Dựng, tính đếnnăm 2016, tại Việt Nam có tổng cộng 21 cụm nhà máy nhiệt điện hoạt động, trong đó có10 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than phun, 12 nhà máy sử dụng công nghệ đốt thantầng sôi Tổng công suất nhiệt điện 13.110 MW Theo kết quả điều tra của Viện Vật liệuxây dựng, tổng lượng tro, xỉ phát thải năm 2016 khoảng 15.784.357 triệu tấn [31].

Theo [38], [3], lượng tro, xỉ các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam phát sinhtrong thời gian tới có thể ước tính như thể hiện trong Bảng 1.2.

Bảng 1.2 Khối lượng tro, xỉ dự kiến theo quy hoạch điện VII

Tổngcông suất

Trong đó Khối lượng tro, xỉ thải một số nămtheo Quy hoạch điện VII, tấn/nămNhiệt

điện đốtthan tầng

sôi, MW

Nhiệt điệnđốt thanphun, MW

Lò hơiđốt tầng

1.2.5 Tính chất của tro bay nhiệt điện đốt than ở Việt Nam

Tính chất của tro bay nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) chủ yếu phụ thuộc vào tínhchất nguồn than đốt và công nghệ đốt than Các NMNĐ ở Việt Nam hiện nay áp dụng hailoại công nghệ đốt than là công nghệ đốt than phun và công nghệ đốt than tầng sôi tuầnhoàn Trong đó, NMNĐ có công nghệ đốt than phun là phổ biến Theo [38], đến năm2020 và 2030, công nghệ đốt than tầng sôi nước ta chỉ chiếm khoảng 10% tổng công suấtNMNĐ than Do đặc điểm công nghệ khác nhau nên tro bay các NMNĐ theo hai loạicông nghệ đốt than này cũng rất khác nhau.

Tro bay của NMNĐ công nghệ đốt than phun được hình thành do các quá trình

đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 1400-1500oC, gồm các hạt bị nóng chảy vàcác hạt than không cháy Phần vật liệu bị nóng chảy khi được làm lạnh nhanh tạo ra cácpha thủy tinh Do đó, tro bay gồm hỗn hợp của pha thủy tinh (vô định hình) và pha tinhthể,

trong đó pha thủy tinh chiếm chủ yếu (60 - 90) % Tro bay gồm phần lớn là các hạt hìnhcầu dạng pha thủy tinh, các hạt này có thể là hạt cầu rỗng (chứa nhiều hạt cầu con trongnó) hoặc là các hạt cầu đặc.

Các NMNĐ đốt than phun tại Việt Nam hiện nay hầu hết sử dụng than khu vựcQuảng Ninh (trừ hai NMNĐ Formosa) Qua kết quả nghiên cứu của Viện Vật liệu xâydựng, tro bay NMNĐ đốt than phun sử dụng than khu vực Quảng Ninh có các đặc điểmsau:

- Tổng hàm lượng các oxit chính (SiO2+Al2O3+Fe2O3) lớn ~ 90% (thành phầnkhông tính lượng MKN);

- Hàm lượng SO3, CaO tự do trong các mẫu tro bay đều thấp, nhưng hàm lượngkiềm quy đổi (Na2Otđ) tương đối cao, trong khoảng (2 - 4) %.

- Tro bay của các NMNĐ có hàm lượng MKN cao, dao động trong khoảng 30)%, tùy thuộc vào mỗi nhà máy Có thể thấy, chỉ tiêu này của tro bay Việt Nam cókhoảng dao động lớn và phổ biến ở mức cao hơn so với mức cho phép để sử dụng cho ximăng, bê tông Đây là tính chất bất lợi làm hạn chế rất lớn đến việc sử dụng tro bay trongthực tế tại Việt Nam trong thời gian vừa qua Lý do chủ yếu làm hàm lượng MKN trongtro cao là do than khu vực Quảng Ninh là loại than antraxit có hàm lượng chất bốc thấp(4-8)%, khó cháy, hàm lượng tro cao nên các NMNĐ hiện nay đang khó khăn trong việcđốt triệt để với loại than này.

(5 Các hạt tro bay hình cầu, ít lỗ xốp, xen lẫn là các hạt than chưa cháy hết xốp, góccạnh;

- Các tính chất kỹ thuật phù hợp với tro bay loại F trừ chỉ tiêu hàm lượng MKN củamột số NMNĐ cao quá mức quy định.

Bảng 1.4 thể hiện tính chất tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun sử dụngthan khu vực Quảng Ninh tại Việt Nam Hình 1.6 thể hiện dạng hạt tro bay điển hình củaNMNĐ đốt than phun tại việt Nam.

Bảng 1.4 Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun tại Việt Nam

Kết quảNghi

Sơn 2 Uông Bí Quảng Ninh

Hải Phòng1

Tổng hàm lượng cácôxit (SiO2, Al2O3,

3 Hàm lượng Cao tự do % <0,008 <0,008 <0,008 <0,0084 Hàm lượng kiềmNaO

- Ở tuổi 7 ngày- Ở tuổi 28 ngày

80,185,3

Hình 1.6 Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun [3]

Tro bay của NMNĐ theo công nghệ đốt than tầng sôi (FBC) được hình thành do

quá trình đốt than đã được nghiền ở nhiệt độ khoảng 800-900oC Các hạt tro bay thu đượclà thành phần trong than không cháy hoặc chưa cháy Do đốt ở nhiệt độ thấp (800-900)oCnên phần lớn phần vật liệu không cháy trong than chưa bị nóng chảy, đó là các khoángchiếm lượng lớn trong tro bay như khoáng quazt, khoáng chứa Al2O3, hợp chất sắt oxít,hợp chất CaO Chính vì vậy các hạt tro bay FBC có hình dạng góc cạnh, không phải hìnhcầu như tro bay theo công nghệ đốt than phun Ngoài ra, các hạt tro bay FBC có tỷ diệnbề mặt lớn, kết dính với nhau và độ xốp giữa các hạt lớn Về thành phần hóa, do bột đávôi thường được phun vào trong quá trình đốt than để giảm lượng SO2 trong khí thải, dovậy trong tro bay FBC thường có hàm lượng SO3, CaSO4, CaCO3, CaO lớn hơn so với trobay công nghệ đốt than phun với cùng loại than đốt Hình 1.7 thể hiện hình dạng hạt trobay điển hình của NMNĐ công nghệ đốt than tầng sôi tại Việt Nam.

Hình 1.7 Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi [3]

Qua nghiên cứu đánh giá của Viện Vật liệu xây dựng [32], có thể thấy tính chấtcủa tro bay FBC chủ yếu phụ thuộc vào loại than đốt Bảng 1.5 thể hiện tính chất tro bayđiển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi tại Việt Nam Tro bay FBC tại Việt Nam có thểchia thành ba nhóm với các đặc tính như sau:

- Các mẫu tro bay FBC của NMNĐ sử dụng nguồn than khu vực Quảng Ninh làCẩm Phả, Mạo Khê, Sơn động: có tính chất tương đương nhau cơ bản phù hợp với yêucầu của tro bay loại F theo TCVN 10302:2014 ngoại trừ chỉ tiêu lượng nước yêu cầu lớnhơn mức cho phép;

- Tro bay FBC của NMNĐ sử dụng than khu vực Thái Nguyên: có hàm lượngcanxi oxít (CaO) lớn hơn 10%; tổng hàm lượng oxít (SiO2+Al2O3+Fe2O3) thấp ~ 45%(tính cả lượng MKN) hoặc ~ 61% (nếu loại bỏ lượng MKN); hàm lượng MKN, hàmlương SO3, hàm lượng vôi tự do cao hơn mức cho phép đối với tro bay cho bê tông;

- Tro bay FBC của NMNĐ sử dụng than Na Dương - Lạng Sơn: có hàm lượngCaO lớn hơn 10%, tổng hàm lượng oxít (SiO2+Al2O3+Fe2O3) ở mức trung bình ~ 66%,hàm lượng SO3, hàm lượng vôi tự do cao hơn mức cho phép đối với tro bay cho bê tông;Tro bay NMNĐ Na dương có thành phần gần với tro bay loại C theo TCVN 10302:2014nhưng các chỉ tiêu SO3 và MKN cao hơn mức cho phép của tiêu chuẩn này.

Bảng 1.5 Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi tại Việt Nam

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị

Kết quả

Mạo Khê Sơn Động Cao Ngạn Na Dương1 Tổng hàm lượng

các ôxit SiO2,Al2O3, Fe2O3

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị

- Ở tuổi 7 ngày- Ở tuổi 28 ngày

Đối với NMNĐ ở Việt Nam dùng than nhập khẩu, hiện nay mới có hai nhà máy

của công ty Formosa (Đài Loan) là nhiệt điện Formosa Nhơn Trạch (Đồng Nai) và nhiệtđiện Formosa Vũng Áng (Hà Tĩnh) với tổng công suất 4 tổ máy đang vận hành là600MW (150 MW/tổ máy) sử dụng than bitum nhập khẩu từ Inđonexia và Nga Tro baycủa NMNĐ Formosa có tính chất phù hợp tro bay loại F theo ASTM C618 Hiện nay, trobay của NMNĐ này được đóng thành bao và tiêu thụ cho sản xuất vật liệu xây dựng vớikhối lượng khoảng 40.000-60.000 tấn/năm Ngoài hai NMNĐ Formosa, các NMNĐ dùngthan nhập khẩu ở nước ta đang hoặc có kế hoạch xây dựng, chưa vận hành.

Bảng 1.6 Thành phần hoá của tro bay NMNĐ sử dụng than nhập ngoại

Loại trobay

0,2-Tóm lại: Với khối lượng tro bay thải ra rất lớn của các nhà máy nhiệt điện than thì

việc tận dụng lượng chất thải này làm vật liệu xây dựng là biện pháp triệt để và duy nhất.Mặc dù hiện nay tro bay đã được sử dụng ở một số lĩnh vực như sử dụng xỉ làm gạch vàtro bay làm chất độn trong sản xuất bê tông đầm lăn Tuy nhiên việc sử dụng còn rất hạnchế, số lượng ít Chính vì vậy rất cần các nghiên cứu để có thể sử dụng làm vật liệu xâydựng đường giao thông.

1.3 Lý thuyết về sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựngmặt đường ô tô

1.3.1 Khái niệm chung về gia cố vật liệu

Quá trình tác động vật lý và cơ học do nghiền nhỏ cốt liệu, trộn và đầm nén để tạokhả năng tiếp xúc chặt chẽ giữa các hạt đất, đá cũng như các chất trộn thêm vào Kết quảcủa quá trình này là làm tăng thêm một cách đáng kể cường độ kháng nén, kháng uốn vàchỉ tiêu CBR, những đặc trưng cơ bản có lợi trong thi công xây dựng đường Các chấtliên kết vô cơ điển hình như xi măng, vôi, puzoland… khi đưa vào trộn gia cố với cấpphối vật liệu đất đá thải sẽ xảy ra những tương tác về hóa lý giữa chúng, kết quả làm thayđổi về chất một cách cơ bản Tính chất cơ lý và độ chặt của nó được cải thiện, làm tăngkhả năng ổn định với nước và hạn chế những tác động có hại trong môi trường Tuynhiên hiệu quả gia cố chỉ lớn nhất với điều kiện là chọn đúng chất liên kết phù hợp vớinhóm đất hay nhóm vật liệu hạt cần gia cố Đồng thời chất liên kết phải được phân bốđồng đều kết hợp đầm nén và ở độ ẩm tốt nhất.

Hỗn hợp vật liệu sau khi gia cố tạo ra một loại vật liệu mới thường có cường độlớn hơn và ổn định với nước hơn so với vật liệu chưa gia cố Khi các phương tiện thamgia giao thông qua lại trên đường sẽ không tạo nên những biến dạng rõ rệt, đồng thời cótính dính kết và cường độ cao ở trạng thái khô cũng như khi bão hòa nước Khả năng ổnđịnh vật liệu được gia cố trong xây dựng đường sẽ cao hơn, không bị tan rã trong nước vàtính trương nở ít, độ hút ẩm nhỏ hơn đáng kể khi chưa gia cố.

Mức độ thể hiện những tính chất nói trên có thể dao động trong một phạm vi nhấtđịnh và còn tùy thuộc phương pháp gia cố cũng như thuộc tính của vật liệu đưa vào giacố Ngoài ra còn phải kể thêm đến tính chất của vật liệu và các hợp chất hóa học hoặcphụ gia khác cho thêm vào vật liệu gia cố.

Kết quả nghiên cứu nhiều năm và nhiều mặt trong lĩnh vực gia cố vật liệu hạt nóichung phản ánh ở các tài liệu khác nhau đều chứng tỏ rằng các quá trình biến cứng vàhình thành cấu trúc cơ học của vật liệu gia cố bị chi phối bởi thành phần hạt, thành phầnkhoáng hóa của nó [2].

Tùy theo thành phần, nguyên nhân hình thành và điều kiện cấu trúc tầng lớp củavật liệu hạt, trong lỗ rỗng của đất, có thể hình thành môi trường a xít, trung hòa hoặckiềm được đặc trưng bằng chỉ tiêu PH Đối với sự biến cứng môi trường tốt nhất có thể sẽkhác

nhau ứng với các loại chất liên kết khác nhau Thành phần và tính chất của chất liên kếthoặc phụ gia được dùng khi xử lý gia cố sẽ có ảnh hưởng lớn đến kết quả gia cố vật liệu

Cho phép dùng đất có tính dính (đất sét loại nhẹ, á sét, á cát có nguồn gốc bồi tích,tàn tích), đất lẫn sỏi sạn và đất sỏi ong có thành phần hạt phù hợp với yêu cầu nêu ở trên,đất Bazan, đất cát các loại để gia cố [26].

Đất hữu cơ chỉ được phép dùng để gia cố khi hàm lượng hữu cơ chứa trong đấtkhông quá 6% khối lượng, đất có phản ứng chua (pH nhỏ hơn 4,0) có thể dùng để gia cốbằng xi măng nhưng phải khử chua bằng vôi.

Đất chứa các muối hòa tan chỉ được dùng để gia cố khi hàm lượng các muốiclorua, sunfat clorua không quá 4% tính theo khối lượng Đất có chứa muối sunfat chỉđược dùng để gia cố khi lượng muối không quá 2% [29].

1.3.2 Sự hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ

Vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ là hình thức trộn đều vật liệu được làm nhỏ,chất kết dính vô cơ và nước theo một tỷ lệ nhất định trong thiết bị hoặc ở hiện trường, sauđó được rải và lu lèn đến độ chặt yêu cầu tạo thành các lớp vật liệu móng mặt đường.Cường độ của vật liệu gia cố sẽ tăng theo thời gian để đạt được cường độ thiết kế yêucầu.

Chất kết dính vô cơ thường được sử dụng là các chất kết dính quen thuộc như ximăng, vôi thủy hoặc các phế liệu công nghiệp Thành phần chủ yếu của các chất kếtdính vô cơ thường có SiO2, Al2O3 và CaO dưới dạng tinh thể và vô định hình Các ôxítnày là thành phần quyết định các chỉ tiêu chính của chất kết dính cũng như hỗn hợp vậtliệu gia cố vì vậy người ta thường dùng biểu đồ tam giác (với ba cạnh là CaO, SiO2, vàAl2O3) để so sánh các chất kết dính vô cơ như Hình 1.8

Hình 1.8 Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều [25]

Chất kết dính rắn trong nước (liên kết thủy hóa): là những khoáng vật kết hợp vớinước tạo thành một loại vữa ngưng kết, đông cứng trong nước và trong không khí Khiphản ứng với nước, chúng tạo thành những thành phần thuỷ hoá ổn định, rất ít tan trongnước, có lực liên kết tốt giữa bản thân chúng và giữa chúng với các hạt đất, hình thànhdần cường độ của hỗn hợp gia cố chất kết dính vô cơ Đôi khi để tăng liên kết cần phảitrộn thêm chất xúc tác thường là một bazơ mạnh Các chất này thường là các loại ximăng, vôi thuỷ, tro bay sunfat – vôi, xỉ lò cao

Sự hình thành cường độ và tính ổn định nước của hỗn hợp vật liệu hạt gia cố chấtliên kế vô cơ phụ thuộc nhiều vào thành phần khoáng của vật liệu hạt, phương pháp giacố, các phản ứng xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các chất kết dính với vật liệu khoáng vàquá trình trao đổi ion giữa chúng.

Trong vật liệu hạt thường tồn tại khoáng vật nguyên sinh và khoáng vật thứ sinh.Khoáng vật nguyên sinh là sản phẩm hình thành do đá bị phong hóa vật lý, khoáng vậtthứ sinh là sản phẩm hình thành do khoáng vật nguyên sinh bị phong hóa hóa học Quátrình phong hóa hóa học tạo nên sản phẩm khoáng thứ sinh có tính chất hoàn toàn khác sovới khoáng nguyên sinh ban đầu như các khoáng vật sét, các ô xít nhôm, ô xít sắt

Trong quá trình gia cố các khoáng vật nguyên sinh chỉ đóng vai trò của khung cốtliệu mà không tham gia vào quá trình trao đổi ion hay tương tác hóa học với các chất kết

dính, các khoáng vật thứ sinh ảnh hưởng lớn đến sự hình thành cường độ của hỗn hợp giacố Ví dụ như CaSO4 tồn tại trong hỗn hợp sẽ gây tác dụng xấu vì thể tích tăng rất lớn khigặp nước dẫn đến phá hoại kết cấu vật liệu gia cố; nhìn chung sự tồn tại của các khoángNa2SO4.10H2O, MgSO4.7H2O, sẽ bất lợi cho hỗn hợp vật liệu hạt gia cố.

Các hạt sét – keo (hạt keo có kích cỡ dưới 10-4mm) cho dù có các nguyên nhânhình thành khác nhau thì khi ẩm đều thể hiện một số đặc trưng của một hệ phân tán keosét Hỗn hợp vật liệu hạt có tỷ lệ hạt sét – keo càng lớn (>30% khối lượng) thì quá trìnhhóa keo đặc biệt rõ rệt Ở trạng thái ẩm ướt, sét là hệ phân tán trong đó các hạt khoáng làpha phân tán, còn dung dịch chứa trong lỗ rỗng giữa các hạt là môi trường phân tán Bấtkỳ một hệ phân hạt phân tán nào cũng có năng lượng bề mặt nhất định (năng lượng thừaở bề mặt do lực hút tương hỗ của các phân tử trên bề mặt không được sử dụng hết cho sựdính kết phân tử) được đo bằng tích số giữa sức căng bề mặt ở ranh giới hai pha (cứng vàlỏng) với trị số tổng diện tích bề mặt của tất cả các hạt phân tán Năng lượng bề mặt củahỗn hợp được tạo ra chủ yếu là do tổng diện tích hay là tỷ diện của hạt Năng lượng nàycó thể hút và giữ chặt các phân tử và các hạt keo của những chất khác từ môi trường hoặclỗ rỗng xung quanh Hiện tượng hút bề mặt này gọi là sự hấp phụ và các vật chất đượcnghiền nhỏ trở thành có tính hấp phụ Đất chứa nhiều hạt nhỏ (sét – keo) và được nghiềnnhỏ sẽ có khả năng hấp phụ các phân tử liên kết được trộn thêm vào Khả năng hấp phụcó thể gồm: khả năng hút cơ học, khả năng hút vật lý, khả năng hút hóa học, khả năng húthóa học (Hình 1.9).

Môi trường khuếch tán D

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét – keo [30]

Các hạt sét keo có mang điện nên chúng không đơn thuần là những vật chất vilượng mà là các hạt có cấu trúc mang điện phức tạp như Hình 1.9 và do đó chúng có khảnăng trao đổi ion với phân tử của các chất khác có trong dung môi của hệ phân tán Lớpkhuếch tán càng dày thì đất càng phân tán dẫn đến tính chất cơ lý của đất càng kém (tínhdẻo, tính nở co và ép co của đất tăng nên) Tại lớp khuếch tán C, vùng càng xa bề mặt lựchút tĩnh điện từ lõi càng giảm tạo ra khả năng trao đổi ion+ (cũng gọi là khả năng hút hóalý) với môi trường xung quanh Sự trao đổi này dẫn đến bề dày lớp khuếch tán thay đổivà làm thay đổi tính chất cơ lý của lớp vật liệu thay đổi Lợi dụng sự trao đổi ion+ nhằmlàm giảm bề dày lớp khuếch tán là một trong các nguyên lý gia cố vật liệu Khả năng traođổi ion có thể xếp theo thứ tự sau: Fe+++ > Al+++ > H+ > Ba++ > Ca++ > Mg++ > NH4+ > K+ >Na+[26].

1.3.3 Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng

Đối với bê tông xi măng hay vữa xi măng thì cường độ được hình thành chủ yếunhờ sự biến cứng của các sản phẩm do sự thủy hóa của xi măng (tạo ra bộ khung đá ximăng liên kết cứng các hạt) Trong khi đó đối với phần lớn hỗn hợp vật liệu hạt gia cố ximăng thì sự thủy hóa của xi măng lại xảy ra tại lỗ rỗng của hỗn hợp, trong một môitrường hoạt tính có các cốt liệu mịn phân tán và có thành phần khoáng hóa khác nhau;điều này dẫn đến sự tồn tại tương tác giữa các sản phẩn thủy hóa của xi măng (nhưCaO.SiO2.nH2O hoặc Ca(OH)2) với các thành phần cốt liệu mịn có trong hỗn hợp [2].

Vì tỷ diện của xi măng và thành phần cốt liệu mịn đều rất lớn nên quá trình tươngtác hóa lý (trao đổi ion) và hóa học diễn ra mạnh Điều này dẫn đến việc hấp phụ các ionCa++ của xi măng làm giảm bề dày lớp khuếch tán và các hạt cốt liệu mịn được liên kếtchặt lại với nhau làm tăng cường độ của hỗn hợp; nhưng mặt khác bản thân các sản phẩmthủy hóa của xi măng bị mất vôi khiến cho cường độ liên kết của bản thân xi măng giảmxuống, quá trình biến cứng chậm lại (chú ý quá trình biến cứng bình thường của xi măngchỉ xảy ra trong điều kiện dung dịch được bão hòa canxi), cấu trúc kết tinh kém vữngchắc hơn so với vữa xi măng hoặc bê tông xi măng Có thể tổng kết được sự hình thànhcường độ hỗn hợp gia cố xi măng gồm hai quá trình:

Trong giai đoạn đầu xi măng trộn trong đất được thủy hóa nhờ nước trong lỗ rỗngsẽ tạo các sản phẩm thủy hóa, các sản phẩm này biến cứng tạo cường độ cho hỗn hợp.

Trong giai đoạn tiếp theo sẽ xảy ra sự tương tác hóa lý và hóa học của cốt liệu mịntrong hỗn hợp với các sản phẩm thủy hóa của xi măng.

Kết quả của hai qua trình trên tạo ra cấu trúc kết tinh có cường độ cao cho hỗn hợpgia cố xi măng Cường độ này không chỉ phụ thuộc vào mác xi măng, tỷ lệ, loại xi măngmà còn phụ thuộc vào các tính chất như độ phân tán, thành phần hạt, thành phần khoánghóa, hàm lượng các muối hòa tan, hàm lượng mùn hữu cơ và độ pH trong hỗn hợp vậtliệu gia cố.