Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Văn Quang (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Bùi Đức Vinh ……… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Bùi Phương Trinh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 04 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch hội đồng: PGS.TS Nguyễn Ninh Thụy

2 Thư ký hội đồng: TS.Võ Việt Hải

3 Phản biện 1: TS Bùi Phương Trinh

4 Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh 5 Ủy viên hội đồng: TS Vũ Quốc Hoàng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

-

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày tháng năm sinh: 26/09/1998 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

- Tổng quan về vấn đề phát thải tro xỉ và tác động đến môi trường

- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông hàm lượng cao bay cao - Cơ sở khoa học nâng cao cường độ tuổi sớm cho HVFC

- Lựa chọn hàm lượng vôi, silicafume, phụ gia phức hợp ba thành phần hợp lý - Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao HVFC

- Nghiên cứu độ bền và cấu trúc của bê tông hàm lượng tro bay cao HVFC - Kết luận, kiến nghị và công bố khoa học

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/06/2022

TS LÊ VĂN QUANG TS BÙI ĐỨC VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Kính thưa các quý thầy cô!

Như vậy học kỳ cuối cùng trong chương trình đào tạo thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa đã đến Hai năm được học tập dưới mái trường này, tôi đã có rất nhiều kỉ niệm, những điều tôi đã học được và đặc biệt là những bài giảng, những kiến thức quý báu mà thầy cô đã truyền đạt, tôi sẽ luôn trân trọng và không bao giờ quên Những kiến thức dạy bảo của thầy cô sẽ là những hành trang vô cùng quý báu, là kim chỉ nam cho hành động, công việc của tôi trong tương lai

Thực hiện Luận văn Thạc sĩ là cơ hội để tôi chứng minh và thể hiện lại những kiến thức mà mình đã được dạy bảo và tiếp thu trong thời gian học tập vừa qua Điều này sẽ giúp tôi nắm rõ hơn kiến thức lý thuyết đã học trên lớp cũng như giúp tôi trang bị thêm những kiến thức thực tế hữu ích, làm hành trang quý báu cho công việc sau này

Để hoàn thành được Luận văn Thạc sĩ này, tôi rất biết ơn vì đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ từ thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh và anh chị em đồng nghiệp trong Phân viện Vật liệu Xây dựng Miền Nam đã chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong những năm học thạc sĩ để tôi có một nền tảng vững chắc và ngày càng hoàn thiện kiến thức hơn, cảm ơn các bạn sinh viên và học viên cao học trường đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Văn Quang, TS Bùi Đức Vinh và TS Vũ Việt Hưng, ba người thầy đã dành thời gian, tâm huyết để chỉ dạy và truyền đạt những kinh nghiệm bổ ích trong suốt quá trình thực hiện luận văn, giúp tôi có một hướng đi đúng đắn và là cơ sở để hoàn thành được luận văn của mình

Bên cạnh đó, tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những chỗ dựa vững chắc đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ và ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua

Luận văn thạc sĩ được thực hiện bởi sự hướng dẫn tận tình của quý thầy cô và những nổ lực không ngừng của bản thân, tuy nhiên do kiến thức vẫn còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những góp ý quý báu của quý thầy cô trong hội đồng để tôi có thể tiếp thu và hoàn thiện bản thân mình hơn Một lần nữa, tôi xin gửi đến quý thầy cô, anh chị và các bạn học viên lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn chân thành nhất.

TÓM TẮT

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng bền vững nhất về mặt sản xuất và bảo trì so với các vật liệu xây dựng khác, nhưng ngành bê tông không bền vững bởi vì sản lượng khổng lồ của nó và thậm chí nhu cầu ngày càng tăng trên toàn thế giới Nguyên nhân chính là xi măng, thành phần chính trong bê tông, phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và chiếm khoảng 7% tổng khí thải trên toàn thế giới Chính vì vậy, xu hướng phát triển hiện nay là các loại bê tông “xanh”, gần gũi với môi trường được ưu tiên nghiên cứu Bê tông “xanh” phát triển bền vững hoặc hay được định nghĩa là bê tông có tác động môi trường thấp hơn bê tông thông thường Bê tông hàm lượng tro bay cao “High Volume Fly Ash Concrete” (HVFC), được biết đến là hàm lượng thay thế xi măng portland của tro bay (FA) trên 50% Nó khác hoàn toàn với bê tông hệ geopolymer có thể thay thế tro bay 100%, HVFC không yêu cầu bảo dưỡng nhiệt, không đòi hỏi sử dụng kiềm cao, đó là một ưu điểm so với bê tông geopolymer trong ngành xây dựng Tuy nhiên HVFC có nhược điểm lớn đó là phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm hạn chế tính ứng dụng của loại bê tông này Trong đề xuất của nghiên cứu này, mục đích sử dụng hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng Portland từ 60, 70, 80% để chế tạo bê tông cho mục đích kết cấu Thúc đẩy sự phát triển cường độ sớm cho loại bê tông này ngoài những biện pháp truyền thống sử dụng xi măng OPC có hàm lượng C3A cao, hạ thấp tỷ lệ nước/ bột Trong nghiên cứu này, sử dụng bổ sung vôi Ca(OH)2 hợp lý; silica fume và phụ gia tăng tốc 3 thành phần Natri Thiocyanate (NaSCN), Diethanolamine (DEA), Glycerol (Gly) Loại bê tông (thay thể ở 80% tro bay) đáp ứng được các tính chất cơ học như: cường độ nén đạt tối thiểu 40 MPa (28 ngày), uốn, nén chẻ, mô đun đàn hồi và độ co ngót khô Ngoài ra các tính chất về độ bền của bê tông cũng được xem xét như: cacbonat hóa, bền trong môi trường xâm thực sunfat và clorua Bê tông HVFC có tính chất hoàn toàn vượt trội so với cùng loại bê tông sử dụng 100% xi măng OPC và nó được coi là loại bê tông xanh, bê tông tính năng cao, một giải pháp phát triển bền vững cho ngành công nghiệp bê tông

ABTRACT

Concrete is one of the most sustainable building materials in terms of production and maintenance compared to other building materials, but the concrete industry is not sustainable because of its huge production and even daily demand increasing worldwide The main reason is that cement, the main ingredient in concrete, emits CO2, which causes the greenhouse effect and accounts for about 7% of all emissions worldwide Therefore, the current development trend is that "green" concrete types, close to the environment, are prioritized for research “Green” concrete is sustainable or commonly defined as concrete that has a lower environmental impact than conventional concrete High Volume Fly Ash Concrete (HVFC), known as fly ash (FA) replacement portland cement content, is above 50% It is completely different from geopolymer concrete that can replace 100% fly ash, HVFC does not require heat curing, does not require the use of high alkali, which is an advantage compared to geopolymer concrete in the construction industry However, HVFC has a major disadvantage that is slow strength development, especially at an early age, which limits the applicability of this type of concrete In the proposal of this study, the purpose of using high fly ash content to replace Portland cement is from 60, 70, 80% to make concrete for structural purposes Promote early strength development for this type of concrete in addition to traditional methods using high C3A OPC cement, lowering the water/powder ratio In this study, calcium calcium Ca(OH)2 supplementation was used reasonably; silica fume and 3-component accelerators Thiocyanate (NaSCN), Diethanolamine (DEA), Glycerol (Gly) The type of concrete (replacement at 80% fly ash) meets the mechanical properties such as: minimum compressive strength of 40 MPa (28 days), bending, split compaction, elastic modulus and dry shrinkage In addition, the durability properties of concrete are also considered such as: carbonation, resistance to sulphate and chloride aggressive environments HVFC concrete has completely superior properties compared to the same type of concrete using 100% OPC cement and it is considered a green concrete, high performance concrete, a sustainable development solution for the industry concrete.

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao (HVFC)” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi và cơ quan tôi đang công tác: Phân viện Vật liệu Xây dựng Miền Nam – Viện Vật liệu Xây dựng Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022

Học viên thực hiện

TRẦN HOÀNG VĂN

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

Vấn đề về phát thải tro xỉ và tác động của tro xỉ đến môi trường 4

Tổng quan về nghiên cứu HVFC trên thế giới 13

Tổng quan về nghiên cứu HVFC tại Việt Nam 24

Kết luận, đánh giá và định hướng nghiên cứu 26

Mục tiêu nghiên cứu 28

Nội dung nghiên cứu 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC 29

Kích hoạt bằng phương pháp cơ học có thể làm tăng mức độ phản ứng 30

Kích hoạt bằng cách trao đổi/biến đổi một phần thành phần aluminosilicate trong hỗn hợp, tạo nhiều thành phần tham gia phản ứng hơn: 31

Kết luận 36

CHƯƠNG 3 HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 Hệ nguyên vật liệu 37

Thiết kế cấp phối 43

Phương pháp nghiên cứu 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 50

Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng bổ sung vôi hợp lý 50

Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng bổ sung phụ gia tăng cường độ tuổi sớm cho vữa 62 Các tính chất của hỗn hợp bê tông HVFC 75

Các tính chất của bê tông HVFC đã đóng rắn 79

Độ bền của bê tông hàm lượng tro bay cao 87

Cấu trúc của bê tông hàm lượng tro bay cao HVFC 92

Kết luận 95

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

Kết luận 98

Kiến nghị 98

DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC A NT BUILD 357 122

PHỤ LỤC B BẰNG SÁNG CHẾ 126

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 136

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Công suất nguồn điện theo Quy hoạch điện VII 4

Bảng 1.2 Khối lượng tro, xỉ phát sinh theo tính toán qua các năm theo lộ trình xây dựng và vận hành các nhà máy nhiệt điện theo Quy hoạch điện VII 5

Bảng 1.3 Thống kê và dự tính lượng tro xỉ nhiệt điện qua các năm 5

Bảng 1.4 Ước tính giảm CO2 tương ứng với tro bay thay thế xi măng 13

Bảng 1.5 Cấp phối Bê tông đầm lăn cho 1m3 công trình thủy điện Sơn La 25

Bảng 3.1 Các tính chất của xi măng và tro bay 37

Bảng 3.2 Thành phần hóa của tro bay Duyên Hải 1 38

Bảng 3.3 Tính chất vật lý và thành phần hạt của cốt liệu 38

Bảng 3.4 Thành phần hạt của cốt liệu nhỏ 39

Bảng 3.5 Thành phần hạt của cốt liệu lớn 39

Bảng 3.6 Tính chất của nước trộn sử dụng trong nghiên cứu 40

Bảng 3.7 Tính chất của phụ gia hóa học sử dụng trong nghiên cứu 40

Bảng 3.8 Tính chất của Silicafume 41

Bảng 3.9 Tính chất của vôi 42

Bảng 3.10 Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông được sử dụng trong nghiên cứu 43

Bảng 3.11 Thành phần cấp phối nghiên cứu bổ sung hàm lượng vôi hợp lý 46

Bảng 3.12 Thành phần cấp phối nghiên cứu sử dụng silica fume 47

Bảng 3.13 Thành phần cấp phối nghiên cứu lựa chọn hàm lượng hóa chất tăng tốc ba thành phần 48

Bảng 4.1 Các mẫu vữa sử dụng phụ gia tăng tốc 71

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sản lượng xi măng trên toàn thế giới theo thời gian [9] 10

Hình 1.2 Sản lượng xi măng một số nước trong năm 2015 [9] 10

Hình 1.3 Ảnh SEM thể hiện các vết nứt do ASR [37] 18

Hình 1.4 Cấu trúc của bê tông có sử dụng tro bay [49] 21

Hình 1.5 HVFC được sử dụng làm nắp và hố ga đúc sẵn 22

Hình 1.6 HVFC được ứng dụng vào thi công phần lề đường và rãnh nước 22

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế xi măng bằng tro bay trong chất kết dính và các điều kiện cần thiết của quá trình đóng rắn 29

Hình 2.2 Những cách điển hình để kích hoạt hỗn hợp CKD xi măng-tro bay 30

Hình 2.3 SEM các hạt tro bay ban đầu (a) và sau khi nghiền (b) [69] 31

Hình 3.1 Phổ XRD của silica fume 940U 41

Hình 3.2 Phân bố kích thước hạt của silica fume 940U 41

Hình 3.3 Hình ảnh chụp SEM của mẫu silica fume 42

Hình 3.4 Hình ảnh phụ gia tăng tốc ba thành phần 42

Hình 3.5 Sơ đồ thực hiện nội dung nghiên cứu đề tài 45

Hình 4.1 Độ linh động và thời gian đông kết của hỗn hợp vữa, nhóm mẫu đối chứng 50

Hình 4.2 Phát triển cường độ nén theo thời gian của nhóm mẫu đối chứng 51

Hình 4.3 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến độ chảy và thời gian đông kết của vữa khi thay thế 60% tro bay 52

Hình 4.4 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến độ chảy và thời gian đông kết của vữa khi thay thế 70% tro bay 53

Hình 4.5 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến độ chảy và thời gian đông kết của vữa khi thay thế 80% tro bay 54

Hình 4.6 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến cường độ nén của vữa khi thay thế 60% tro bay 55

Hình 4.7 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến cường độ nén của vữa khi thay thế 70% tro bay 55

Hình 4.8 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến cường độ nén của vữa khi thay thế 80% tro bay 56

Hình 4.9 Hình ảnh SEM của mẫu 80% tro bay, không vôi (T80V0) 57

Hình 4.10 Hình ảnh SEM của mẫu 80% tro bay với 10% vôi (T80V10) 57

Hình 4.11 Hình ảnh SEM của mẫu 80% tro bay với 15% vôi (T80V15) 58

Hình 4.12 Hình ảnh SEM của mẫu 80% tro bay với 20% vôi (T80V20) 59

Hình 4.14 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến cường độ nén của vữa ở tuổi 7 ngày 60Hình 4.15 Ảnh hưởng của lượng vôi bổ sung đến cường độ nén của vữa ở tuổi 28 ngày

Hình 4.20 Ảnh hưởng của silica fume đến cường độ nén của vữa ở tỷ lệ 60% tro bay 65

Hình 4.21 Ảnh hưởng của silica fume đến cường độ nén của vữa ở tỷ lệ 70% tro bay 65

Hình 4.22 Ảnh hưởng của silica fume đến cường độ nén của vữa ở tỷ lệ 80% tro bay 66

Hình 4.23 Ảnh hưởng của phụ gia phức hợp đến thời gian đông kết của vữa 68

Hình 4.24 Ảnh hưởng của phụ gia phức hợp đến cường độ nén của vữa khi thay thế 60% tro bay 68

Hình 4.25 Ảnh hưởng của phụ gia phức hợp đến cường độ nén của vữa khi thay thế 70% tro bay 69

Hình 4.26 Ảnh hưởng của phụ gia phức hợp đến cường độ nén của vữa khi thay thế 80% tro bay 69

Hình 4.27 Phổ XRD của tro bay Duyên Hải 1 71

Hình 4.28 Phổ XRD của mẫu T80V15S6 72

Hình 4.29 Phổ XRD của mẫu T80V15S6H3 72

Hình 4.30 Hình ảnh SEM của mẫu 80% tro bay với 20% vôi (T80V20) 73

Hình 4.31 Kết quả độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi có tỷ lệ Nước/CKD là 0,27 75

Hình 4.32 Kết quả khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông tươi của các cấp phối 60; 70; 80% tro bay 76

Hình 4.33 Thí nghiệm xác định thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông 77

Hình 4.34 Kết quả thời gian đông kết hỗn hợp bê tông các cấp phối HVFC điển hình so với mẫu đối chứng 78

Hình 4.35 Kết quả cường độ nén HVFC thay thế 60% FA 80

Hình 4.36 Kết quả cường độ nén HVFC thay thế 70% FA 80

Hình 4.37 Kết quả cường độ nén HVFC thay thế 80% FA 81

Hình 4.38 Kết quả cường độ nén của các cấp phối điển hình so với mẫu đối chứng 81

Hình 4.39 Kết quả cường độ uốn bê tông của các cấp phối điển hình HVFC so với cấp phối đối chứng 83

Hình 4.40 Kết quả cường độ chẻ bửa của bê tông HVFC so với mẫu đối chứng 84

Hình 4.41 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông HVFC 85

Hình 4.42 Kết quả mô đun đàn hồi bê tông của các cấp phối HVFC điển hình so với mẫu

đối chứng 85

Hình 4.43 Kết quả co ngót khô bê tông của các cấp phối HVFC điển hình so với mẫu đối chứng 86

Hình 4.44 Mẫu HVFC thí nghiệm khả năng Carbonat hóa 87

Hình 4.45 Các mẫu thí nghiệm quá trình Carbonat hóa ở 56 ngày tuổi 88

Hình 4.46 Kết quả đo độ sâu xâm nhập của CO2 88

Hình 4.47 Thí nghiệm xác định khả năng bền sunfate của HVFC 89

Hình 4.48 Kết quả sự thay đổi chiều dài thanh vữa 89

Hình 4.49 Chuẩn bị mẫu và thí nghiệm kiểm tra độ thấm ion Clo của bê tông 90

Hình 4.50 Kết quả độ thấm ion Clo 91

Hình 4.51 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM 92

Hình 4.52 Thiết bị quang phổ nhiễu xạ tia X 92

Hình 4.53 Cấu trúc bê tông HVFC thay thế 80% FA ở 28 ngày tuổi 92

Hình 4.54 Cấu trúc bê tông HVFC thay thế 80% FA ở 90 ngày tuổi 93

Hình 4.55 Cấu trúc bê tông của mẫu đối chứng 93

Hình 4.56 Phổ XRD của HVFC thay thế 80% FA ở 28 ngày tuổi 94

Hình 4.57 Phổ XRD của HVFC thay thế 80% FA ở 90 ngày tuổi 94

Hình 4.58 Phổ XRD của mẫu bê tông đối chứng 95

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DEA DiethanolamineFA Tro bay

Gly Glycerol

HVFC Bê tông hàm lượng tro bay cao (High Volume Fly Ash Concrete)

NaSCN Natri ThiocyanateNMNĐ Nhà máy nhiệt điệnN/ CKD Nước/ Chất kết dính

OPC Ordinary Portland Cement

PGSD Phụ gia siêu dẻo

SF Silica fume

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết

Hiện nay, ở Việt Nam, hơn 25 triệu tấn tro, xỉ được thải ra mỗi năm chủ yếu từ các nhà máy điện thuộc Tập đoàn điện lực - EVN, Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam - TKV, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam - PVN và các doanh nghiệp khác Dự báo nếu lượng tro xỉ không được tái chế sử dụng, đến năm 2030 ước tính tồn trữ lên đến 422 triệu tấn Hầu hết lượng tro, xỉ này được vận chuyển ra ngoài bãi thải không được sử dụng về lâu dài sẽ tác động xấu đến môi trường, đồng thời lãng phí nguồn tài nguyên

Tro bay thường được đề xuất thay thế xi măng tới 35% tổng khối lượng xi măng Portland theo ACI 211, ACI 232 [1,2] Tuy nhiên, nếu xét về tổng thể ở thời gian dài, các nhà nghiên cứu cho rằng việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể lên tới 50% hoặc lớn hơn, bê tông thậm chí còn có một số tính chất vượt trội và gọi bê tông chứa hơn 50% hàm lượng tro bay theo khối lượng thay thế xi măng Portland được coi là bê tông hàm lượng tro bay cao “High Volume Fly Ash Concrete” (HVFC) [3,4]

Trong những năm tới, vật liệu xây dựng nước ta chắc chắn vẫn là một lĩnh vực quan trọng, có đóng góp đáng kể đến sự nghiệp phát triển của đất nước nói chung cũng như đối với ngành Xây dựng nói riêng Đến năm 2030, dự báo sản lượng một số chủng loại vật liệu xây dựng chủ yếu ước đạt như sau: Xi măng 125 - 145 triệu tấn (xuất khẩu 25 - 35 triệu tấn), bê tông 250 - 270 triệu m3 các loại Sử dụng hiệu quả tài nguyên, triệt để tiết kiệm năng lượng, nguyên liệu, nhiên liệu Hạn chế tối đa ảnh hưởng tới môi trường trong quá trình khai thác sử dụng đang là mục tiêu mà chúng ta hướng tới

Chính vì vậy “Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao” là rất cần thiết, bê tông HVFC đáp ứng được các tiêu chí cần thiết cho "Bê tông xanh" Giảm phát thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG) của xi măng với mức giảm ít nhất 50% xi măng và cũng giảm ô nhiễm do để bay tro khi lưu trữ, làm ô nhiễm môi trường đất và nước

Bê tông hàm lượng tro bay cao, được biết đến là hàm lượng thay thế xi măng Portland của tro bay (FA) trên 50% Nó khác hoàn toàn với bê tông hệ Geopolymer có thể thay thế tro bay 100%, HVFC không yêu cầu bảo dưỡng nhiệt, không đòi hỏi sử dụng kiềm cao, đó là một ưu điểm so với bê tông geopolymer trong ngành xây dựng Tuy nhiên HVFC có nhược điểm lớn đó là phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm hạn chế tính ứng dụng của loại bê tông này

Trong đề xuất của nghiên cứu này, mục đích sử dụng hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng Portland từ 60, 70, 80% để chế tạo bê tông cho mục đích kết cấu Thúc đẩy sự phát triển cường độ sớm cho loại bê tông này ngoài những biện pháp truyền thống sử dụng xi măng OPC có hàm lượng C3A cao, hạ thấp tỷ lệ nước/ bột Trong nghiên cứu này, sử dụng bổ sung vôi Ca(OH)2 hợp lý; silica fume và phụ gia tăng tốc 3 thành phần Thiocyanate (NaSCN), Diethanolamine (DEA), Glycerol (Gly)

Loại bê tông (thay thể đến 80% tro bay) đáp ứng được các tính chất cơ học như: cường độ nén đạt tối thiểu 12 MPa ở 3 ngày tuổi, 20 MPa ở 7 ngày tuổi và 40 MPa (28 ngày); cường độ uốn đạt tối thiểu 4 MPa, cường độ chẻ bửa đạt tối thiểu 3 MPa, mô đun đàn hồi đạt tối thiểu 20 GPa và độ co ngót khô tối đa 1000x106 đều ở 28 ngày tuổi như các nghiên cứu trên thế giới Ngoài ra, các tính chất về độ bền của bê tông cũng được xem xét như: cacbonat hóa, bền trong môi trường xâm thực sunfat và clorua

Tóm lại, việc “Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao” có ý nghĩa cực kỳ quan trọng, bởi bê tông HVFC có tính chất hoàn toàn vượt trội so với cùng loại bê tông sử dụng 100% xi măng OPC, HVFC còn được coi là loại bê tông xanh, bê tông tính năng cao, một giải pháp phát triển bền vững cho ngành công nghiệp bê tông, và đặc biệt nhất là có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, hạn chế lượng lớn khí thải CO2 từ việc giảm sản xuất xi măng Portland

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các tính chất của bê tông hàm lượng tro bay cao sử dụng đến 80% tro bay thay thế xi măng Portland để chế tạo bê tông sử dụng cho mục đích kết cấu trong công trình xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế ô nhiễm môi trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bê tông hàm lượng tro bay cao, ứng dụng cho mục đích các kết cấu công trình xây dựng, với hàm lượng tro bay thay thế xi măng Portland là 60, 70, 80%

Nghiên cứu các tính chất của bê tông: cường độ nén, uốn, nén chẻ, mô đun đàn hồi và độ co ngót khô Ngoài ra các tính chất về độ bền của bê tông cũng được xem xét như: cacbonat hóa, bền trong môi trường xâm thực sunfat và độ thấm ion clorua

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Giải quyết vấn đề phát thải tro xỉ và giảm thiểu phát thải khí CO2 trong ngành công nghiệp bê tông; hạn chế ô nhiễm môi trường Đề tài sẽ đóng góp rất lớn về mặt công nghệ,

chứng minh khả năng của các nhà khoa học trong nước có thể chế tạo vật liệu dùng nguồn nguyên liệu trong nước Đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu thay thế xi măng Portland bằng sử dụng phế thải ở hàm lượng lớn, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên

Đề tài nghiên cứu này sẽ là một trong những bước đi trong việc thiết kế, chế tạo vật liệu phục vụ nhu cầu đời sống, giải quyết bài toán thực tế của xã hội hiện nay

Đề tài sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển bền vững, giảm phát thải khí thải CO2 bằng cách thay thế xi măng Portland bằng tro bay Tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế ô nhiễm môi trường đối với tác động của tro xỉ nhiệt điện và ngành công nghiệp bê tông có sử dụng xi măng Portland

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Vấn đề về phát thải tro xỉ và tác động của tro xỉ đến môi trường

Thực trạng phát thải tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện đốt than

Trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước hiện nay, các ngành công nghiệp của nước ta đang được đầu tư, phát triển một cách mạnh mẽ Cùng với việc sản xuất ngày càng nhiều sản phẩm, năng lượng, nhiên liệu phục vụ sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp cũng làm tăng ngày càng nhiều các chất thải Ngành nhiệt điện là một trong những ngành phát sinh chất thải lớn Tính trung bình, cứ sản xuất ra 1kw.h điện sử dụng nhiên liệu than cám, sẽ thải ra khoảng từ 0,5-1,75 kg tro, xỉ Theo tài liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trường, các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tại Việt Nam tính đến năm 2018 là 28 nhà máy, ước tính năm 2020 tiêu thụ khoảng 60 triệu tấn than/ năm và phát sinh khoảng 20,5 triệu tấn tro, xỉ, thạch cao Theo quy hoạch phát triển ngành điện thì từ nay đến năm 2030, sản lượng điện sản xuất bằng nhiệt điện sử dụng than còn tiếp tục tăng Nghĩa là, lượng chất thải tro, xỉ nhiệt điện sẽ còn tiếp tục tăng thêm Các chất thải này đang tạo sức ép ngày càng lớn lên môi trường và chiếm diện tích đất để tồn chứa ngày càng lớn

Quá trình đốt than để vận hành các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) thải ra các sản phẩm cháy bao gồm: Tro đáy (xỉ đáy lò) hay còn gọi là xỉ, là các hạt thô, to thu được ở đáy lò đốt; Tro bay, là các hạt tro mịn bay lên được thu lại tại lọc bụi Thông thường lượng tro bay chiếm khoảng 80 - 90%, còn xỉ chỉ chiếm khoảng 10 - 20% Quy hoạch ngành điện đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 (gọi tắt là Quy hoạch điện VII) đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2011 Theo Quy hoạch này thì số lượng, công suất sản xuất điện của các NMNĐ than ở nước ta trong thời gian sắp tới là rất lớn Bảng 1.1 dưới đây tổng hợp công suất điện của các NMNĐ ở Việt Nam theo Quy hoạch điện VII [5]

Bảng 1.1 Công suất nguồn điện theo Quy hoạch điện VII

TT Năm Tổng công suất điện, MW

Trong đó

Tiêu thụ than, tấn/năm

Nhiệt điện đốt than tầng sôi,

MW

Nhiệt điện đốt than phun, MW

Ghi chú: Lượng than tiêu thụ dự kiến trong Bảng trên được tính trên cơ sở: - Các dự án theo Quy hoạch điện VII được đầu tư, vận hành đúng tiến độ, công suất;

- Số giờ chạy trong năm: 6000 giờ

Quy hoạch điện VII triển khai, đến năm 2030, tổng công suất nguồn nhiệt điện than là 74.876 MW sẽ thải ra khối lượng tro, xỉ hàng năm khoảng trên 38 triệu tấn tro xỉ Căn cứ vào công suất các nhà máy, nguồn than cung cấp dự kiến (than trong nước, hoặc than nhập khẩu hay pha trộn cả hai loại), chất lượng than trong nước, chất lượng than nhập khẩu dự kiến, lượng tro, xỉ thải ra của các nhà máy nhiệt điện than được dự báo như thống kê trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3 dưới đây

Bảng 1.2 Khối lượng tro, xỉ phát sinh theo tính toán qua các năm theo lộ trình xây dựng và vận hành các nhà máy nhiệt điện theo Quy hoạch điện VII

Ghi chú: Lượng tro, xỉ phát sinh trong Bảng trên được tính trên cơ sở:

- Các dự án theo Quy hoạch điện VII được đầu tư, vận hành đúng tiến độ, công suất

- Số giờ chạy trong năm: 6000 giờ

- Than trong nước có độ tro trung bình 35%, suất tiêu hao than 0,5 kg/kWh - Than trộn có độ tro trung bình 25%, suất tiêu hao than 0,5 kg/kWh

- Than nhập khẩu có độ tro trung bình 15%, suất tiêu hao 0,45 kg/kWh

Bảng 1.3 Thống kê và dự tính lượng tro xỉ nhiệt điện qua các năm

TT Năm Tổng lượng tro xỉ NĐ phát sinh hàng năm (tấn/năm)

Tổng lượng tro xỉ NĐ tích trữ nếu không được tái sử dụng

khác Vấn đề cần tập trung giải quyết là xử lý, sử dụng tro bay trong sản xuất vật liệu xây dựng và mở rộng vào các mục đích khác

Theo Quyết định số 1696/QĐ-TTg ngày 23/9/2014 của Thủ tướng Chính phủ về một số giải pháp thực hiện xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, hóa chất phân bón để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng, các nhà máy nhiệt điện đã triển khai việc tiêu thụ tro, xỉ, thạch cao thải ra với các hình thức khác nhau như: Chủ động xây dựng dây chuyền xử lý tro, xỉ, thạch cao (tuyển ướt), xây dựng dây chuyển sản xuất vật liệu không nung; bán và cho không tro, xỉ, thạch cao cho các cá nhân sử dụng, đơn vị thu mua, các nhà máy xi măng, các cơ sở sản xuất vật liệu xây dựng… Tuy nhiên cũng theo số liệu điều tra thực tế và các đơn vị báo cáo, tổng lượng tro xỉ, thạch cao đã được tiêu thụ không lớn, chỉ vào khoảng 25% - 30% so với tổng lượng được thải ra hàng năm và không phân bố đều đối với từng nhà máy Có những nhà máy đã bán hầu hết lượng xỉ, tro bay và thạch cao thải ra, trong khi đó có những nhà máy phải thải toàn bộ tro, xỉ, thạch cao ra bãi chứa hoặc tro, xỉ, thạch cao tại bãi chứa không được các đơn vị xử lý, sử dụng thu mua Lý giải vấn đề này có một số nguyên nhân sau:

- Các nhà máy sử dụng công nghệ than phun sẽ tách được thạch cao ra khỏi tro bay, do đó ngoài việc tiêu thụ được tro bay thì nếu thạch cao đủ tiêu chuẩn (hàm lượng thạch cao CaSO4.2H2O lớn) sẽ dễ dàng tiêu thụ vào các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho sản xuất xi măng, vật liệu xây không nung… Trong khi đó đối với các nhà máy sử dụng công nghệ CFB (đốt than tầng sôi), đá vôi được đưa vào đốt cùng với than để khử lưu huỳnh (SO2) trong khói, do đó thạch cao được tạo ra sẽ lẫn vào tro bay và không thể tách thạch cao ra khỏi tro bay, đồng thời hàm lượng SO3 và CaOtd tương đối cao (15% - 20%) và mất khi nung (MKN) lớn có màu đỏ, nâu dẫn đến việc sử dụng vào sản xuất vật liệu xây dựng gặp nhiều khó khăn

- Một số nhà máy ở khu vực gần biển (Nhiệt điện Quảng Ninh, Nhiệt điện Mông Dương 2…) do thiếu nước ngọt đã phải dùng nước mặn hoặc nước nhiễm mặn để vận hành hệ thống bơm thải xỉ ra bãi chứa dẫn tới tro, xỉ, thạch cao bị nhiễm mặn, gây khó khăn cho việc xử lý, sử dụng

- Thông thường tro bay tại nhà máy nhiệt điện có hàm lượng MKN < 12% được tiêu thụ gần hết trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng, tuy nhiên một số nhà máy thải ra tro bay có hàm lượng MKN trên dưới 5% (Nhiệt điện Vũng Áng 1) nhưng ở khu vực cách xa các đơn vị có tiềm năng sử dụng tro, xỉ, thạch cao với khối lượng lớn dẫn đến mặc dù tro

bay, xỉ, thạch cao đạt tiêu chuẩn sử dụng hoặc sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành để sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng nhưng do chi phí vận chuyển cao dẫn tới giá thành cao hơn so với khoáng sản được khai thác tại chỗ

- Có nhà máy do chất lượng than đốt làm cho tro bay và xỉ có mầu đỏ, nâu dẫn tới việc xử lý, sử dụng khó khăn

- Khi tro, xỉ, thạch cao không được các đơn vị thu mua hoặc có thể xử lý tại chỗ thì tất cả đều được hòa trộn với nước và bơm ra bãi thải dẫn tới sự lẫn lộn giữa tro, xỉ, thạch cao, gây khó khăn trong quá trình xử lý tiếp theo

Hiện nay đối với các nhà máy thuận lợi hơn trong việc tiêu thụ tro, xỉ, thạch cao thì đa số mới chỉ tập trung vào việc tiêu thụ về mặt số lượng đối với lượng tro, xỉ, thạch cao thải ra chứ chưa ý thức đến việc các đơn vị thu mua, xử lý, sử dụng có đảm bảo được các tiêu chuẩn về vệ sinh môi trường, các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành để sản xuất vật liệu xây dựng hay không

Tác động của tro xỉ đến môi trường

Phần lớn tro, xỉ than trên thế giới được tồn chứa dẫn đến gánh nặng kinh tế và môi trường, tác động đáng kể đến sinh thái và xã hội nên cần có các ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau để thúc đẩy việc sử dụng tro, xỉ nhiệt điện Việc tăng chi phí tồn chứa và thiếu hụt tài nguyên thiên nhiên đã dẫn đến việc phát triển các công nghệ sử dụng tro, xỉ nhiệt điện trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng như: tro bay làm phụ gia cho xi măng, phụ gia cho bê tông, vật liệu san lấp…

Tro, xỉ ở hầu hết các nhà máy nhiệt điện được bơm cùng với nước ra bãi thải Các kết quả điều tra cho thấy môi trường đất và nước ở quanh bãi thải tro, xỉ bị ảnh hưởng nghiêm trọng với hàm lượng các chất độc hại như kim loại nặng rất cao

Bản thân ngành điện và các nhà máy không có chủ trương khai thác tro, xỉ, hoặc không có điều kiện khai thác Người dân quanh khu vực các bãi xỉ thải đang khai thác một cách tự phát, chủ yếu là làm gạch xây nhà hoặc bán lại cho các cơ sở có đầu tư hệ thống tuyển tro Việc tự phát, mạnh ai nấy làm dẫn đến lộn xộn trong và quanh khu vực bãi thải cùng với vận chuyển rơi vãi đã khiến không gian cả khu vực luôn mù mịt bụi xỉ than, ô nhiễm môi trường

Với khối lượng lớn tro, xỉ thải của các nhà máy nhiệt điện than hiện nay cần phải có hàng trăm hec ta đất để làm bãi chứa Ngoài ảnh hưởng đến diện tích đất nông nghiệp còn ảnh hưởng đến môi trường đất, nước và đời sống của người dân trong vùng lân cận

Các dự án nhiệt điện than đều quy hoạch bãi thải tro, xỉ với quy mô, diện tích tùy từng khu vực từ 4 đến 40 ha và có thể phải mở rộng hơn, đặc biệt nhà máy nhiệt điện đốt than tầng sôi CFB chứng tỏ rằng khối lượng tro, xỉ thải loại này gia tăng mà vẫn chưa tìm được giải pháp dẫn đến chiếm dụng diện tích lớn đất nông nghiệp Hiện nay bãi thải của các nhà máy nhiệt điện đang hoạt động chiếm diện tích 709 hecta, dự kiến sau năm 2020 khi toàn bộ các nhà máy nhiệt điện đi vào vận hành, tổng diện tích bãi thải theo thiết kế sẽ là 1.895 hecta

Việc khai thác sử dụng tro, xỉ, thạch cao để không tồn chứa một lượng lớn tại các bãi chứa sẽ giảm các tác động đến môi trường như:

Ngăn ngừa ô nhiễm nước

Phần lớn tro, xỉ nhiệt điện vẫn còn được tồn chứa, chưa được sử dụng Do được tồn chứa lộ thiên trên đất nên nước mưa có thể hòa tan các thành phần của tro, xỉ và hòa lẫn với hệ thống nước tự nhiên xung quanh

Tro, xỉ chủ yếu chứa các thành phần alumina, silica, can xi và sulphua (trong tro, xỉ CFB, FGD) và vết các kim loại nặng Ô nhiễm nước mặt và nước ngầm có thể do hiện tượng chiết (hòa tan) các nguyên tố độc hại và kim loại nặng như chì, thủy ngân, cadimi, đồng và thiếc trong tro, xỉ là có nếu không được tồn chứa đúng cách Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chì hòa tan (rửa trôi) từ tro, xỉ tồn chứa có thể gây các nguy hiểm đến sức khỏe con người

Việc tăng cường sử dụng các công nghệ đốt phát thải NOx thấp tại các nhà máy nhiệt điện than dẫn đến làm tăng nồng độ của amonium trong tro, xỉ Lượng Amonium rửa trôi từ việc tồn chứa tro, xỉ sẽ chuyển hóa thành nitrat có thể di chuyển vào trong nước ngầm và do vậy gây ô nhiễm nguồn nước

Ngăn ngừa ô nhiễm không khí

Tro bay là vật liệu dạng bột mịn, phân bố kích thước hạt thường từ 0.5 - 300 µm Các nguyên tố vết độc hại nói chung tập hợp trong các hạt mịn với kích thước hạt 2 µm, có thể bị hít vào cơ thể và lưu lại trong phế quản của người, do đó làm tăng nguy cơ tổn hại sức khỏe Đối với các bãi thải chứa khô, lượng bụi tro bay thoát ra có thể làm ô nhiếm chất lượng không khí tại vùng xung quanh Người dân sống lân cận các nhà máy nhiệt điện, nơi có các bãi chứa tro, xỉ sẽ chịu các nguy cơ cao phơi nhiễm bụi độc hại trong không khí

Giảm phát thải khí nhà kính

Các tính chất pozzolan của tro, xỉ thích hợp cho sản xuất vật liệu xây dựng Việc sử dụng tro, xỉ làm phụ gia trong sản xuất xi măng và bê tông làm giảm tới 80% lượng khí nhà kính phát thải Nếu phát thải CO2 trung bình 0.8 kg/ kg xi măng (Josa và cộng sự, 2004) thì sử dụng 1 tấn tro, xỉ trong sản xuất xi măng tương đương việc giảm 0.8 tấn CO2

phát thải Sử dụng tro, xỉ làm nguyên liệu thay thế cho phép giảm các công đoạn khai thác mỏ tốn kém năng lượng cũng dẫn tới giảm phát thải khí nhà kính

Tác động môi trường khi sử dụng xi măng portland trong ngành công nghiệp bê tông

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng bền vững nhất về mặt sản xuất và bảo trì so với các vật liệu xây dựng khác, nhưng ngành bê tông không bền vững bởi vì sản lượng khổng lồ của nó và thậm chí nhu cầu ngày càng tăng trên toàn thế giới Nguyên nhân chính là Xi măng, thành phần chính trong bê tông, phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và chiếm khoảng 7% tổng khí thải trên toàn thế giới

Theo thống kê gần đây, khoảng 25 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới và lượng bê tông được sử dụng trong xây dựng trên toàn thế giới nhiều hơn 2 lần các loại vật liệu khác như gỗ, thép, nhựa và nhôm WBCSD 2009 [6] Bê tông là vật liệu tiêu thụ ít năng lượng nhất về mặt sản xuất so với các vật liệu xây dựng khác ngoài gỗ [7] Trong khi đó, xi măng, thành phần chính trong bê tông chiếm 5-20% khối lượng bê tông nhưng chiếm hơn 74-81% lượng phát khí thải GHG ra môi trường [8] Trên toàn thế giới, khoảng 3.3 tỷ tấn xi măng đã được sản xuất vào năm 2012 và con số này có thể tăng gấp đôi trong 25 năm (Mehta 2004) [3] Như thống kê của Xing (2015) [9], từ năm 1950, ngành xi măng đã chứng kiến sự tăng trưởng rất lớn khi tốc độ đô thị hóa diễn ra rất nhanh trên thế giới Từ thống kê ban đầu là 133 triệu tấn xi măng năm 1950, sản xuất xi măng tăng hơn bảy lần lên một tỷ tấn trong 33 năm vào năm 1983 (Hình 1.1)

Hình 1.1 Sản lượng xi măng trên toàn thế giới theo thời gian [9]

Trong năm 2019, sản lượng sản xuất trên thế giới đạt khoảng 4.2 tỷ tấn Riêng ở Việt Nam, theo số liệu của Hiệp hội Xi măng Việt Nam, năm 2020 tổng số dây chuyền sản xuất xi măng cả nước là 88 dây chuyền Sản lượng sản xuất xi măng dự kiến khoảng 101 triệu tấn trong đó thị trường tiêu thụ nội địa là 68 triệu tấn và xuất khẩu 25 triệu tấn

Các nước hàng đầu về sản xuất xi măng là, Trung Quốc với 2450 triệu tấn, Ấn Độ 285 triệu tấn và Hoa Kỳ 80 triệu tấn theo số liệu khảo sát của Mỹ năm 2015 (Xing 2015) [9], như trong Hình 1.2 Với 1 tấn xi măng được tạo ra thì phát thải khoảng 0.82 tấn CO2

[10] Vì vậy, các nhà nghiên cứu tập trung vào các giải pháp phát triển bền vững, giảm phát thải trong ngành công nghiệp xi măng, bê tông

Hình 1.2 Sản lượng xi măng một số nước trong năm 2015 [9]

Bê tông “xanh” phát triển bền vững hoặc hay được định nghĩa là bê tông có tác động môi trường thấp hơn bê tông thông thường [11] Bê tông xanh sử dụng vật liệu phế thải

hoặc sản phẩm còn lại trong quá trình sản xuất để thay thế một phần hoặc toàn bộ ít nhất một trong các thành phần của nó, hoặc quá trình sản xuất của nó không dẫn đến hủy hoại môi trường (Obla 2009) [12] Theo Suhendro (2014) [13], Bê tông xanh thể hiện ở tính năng sử dụng cao, có tính bền vững trong suốt thời gian sử dụng và phải tuân theo hai yếu tố đó là giảm thiểu phát thải, tái sử dụng và tái chế Theo Ho, Mak và Sagoe-Crentsil (2000) [14], có ba mục tiêu chính đằng sau khái niệm “xanh” cụ thể: Đầu tiên là giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Thứ hai là giảm sử dụng các tài nguyên thiên nhiên như đá vôi, đá phiến, đất sét, cát sông tự nhiên, đá tự nhiên Và thứ ba là việc sử dụng vật liệu phế thải trong bê tông cũng hạn chế được việc phải cần một diện tích đất rộng lớn để lưu trữ vật liệu thải dẫn đến ô nhiễm không khí, đất và nước Những mục tiêu đằng sau bê tông xanh sẽ dẫn đến sự phát triển bền vững mà không phá hủy môi trường và tài nguyên thiên nhiên Do đó, "bê tông xanh” đáp ứng được 3 mục tiêu trên thì coi là bê tông bền vững hoặc thân thiện với môi trường

Theo Viện bê tông của Mỹ (ACI) đã ước tính rằng thay thế 25% xi măng Portland bằng tro bay làm giảm CO2 phát thải điển hình khoảng 12-13% Có thể giảm phát thải lên đến 70% với sự thay thế điển hình của xi măng là 15-40% cho các ứng dụng là các kết cấu công trình xây dựng và lên tới 70% cho các ứng dụng phi kết cấu như kè và mặt đường giao thông Ước tính trên toàn cầu, chỉ có khoảng 20% tro bay đang được sử dụng trong ngành xi măng và bê tông [15] Do đó, giảm xi măng Portland bằng thay thế bằng tro bay không chỉ giúp giảm lượng khí thải CO2 mà còn giảm chất thải, thí thải do đốt than nhiệt điện (tro bay) Kể từ năm 1975, khoảng 16 triệu tấn khí thải nhà kính đã bị loại bỏ do sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng và bê tông [16] Do đó, sử dụng tro bay trong bê tông thay thế 1 phần xi măng Portland có thể giải quyết hai vấn đề môi trường do sản xuất xi măng và chất thải do xử lý tro bay trong bãi chôn lấp Cũng kể từ năm 1975, ngành công nghiệp xi măng đã giảm 33% lượng khí thải [8,17] trên toàn thế giới, ngay cả việc giảm sử dụng xi măng cũng có thể tạo ra sự khác biệt lớn

Sử dụng tro bay làm vật liệu có hoạt tính pozzolanic được thừa nhận vào năm 1914, nhưng một nghiên cứu đáng chú ý chỉ được tiến hành vào năm 1937 bởi Davis, tại Đại học California [18] Tro bay có được sử dụng trong bê tông từ năm 1930 và thông thường tỷ lệ thay thế được đề nghị là 15-25% khối lượng xi măng

Ứng dụng của tro bay trong bê tông rất đa dạng tùy thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như loại tro bay, tính sẵn có của tro bay địa phương, đặc điểm kỹ thuật và vị trí địa lý

Trong các công trình bê tông khối lớn như đập bê tông thủy điện và móng lớn, lượng tro bay có thể dùng từ 30 đến 50% để giảm nhiệt của hydrat hóa khối bê tông, và nếu sử dụng hàm lượng tro bay cao hơn nữa thì chủ yếu ứng dụng bê tông cho các lĩnh vực phi kết cấu như: đường giao thông, kè Do đó, việc thay thế xi măng bằng lượng tro bay cao hơn nữa cho mục đích kết cấu gần đây đã được nghiên cứu, chấp nhận rộng rãi và cần được đẩy nhanh để đạt được sự bền vững trong ngành xây dựng [19]

Sử dụng bê tông hàm lượng tro bay cao là một giải pháp phát triển bền vững

Tro bay được coi là chất thải có thể bị rửa trôi các chất độc hại vào nước ngầm và đất khi được thải vào ao, đầm, v.v hoặc được sử dụng làm vật liệu san lấp Sản xuất xi măng Portland thải ra một lượng lớn Carbon Dioxit bên cạnh khí thải SO2 và NO2 Do đó, cần phải giảm lượng khí thải Carbon Dioxide, bằng cách giảm mức tiêu thụ xi măng Điều này có thể đạt được bằng cách thay thế xi măng bằng một lượng lớn bổ sung như tro bay Sử dụng tro bay như một hỗn hợp phụ gia khoáng chi phí thấp trong bê tông thay vì chôn lấp gây ô nhiễm môi trường như là giải pháp tốt nhất

Bê tông HVFC đáp ứng được các tiêu chí cần thiết cho "Bê tông xanh": 1) Giảm phát thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG) của xi măng với mức giảm ít nhất 50% xi măng và cũng giảm ô nhiễm do để bay tro lưu trữ trong đất và nước 2) Bê tông có độ bền tốt hơn và một số tính chất kỹ thuật khác tốt hơn bê tông sử dụng xi măng OPC bình thường [20] Theo Griffin (2005) [21], bê tông HVFC có ưu điểm như giảm nhiệt hydrat hóa, giảm lỗ rỗng xốp, hạn chế sự tách nước, độ co ngót khô giảm, tăng khả năng chống thấm, kháng ăn mòn sulfate, độ bền theo thời gian cao Theo [1] thì do cấu trúc của HVFC nhiều lượng pha C-S-H và hydrat nhôm canxi nên cải thiện cường độ ở tuổi muộn và giảm tính thấm, do đó các đặc tính bền được cải thiện Theo Mehta (2004) [3], thì HVFC cần lượng nước nhào trộn ít hơn, do nhiều hạt tro bay hình cầu, bề mặt nhẵn, nên cải thiện tính công tác cho bê tông, giảm nứt do co ngót, nứt do nhiệt và co ngót khô, và tăng cường độ bền, tăng khả năng chống ăn mòn, xâm thực Vì vậy, HVFC có thể được gọi là "Bê tông xanh", cũng được đề cập trong một vài nghiên cứu gần đây khác [21,22] Theo Griffin (2005) [21], các tính toán sử dụng phân tích vòng đời cho thấy có thể giảm 54% lượng khí thải CO2 bằng cách sử dụng thay thế 50% xi măng bằng tro bay (Bảng 1.4) Nếu xem xét rằng sản xuất xi măng Portland chiếm khoảng 7% CO2 lượng phát khí thải toàn cầu, thì sử dụng bê tông HVFC có khả năng giảm phát thải CO2 toàn cầu khoảng 3,5%

Bảng 1.4 Ước tính giảm CO2 tương ứng với tro bay thay thế xi măng

Sự phát triển cường độ chậm ở tuổi sớm là một nhược điểm lớn trong bê tông HVFC, cần được giải quyết khắc phục để đáp ứng nhu cầu càng lớn của ngành xây dựng Một số các nhà nghiên cứu tập trung theo hướng để tăng cường độ sớm ngày của loại bê tông này bằng các giải pháp như: sử dụng loại xi măng OPC có cường độ cao, hàm lượng C3A cao, giảm tỷ lệ nước/ bột, tăng tỷ diện tích tiếp xúc hạt với nước bằng cách nghiền mịn tro bay hoặc dùng thêm tro bay siêu mịn, sử dụng silica fume, bổ sung thêm vôi và bảo dưỡng ẩm đầy đủ Khi đó hoàn toàn có thể sử dụng bê tông hàm lượng tro bay cao trên 50% thay xi măng, đáp ứng yêu cầu về cường độ sớm và đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao

Tổng quan về nghiên cứu HVFC trên thế giới

Cho đến nay không có một định nghĩa thống nhất cho bê tông hàm lượng tro bay cao HVFC Theo Sivasundaram và cộng sự [23] phát biểu rằng việc thay thế xi măng Portland bằng 30% tro bay có thể được coi là bê tông hàm lượng tro bay cao Tuy nhiên, các tiêu chuẩn và nhà nghiên cứu khác tuyên bố rằng tỷ lệ thay thế FA phải trên 50% [24]; bê tông HVFC hiện nay ngoài tên gọi khác là bê tông xanh, thì nó còn được coi là bê tông tính năng cao Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tăng hàm lượng tro bay thay thế xi măng trong bê tông đến mức tối đa, nghiên cứu cải thiện các tính chất

của hỗn hợp bê tông tươi, bê tông đã đóng rắn và độ bền của HVFC để nâng cao tính ứng dụng phổ biến cho loại bê tông này

Hỗn hợp bê tông HVFC

Bổ sung tro bay làm tăng tính công tác khi so sánh với bê tông thông thường có cùng hàm lượng nước Hình dạng hình cầu nhẵn và phân bố kích thước hạt của tro bay giúp cải thiện tính công tác của bê tông và do đó nhu cầu về nước giảm, góp phần tăng cường độ lâu dài Để đạt được cường độ tuổi sớm, HVFC thường sử dụng tỷ lệ nước/ xi măng thấp dưới 0.35 Điều này đạt được nhờ phụ gia siêu dẻo thế hệ mới polycarboxylate có khả năng giảm nước tới 40%

Khi sử dụng tro bay ở hàm lượng cao được cho là làm giảm lượng nước trộn cần thiết khoảng 15 đến 20% [25] Cứ 10% tro bay được thêm vào thì mức giảm nước là khoảng 3% Yêu cầu về thời gian bảo dưỡng tối thiểu là 7 ngày vì đặc trưng phát triển cường độ tuổi muộn Tính chất vượt trội của HVFC là nâng cao tính bền của bê tông do giảm lượng Canxi Hydroxide, chất dễ hòa tan rửa trôi nhất trong các sản phẩm hydrat hóa Độ thấm nước trong bê tông HVFC cũng thấp hơn bê tông thông thường

Tính công tác hỗn hợp bê tông ảnh hưởng bởi loại, hình dạng hạt và tỷ lệ cốt liệu, chất lượng, và số lượng xi măng, tro bay trong hỗn hợp Tro bay có dạng hình cầu làm giảm ma sát giữa cốt liệu và đường bơm bê tông làm tăng tính công tác của bê tông do đó làm giảm lượng nước nhào trộn Vì vậy tạo sự đồng nhất trong hỗn hợp bê tông, tăng khả năng bơm, dễ thi công hơn Do hàm lượng nước sử dụng ít, nên hiện tượng tách nước tách vữa là rất thấp hoặc không đáng kể Do đó, bảo dưỡng ngay sau khi thi công là bắt buộc để tránh các vết nứt dạng chân chim do co ngót dẻo

HVFC thường được chế tạo với tỷ lệ nước/ xi măng rất thấp, lượng hạt mịn thường cao Do đó, rất ít có khả năng tách nước, tách vữa và hỗn hợp bê tông có sự đồng nhất cao ngay cả khi sử dụng liệu lượng phụ gia hóa học giảm nước ở tỷ lệ cao

Thời gian đông kết: Do hàm lượng xi măng thấp trong HVFC và phản ứng pozzolanic chậm của tro bay, thời gian đông kết của bê tông sẽ tăng lên Thông thường thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông HVFC cao hơn bê tông thường sử dụng hoàn toàn xi măng Portland OPC khoảng 2 giờ Malhotra & Mehta 2005 [15] kết luận rằng HVFC sẽ kéo dài thời gian đông kết hơn 2-3 giờ so với bê tông dùng xi măng OPC Điều này cũng rất hữu ích trong vùng có khí hậu nóng, địa điểm thi công xa, nơi bê tông cần phải được vận chuyển đến

công trường trước khi nó đông kết Trong thời tiết lạnh, có thể thêm phụ gia tăng tốc nếu giảm thời gian đông kết cần thiết

Nhiệt hydrat hóa: Thay thế một phần xi măng Portland bằng tro bay làm giảm nhiệt hydrat hóa Thay thế tro bay 50% làm giảm 23% nhiệt độ của bê tông, trong khi thay thế 70% bằng tro bay có thể làm giảm tới 45% nhiệt độ của bê tông

Thay thế một phần xi măng bằng tro bay để giảm nhiệt hydrat hóa được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ trước, đặc biệt là trong các công trình bê tông khối lượng lớn như đập và kết cấu móng, nơi nhiệt độ hydrat hóa rất cao Trong bê tông HVFC, như giảm ít nhất 50% xi măng thì nhiệt sinh ra cũng giảm một nửa, do đó giảm nguy cơ vết nứt do nhiệt Một nghiên cứu khác bởi Malhotra & Mehta 2002 [19] trên một khối bê tông 3.05 x 3.05 x 3.05 m đã chứng minh rằng bằng cách sử dụng bê tông HVFC thay vì bê tông xi măng OPC đã giảm nhiệt độ tăng gần 30oC, cụ thể khi bê tông sử dụng xi măng theo ASTM C150 type I, nhiệt độ ở tâm khối bê tông là 83oC, trong khi nhiệt độ tại cùng một vị trí của khối bê tông HVFC là 54oC

Cường độ nén của bê tông HVFC

Sự phát triển cường độ nén theo thời gian phụ thuộc vào khối lượng xi măng thay thế, tuổi của bê tông và loại tro bay Sự tăng cường độ ở độ tuổi sớm cao hơn của tro bay loại C so với tro bay loại F Cường độ nén ở tuổi muộn dài ngày lại cao hơn khi sử dụng tro bay loại F do tro bay loại F được cải thiện cường độ nhờ vào phản ứng pozzolanic chậm của nó Cường độ tuổi muộn cao hơn cũng được giải thích là do các lỗ mao quản, mao mạch nhỏ hơn và vi cấu trúc dày đặc hơn do các phản ứng pozzolanic tạo ra Do đó bảo dưỡng đủ độ ẩm đến tối thiểu 7 ngày là điều cần thiết để đảm bảo rằng sự phát triển cường độ cho các tuổi muộn sau này diễn ra Để đạt được độ bền sớm, tỷ lệ nước/ xi măng thấp là rất cần thiết Cường độ nén ở tuổi muộn dài ngày của HVFC thường vượt cao hơn so với bê tông thông thường và cường độ nén đối với loại bê tông này thường được đề nghị ở tuổi 56 ngày

Raju và cộng sự [26] cũng đã thay thế 40% xi măng bằng tro bay và đạt được cường độ nén 45 MPa ở tuổi 28 ngày với tỷ lệ nước/bột 0,4 Cường độ nén tuổi sớm của bê tông giảm nhưng có sự gia tăng mạnh ở tuổi muộn hơn Bê tông có hàm lượng tro bay cao hơn 40% cho thấy cường độ thấp hơn 28 ngày nhưng có cường độ cao hơn sau 56 ngày Nhưng đối với bê tông có hàm lượng tro bay dưới 40% thì cường độ nén cao hơn ở 28 ngày Điều này là do cường độ của bê tông là một hàm tuyến tính của tỷ lệ nước/ chất kết dính, chất

lượng của tro bay và xi măng và tuổi đóng rắn Ozkan Sengul đã báo cáo rằng HVFC thay thế tới 70% có cường độ nén thấp hơn ở 28 ngày nhưng có được cường độ tốt hơn ở độ tuổi sau 90 ngày và 120 ngày

Bê tông HVFC có cường độ nén thấp hơn ở tuổi sớm ngày so với bê tông thường khi tăng tỷ lệ tro bay thay thế Khi thay thế tro bay trên 40%, trong khoảng thời gian ít hơn 28 ngày cường độ nén sẽ thấp, nhưng cường độ cao hơn so bê tông thường sau thời gian 90 ngày (Rao & Vimal 1996) [27] Từ 90 ngày trở đi, HVFC đạt cường độ tối đa tương tương hoặc đôi khi vượt cao hơn bê tông sử dụng hoàn toàn xi măng OPC Ngoài ra, khi tỷ lệ tro bay tăng, thì tỷ lệ nước/chất kết dính giảm Do đó, làm tăng cường độ nén tuổi muộn sau này [28] Cường độ nén ở tuổi sớm đối với bê tông HVFC dao động từ 6-10 MPa ở tuổi 1 ngày, được coi là đủ để tháo ván khuôn và cường độ 28-90 ngày có thể đạt là 35-40 MPa

Cường độ uốn và cường độ kéo

Bê tông hàm lượng tro bay cao nói chung, cường độ uốn đạt 10-15% so cường độ nén [29] Đối với bê tông dùng xi măng OPC thông thường, cường độ uốn và cường độ kéo đạt giá trị tối đa trong thời gian từ 14 đến 28 ngày, ngoài thời gian này, không có sự gia tăng đáng kể Trong khi đó, bê tông HVFC, độ bền uốn và cường độ kéo tiếp tục tăng sau giai đoạn này do có sự bổ sung của phản ứng pozzolanic và có thể không đạt đến mức tối đa ngay cả đến 1 năm, do sự tăng cường của liên kết giữa các xi măng và cốt liệu diễn ra trong thời gian dài Cường độ uốn trung bình ở 28 ngày là đạt 5.0 MPa và cường độ kéo là 3.5 MPa đối với bê tông HVFC

Vì cường độ uốn là cơ sở để thiết kế mặt đường, cường độ uốn cao đạt được sau một năm trong bê tông HVFC là một lợi thế trong xây dựng đường giao thông Mặt đường được làm bằng bê tông HVFC ở tại Ấn Độ đạt cường độ uốn cao là 7.6 MPa sau 1 năm, mặc dù cường độ uốn yêu cầu của thiết kế chỉ là 4 MPa

Mô đun đàn hồi của HVFC

Mô đun đàn hồi (E) của bê tông hàm lượng tro bay cao, dao động trong khoảng từ 35 đến 38 GPa ở tuổi 28-90 [20] Giá trị E cao có thể được giải thích bởi số lượng lớn tro bay không phản ứng có tác dụng như cốt liệu mịn Ngoài ra, độ đặc chắc cao, rỗng xốp thấp của HVFC có thể là một trong những lý do nâng cao mô đun đàn hồi

Tính bền lâu của bê tông HVFC

Nghiên cứu của (Camões 2006) [30] về đặc tính độ bền của bê tông HVFC cho thấy bê tông có độ bền cao có thể đạt được bằng cách hạ thấp tỷ lệ nước/ bột xuống 0.23-0.3 và

hàm lượng chất kết dính khoảng 500-600 kg/m3, với việc thay thế 50% đến 60% xi măng bằng tro bay Bê tông đạt được cường độ nén từ 60-80 MPa và độ bền kéo là 4.2 MPa ở thời gian 1 năm Phụ gia siêu dẻo copolyme sử dụng (1%) trong nghiên cứu này Bê tông đạt tính công tác cao được đo bằng bàn chảy khoảng 500 mm hoặc sụt 185 mm

Tăng khả năng chống thấm của bê tông HVFC

Khả năng thấm là thông số chính để đánh giá độ bền của bê tông Tính thấm là tính chất về là khả năng dễ dàng cho chất lỏng hoặc khí có thể đi qua, thấm qua bê tông Nó liên quan đến độ kín của cấu trúc khi giữ chất lỏng và sự tấn công hóa học Độ thấm thường được yêu cầu tối đa không được vượt quá 1,5x10 -11 m/s Theo Malhotra và Mehta (2005) [20], giá trị tính thấm của bê tông thường có tỷ lệ nước/ xi măng 0,4 là đạt 10-12 m/s, trong khi đó bê tông HVFC có độ thấm thấp nói chung là 10-13 m/s, thấp hơn 10 lần so với bê tông thường Điều này là do cấu trúc lỗ rỗng nhỏ dày đặc và không liên tục của HVFC Bổ sung tro bay đã được chứng minh là làm giảm tính thấm của bê tông bằng cách giảm nước trộn và bằng cách phản ứng thứ cấp với Ca(OH)2 thành C-S-H Khi rỗ rỗng kín có một vai trò quan trọng trong việc giảm tất cả các vấn đề về độ bền như xâm nhập ion clorua, sulfate tấn công, phản ứng kiềm silic và ăn mòn cốt thép, v.v.[20,31] Do đó, việc sử dụng tro bay không chỉ cải thiện độ bền của bê tông mà còn mang lại lợi ích về kỹ thuật và môi trường cho bê tông Giảm tính thấm là giải pháp cho hầu hết các vấn đề về độ bền của bê tông Bởi vì cấu trúc vi mô đặc chắc hơn, HVFC cho thấy độ thấm thấp hơn và tạo ra bê tông có sự kháng ăn mòn tốt hơn với sự xâm nhập của ion clorua và sunfat Sự kết hợp của hiệu ứng lấp đầy và hình dạng hình cầu của tro bay, hàm lượng nước thấp và phản ứng pozzolanic dẫn đến tạo nhiểu sản phẩm đặc chắc hơn trong cấu trúc vi mô của bê tông, bê tông có khả năng chống nứt và độ bền cao [20] Bê tông HVFC cho thấy các đặc tính độ bền vượt trội so với bê tông thường [32] Kết quả nghiên cứu của Rivera et al (2015) [33] cho thấy sử dụng tro bay thay thế xi măng từ 40-80% cho tính thấm thấp hơn nhiều so với bê tông thường

Tăng khả năng chống ăn mòn sulfate

Để hạn chế sự xâm thực của sulfate, bê tông phải được thiết kế xem xét các vấn đề sau: Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính (tro bay & silica fume, v.v.), mác xi măng, chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu, tỷ lệ nước/ bột tối thiểu, hàm lượng chất kết dính tối thiểu Sử dụng loại xi măng bền sulfate cao (ví dụ ASTM C150 type V), lượng SO3 không được vượt quá 4% khối lượng xi măng Cần áp dụng thêm chất phủ, trám thích hợp cho bê tông

tiếp xúc với môi trường có chu trình ướt khô liên tục, và không nên sử dụng biện pháp dưỡng hộ nhiệt để thúc đẩy đóng rắn cho bê tông tăng cường độ sớm Tính bền sunfate chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi khoáng C3A hoặc tricalcium aluminate trong thành phần xi măng Khi C3A > 5%, khả năng kháng sulfate giảm [34] Vì HVFC chứa ít xi măng hơn so với bê tông thường, hàm lượng C3A cũng giảm, không đủ lượng C3A để tạo Ettringite đó là lý do cho việc giảm tác động xâm thực của sulfate trong HVFC Trong điều kiện xâm thực cao, nơi có nồng độ Sunfate vượt quá 2000 ppm trong nước ngầm, 1% trong đất, tiêu chuẩn AS 3972 (2006) khuyến nghị, dùng xi măng tối thiểu hàm lượng 320 kg/m3, tỷ lệ nước/ bột tối đa là 0,5 và sử dụng xi măng bền sulfate Loại SR (CCAA 2009a) [35]

Giảm khả năng phản ứng kiềm-silic

Phản ứng kiềm cốt liệu hay còn gọi là phản ứng kiềm-silic “Alkali-Silica Reaction” (ASR) xảy ra khi có sự hiện diện của kiềm trong xi măng, độ ẩm trong bê tông và pH của dung dịch trong các lỗ rỗng cao [36] Như Hình 1.3, hình ảnh SEM của bê tông có tấn công ASR (Winter 2012) [37]

Hình 1.3 Ảnh SEM thể hiện các vết nứt do ASR [37]

Khi sử dụng các phụ gia khoáng như tro bay và silica fume có thể giảm ASR trong bê tông Khi sử dụng tro bay làm giảm tính thấm và độ khuếch tán do hoạt tính pozzolanic, do độ ẩm hoặc làm giảm kiềm trong bê tông Nó cũng làm giảm pH của dung dịch trong lỗ rỗng bằng cách giảm Ca(OH)2 thông qua phản ứng pozzolanic

Và, khi thay thế xi măng bằng tro bay làm giảm độ kiềm trong bê tông Sử dụng tro bay có thể làm giảm tác dụng của 3 yếu tố chính gây ra ASR Do đó, khả năng ASR trong bê tông HVFC giảm Trong HVFC, lượng vôi dư thừa được giảm thiểu bởi phản ứng pozzolanic (Chatterji 1979) [38] Một nghiên cứu về cấu trúc vi mô của bê tông tính năng cao Vivekanandam và Patnaikuni (1997) [39] sử dụng silicafume cho thấy cốt liệu được

bao phủ bởi các hạt siêu mịn silica fume, chúng hấp thụ Ca(OH)2 xung quanh các cốt liệu bởi phản ứng pozzolanic và làm tăng cường độ nén và giảm khả năng phản ứng kiềm silic

Quá trình carbonat hóa của bê tông thấp

Quá trình cácbonát hoá làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến phá huỷ kết cấu bê tông cốt thép

Sự có mặt của độ ẩm là yếu tố thúc đẩy mang CO2 xâm nhập vào bê tông Do đó, cacbonat hóa phụ thuộc rất nhiều vào độ xốp và tính thấm của bê tông, hay phụ thuộc vào mức độ đặc chắc của bê tông Độ xốp là đường dẫn CO2 và H2O vào bê tông, và phụ thuộc vào tỷ lệ nước/ xi măng Trong nghiên cứu của Pacheco-Torgal et al (2013) [40], bê tông có tỷ lệ nước/ xi măng 0,6 có chiều sâu carbonat hóa 15 mm đạt được sau 15 năm, nhưng nếu bê tông có tỷ lệ nước/ xi măng thấp, độ sâu carbonat sẽ cần tới 100 năm để đạt được mức tương tự Một nghiên cứu của Poutos et al (2008) [41] khẳng định khả năng carbonat hóa phụ thuộc vào các yêu tố: tỷ lệ nước/ xi măng, mức độ đặc chắc bê tông, độ xốp và độ thấm, các điều kiện tiếp xúc với CO2 như nồng độ, thời gian tiếp xúc và độ ẩm

Bê tông hàm lượng tro bay cao HVFC xảy ra quá trình cacbon hóa thấp, vì lý do hàm lượng Ca(OH)2 thấp hơn có thể phản ứng với CO2, do đó quá trình carbonat hóa có thể diễn ra chậm hơn do vật liệu ít có sẵn trên mỗi đơn vị diện tích để phản ứng với CO2 Ngoài ra do số lượng sản phẩm thủy hóa, đặc chắc hơn trong HVFC lấp đầy lỗ mao quản, độ xốp giảm xuống để không cho phép CO2 xâm nhập

Giảm sự xâm nhập ion clorua và tăng khả năng chống ăn mòn thép

Sự thâm nhập ion clorua là nguyên nhân lớn nhất gây phá vỡ cấu trúc bê tông cốt thép đến bê tông bình thường tiếp xúc với môi trường xâm thực ví dụ nước biển Các ion clorua cũng có thể có trong nước trộn, cốt liệu hoặc các phụ gia tăng tốc Ion clorua tự do nếu khuếch tán xâm nhập với lượng đủ lớn sẽ làm thay đổi cấu trúc vi mô của bê tông và ăn mòn cốt thép, nó sẽ làm mất lớp bảo vệ thụ động trên cốt thép và gây ra sự ăn mòn, ngay cả trong điều kiện dung dịch rỗng trong bê tông có tính pH cao Phản ứng của clorua với tri-canxi aluminate chưa hydrat hóa sẽ tạo ra một sản phẩm không hòa tan được gọi là muối Friedel

CaCl2 + 3CaO.Al2O3 + nH2O → 3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O Clorua + tricalcium aluminate → muối Friedel

Quá trình xâm nhập ion clorua từ bên ngoài vào bê tông là một quá trình phức tạp bao gồm một số cơ chế, ví dụ như khuếch tán, hút mao quản và đối lưu Xâm nhập của nó bị ảnh hưởng bởi một số thông số [42] Tuy nhiên, sự có mặt của nước là lý do do các ion CO2 và clorua cần hòa tan trong nước Các tác nhân gây hại có thể xâm nhập vào bê tông và phản ứng có hại với bê tông xi măng chỉ khi hòa tan trong nước Yếu tố quan trọng nhất liên quan đến sự xâm nhập của ion clorua là độ xốp của bê tông trong đó độ xốp thấp hơn dẫn đến giảm sự xâm nhập của ion clorua Do đó, tỷ lệ nước/ xi măng thấp và sản phẩm thủy hóa nhiều hơn trong bê tông làm giảm độ xốp của bê tông và việc sử dụng vật liệu pozzolanic như silica fume hoặc tro bay sẽ làm giảm độ xốp [43,44]

Tính thấm và sự hiện diện của độ ẩm là nguyên nhân chính trong xâm nhập ăn mòn bởi clorua Tính thấm và sự hiện diện của Ca(OH)2 trong bê tông là nguyên nhân gây ra sự carbonat hóa Trong bê tông HVFC, lượng tro bay cao làm giảm cả 2 yếu tố trên bởi phản ứng pozzolanic của tro bay làm giảm ăn mòn do clorua và cacbonat gây ra [20,45]

Nghiên cứu về cấu trúc của bê tông HVFC

Phản ứng hydrat hóa của xi măng rất nhanh, còn phản ứng pozzolanic thì chậm hơn Đó là lý do bê tông có hàm lượng tro bay cao phát triển cường độ chậm hơn Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của phản ứng pozzolanic ít hoặc không ảnh hưởng đến ít nhất 7 ngày đầu hydrat hóa và sự đóng góp cường độ đáng kể chỉ có thể được quan sát sau 28 ngày, được đo bằng tỷ lệ suy giảm vôi bằng Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) (Deschner et al 2012) [46]

Theo Halse et al (1984) [47], chỉ sau 7-14 ngày, phản ứng pozzolanic bắt đầu Sau 7 ngày, một lượng phản ứng có thể đo được diễn ra trong hệ thống tro bay [48] Việc hòa tan các lớp bề mặt tro bay bên ngoài (giai đoạn thủy tinh) mất tối thiểu 7 ngày Sự hình thành của mullite và quartz diễn ra sau khi hòa tan pha thủy tinh của tro bay (Kaolite) Và, mullite và quartz chưa phản ứng Mức độ phản ứng là khoảng 5% tro bay Sau 7 ngày, các hạt tro bay có tham gia phản ứng hóa học hình thành Ettringite Ở giai đoạn 90 ngày, tro bay có mức độ phản ứng từ 14.8% đến 22.6% và có tới 80% tro bay vẫn không được phản ứng ở tuổi 90 ngày Các lớp lõi của hạt xi măng không phản ứng và các hạt tro bay này coi như các cốt liệu siêu nhỏ cũng đóng góp vào tăng độ đặc và cường độ cho bê tông, (Wong etal 1999) [48]

Nghiên cứu về cấu trúc vi mô của bê tông hàm lượng tro bay cao cho thấy tỉ lệ tăng cường độ nén cuối cùng của bê tông có sử dụng tro bay sẽ cao hơn nhiều so với bê tông

không tro bay Điều này là do sự gia tăng sản phẩm C-S-H của phản ứng tro bay với CH là Ca(OH)2 Cường độ phát triển tối đa phụ thuộc vào lượng C-S-H được tạo ra từ phản ứng hydrat hóa xi măng và phản ứng pozzolanic Nhưng, không chỉ số lượng C-S-H ảnh hưởng đến tính chất bê tông, mà cả cấu trúc vi mô và độ xốp ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Cả nghiên cứu lý thuyết và cấu trúc SEM của Monteiro (1985) đều cho thấy độ đồng nhất của cấu trúc vi mô bê tông được cải thiện rất nhiều khi bổ sung tro bay Điều này là do hiệu ứng làm đầy lỗ rỗng mao quản, cũng như phản ứng pozzolanic của tro bay Các phân tích cấu trúc vi mô của bê tông cho thấy rằng sự hiện diện của tro bay trong hỗn hợp bê tông làm giảm lượng canxi hydroxit hình thành trong giai đoạn đầu của quá trình hydrat hóa Nghiên cứu cấu trúc vi mô của Monteiro (1985) [49] cũng cho thấy tổng lượng C-S-H tăng lên khi bổ sung tro bay lên tới 30% thay thế xi măng Hình 1.4 cho thấy cấu trúc vi mô của bê tông tro bay a) trong giai đoạn phản ứng và b) trong giai đoạn đã đóng rắn, hoàn thành phản ứng pozzolanic

a) Tro bay trong giai đoạn phản ứng b) Vữa xi măng đã đóng rắn

Hình 1.4 Cấu trúc của bê tông có sử dụng tro bay [49]

Một số ứng dụng thực tế của bê tông HVFC

Với mức thay thế tro bay lớn, bê tông HVFC có thể được sử dụng trong các kết cấu bê tông lớn để giảm nhiệt của hydrat hóa và nứt do nhiệt Nếu các cấu kiện như móng, tường, cột và dầm không yêu cầu cường độ sớm, thì HVFC có thể được sử dụng với thời gian bảo dưỡng tối thiểu là 7 ngày Nếu không thể đáp ứng việc bảo dưỡng tối thiểu 7 ngày, thì có thể phải sử dụng lượng tro bay thấp hơn

Bê tông HVFC có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng kết cấu khác nhau Tro bay không chỉ được sử dụng thường xuyên trong các ứng dụng bê tông khối lớn, mà còn được sử dụng trong các kết cấu cột, tường và tấm sàn Mặc dù công nghệ đã cải thiện các tính năng của bê tông HVFC, một số hỗn hợp có thể không phù hợp với một số ứng dụng đòi

nhận, tùy thuộc vào điều kiện, đối với các ứng dụng bê tông khối lớn và nền móng Ở những nơi sử dụng tỷ lệ tro cao hơn, tuổi chấp nhận cường độ có thể cần kéo dài đến 56 hoặc 90 ngày Cột và tường chịu cắt nói chung có thể chấp nhận 30% đến 35% tro bay, đặc biệt là khi cần quan tâm đến thời gian Hàm lượng xi măng cao hơn (20% đến 30% tùy thuộc vào hoàn cảnh) có thể được yêu cầu để cung cấp thời gian hoàn thiện thích hợp cho sàn lát trên kim loại tiếp xúc với nhiệt độ làm nguội và để đạt được cường độ 20,6 MPa (3.000 psi) ở ba ngày tuổi cho các ứng dụng bê tông dự ứng lực

Li xiang và các cộng sự năm 2011 đã báo cáo dự án ứng dụng của HVFC Bê tông hàm lượng tro bay cao đã được sử dụng để đúc tấm móng lớn đổ toàn khối của Tháp Thiên Tân, có khối lượng khoảng 20.000 m3, nhằm giảm nguy cơ nứt trong quá trình xây dựng Các đặc tính của bê tông đã đóng rắn được bảo dưỡng trong các điều kiện khác nhau đã được khảo sát Một mô hình của cấu trúc lớn với kích thước 4.5 × 4.5 × 4 m được đúc bằng bê tông này Sự phát triển nhiệt độ trong lõi của cấu trúc bê tông đã được đo Kết quả cho thấy nhiệt độ tăng trong lõi tương đối thấp và cường độ nén của bê tông đóng rắn trong điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 60 ngày là 54.3 MPa [50]

Nghiên cứu của Mark Reiner và Kevin Rens năm 2006 đã đánh giá xem hỗn hợp bê tông hàm lượng tro bay cao có mang lại lợi ích về môi trường và kinh tế mà vẫn đạt được các yêu cầu làm việc như độ bền và cường độ cần thiết hay không để thiết kế móng và tường tầng hầm của kết cấu Thử nghiệm bao gồm trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm hàng loạt quy mô lớn, thử nghiệm độ bền và sản xuất bốn loại sản phẩm Các sản phẩm bao gồm một hố ga đúc sẵn (Hình 1.5), lắp đặt các tấm đường, lề đường và các tấm máng xối ở khu vực Denver, Colorado (Hình 1.6) hoặc dầm ứng suất trước twintee [51]

Hình 1.5 HVFC được sử dụng làm nắp và hố ga đúc sẵn

Hình 1.6 HVFC được ứng dụng vào thi công phần lề đường và rãnh nước

Một ứng dụng khác của sản phẩm HVFC được báo cáo bởi Chrismer và các cộng sự năm 2010 Bốn hỗn hợp bê tông HVFC với 50%, 60%, 70% và 80% tro bay loại F được

thiết kế và thử nghiệm về cường độ nén, kéo và độ thấm Các kiểm tra bền nén được thực hiện ở 3, 7, 28 và 56 ngày tuổi Độ thấm và độ bền kéo của hỗn hợp được đo ở 28 và 56 ngày tuổi Loại bê tông này được ứng dụng cho mặt đường bê tông của đường phố và đường cao tốc ở Colorado Cường độ nén tại hiện trường yêu cầu của bê tông này là 29 MPa ở 28 ngày; hàm lượng chất kết dính tổng tối thiểu là 392kg/m3; Hàm lượng không khí nằm trong khoảng 4-8% và tỷ lệ nước/ chất kết dính tối đa là 0.44 [52]

Ngoài ra, bê tông thàm lượng tro bay cao còn được ứng dụng ở các công trình như: dự án Kỹ thuật cơ sở hải quân sử dụng từ 25-40% tro bay được nghiệm thu ở giai đoạn 28-56 ngày tuổi Dự án đập Olivenhain ở San Diego sử dụng đến 65% tro bay được nghiệm thu sau 365 ngày tuổi Dự án sân bay Washbum sử dụng 35% tro bay được nghiệm thu sau 28-56 và 90 ngày tuổi; và dự án Caltrans sử dụng 25-35% tro bay, được nghiệm thu sau 42 ngày tuổi [53,54]

Nghiên cứu của nhóm Jin Chenhua và các cộng sự năm 2017 nhằm phát triển một loại vật liệu xây dựng bền vững sử dụng một lượng tro bay cao (không ít hơn 70% trọng lượng vật liệu kết dính) Dựa trên tối ưu hóa phân tích vi cấu trúc, cơ tính và phân bố kích thước hạt (PSD), sáu hỗn hợp với tỷ lệ tro bay và xi măng khác nhau (2,4 ÷ 4,4) đã được thiết kế Các tính chất cơ học của bê tông hàm lượng tro bay cao đã được nghiên cứu thông qua các thử nghiệm kéo, thử nghiệm nén và thử nghiệm uốn Kết quả thử nghiệm cho thấy tất cả các mẫu đều đạt yêu cầu theo thiết kế vượt 30 MPa sau 28 ngày, phù hợp cho các ứng dụng kết cấu Tro bay được chứng minh là có lợi trong việc cải thiện độ kéo và uốn, nhưng một hàm lượng quá lớn tro bay được sử dụng thì tính cải thiện lại không nhiều Hỗn hợp bê tông (với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng khoảng 76% trọng lượng) được thiết kế trong nghiên cứu này được đề xuất cho các ứng dụng kết cấu [55]

Yun-Wang Choi và các cộng sự năm 2015 đã báo cáo về khả năng ứng dụng thực tế của bê tông HVFC có độ lưu động cao, cường độ nén có thể đạt được tuổi sớm tương tự như trong trường hợp bê thông thường, thông qua việc điều chỉnh hàm lượng nước/ lượng chất kết dính Sự tăng nhiệt hydrat hóa và độ co khô được cải thiện hơn so với khi dùng bê tông xi măng OPC Do đó, bê tông HVFC có độ lưu động cao sẽ làm giảm nhiệt thủy hóa và giảm độ co ngót khi thi công tại hiện trường [56] Báo cáo trong ACI 232.3R-14 đã trình bày thông tin kỹ thuật hỗ trợ việc sử dụng bê tông tro bay khối lượng lớn cho các ứng dụng kết cấu Các ưu điểm và hạn chế của bê tông tro bay khối lượng lớn đã được thảo luận, đồng thời đề cập đến các đặc tính của vật liệu tươi và cứng cũng như độ bền của vật liệu

trong các môi trường xâm thực khác nhau Các ứng dụng thực địa được trình bày cùng với các tính năng bền vững

Một số hạn chế của bê tông HVFC

- Thời gian đông kết bị kéo dài - Chậm phát triển cường độ

- Cường độ tuổi sớm tương đối thấp

- Giảm tiến độ thi công, khai thác công trình - Khó sử dụng trong thời tiết lạnh

Tổng quan về nghiên cứu HVFC tại Việt Nam

Ở Việt Nam, từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước, các nghiên cứu về tro bay và và tro xỉ đã được Viện Vật liệu xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng và các đơn vị nghiên cứu khác thực hiện Tuy nhiên hàm lượng tro bay sử dụng khá thấp, thường tới 25%

Đầu thế kỷ 21, tro bay đã được nghiên cứu và sử dụng vào các công trình thực tế với hàm lượng tro bay cao hơn, ứng dụng vào bê tông đầm lăn, bê tông khối lớn để giảm nhiệt thủy hóa, chế tạo xi măng ít tỏa nhiệt Các công trình tiêu biểu sử dụng tro bay trong bê tông đầm lăn như: Công Trình Đập Thủy điện Sơn La tại Sơn La, Bản Chát tại Lai Châu, đập thủy lợi Định Bình ở Tỉnh Bình Định, thủy Điện Dak Drinh, Sông Tranh 2 tại Quảng Nam, đập Nước Trong Tại Quảng Ngãi

Nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện làm phụ gia khoáng để sản xuất xi măng Portland hỗn hợp, xi măng Portland hỗn hợp bền Sunfate và ít tỏa nhiệt, các tác giả đã khẳng định tro bay nhiệt điện là một loại phụ gia khoáng hoạt tính, tùy thuộc vào chất lượng tro bay, chất lượng xi măng để lựa chọn tỷ lệ sử dụng tro tới 50 % đồng thời khuyến cáo nên sử dụng công nghệ trộn chung xi măng và tro bay đã qua tuyển và sấy khô để thu được xi măng Portland hỗn hợp đạt chất lượng tốt nhất

Nghiên cứu của tác giả Vũ Hải Nam [57] về bê tông sử dụng tro tuyển Phả Lại với hàm lượng tro bay cao tới 50% dùng cho đập trọng lực, một số kết luận của nghiên cứu: nhiệt thủy hóa chất kết dính và nhiệt độ bê tông, khi tăng tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro tuyển Phả Lại nhiệt thủy hóa chất kết dính giảm tỷ lệ thuận với lượng xi măng bị thay thế Cường độ vữa, bê tông có hàm lượng tro tuyển Phả Lại cao phát triển tuân theo qui luật logarit thập phân của thời gian Mức tăng cường độ của vữa và bê tông tuổi dài ngày so với tuổi 28 (%) tăng khi tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro tuyển Phả Lại tăng Khi thay thế

xi măng bằng tro tuyển Phả Lại nhiệt độ tối đa của bê tông khối lớn giảm và thời gian đạt nhiệt độ tối đa tăng Việc kết hợp tro tuyển Phả Lại với phụ gia hóa dẻo chậm đông kết Lignôsunphônat, làm tăng hiệu quả giảm nhiệt độ tối đa của bê tông khối lớn và kéo dài thời gian đạt nhiệt độ tối đa Nhiệt độ đoạn nhiệt trong bê tông khối lớn giảm tỷ lệ thuận với lượng xi măng bị thay thế

TS Nguyễn Thanh Tùng và cộng sự [58], đã nghiên cứu sử dụng tro tuyển ướt Phả Lại tới 50% dùng chế tạo bê tông chất lượng cao, bê tông tự đầm, bê tông bền trong môi trường xâm thực và kết luận khi tăng tỷ lệ tro tuyển đến 50% kết quả bê tông đạt độ bền sulfate cao

Công ty Tư vấn Xây dựng Điện I thuộc tập đoàn EVN [5], đã tiến hành thí nghiệm bê tông đầm lăn cho công trình thủy điện Sơn La, sử dụng tro tuyển loại F và đưa ra kiến nghị về thành phần cấp phối bê tông sử dụng như trong Bảng 1.5 với tỷ lệ thay thế tro bay tới 72% xi măng

Bảng 1.5 Cấp phối Bê tông đầm lăn cho 1m3 công trình thủy điện Sơn La

XM PC

40, kg TT, kg

Dmax 50 mm, kg

Nghiên cứu của TS Trần Văn Miền và cộng sự (2013) [61] về đặc trưng nhiệt của bê tông sử dụng hàm lượng tro bay lớn, sử dụng tới 50% tro bay Khi có mặt tro bay trong bê tông dẫn đến sự phát nhiệt thủy hóa chậm và thấp hơn nhiều so với mẫu bê tông không sử dụng tro bay đồng thời làm giảm chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa tâm khối bê tông và nhiệt độ môi trường xung quanh Do đó sẽ hạn chế được các vết nứt do ứng suất nhiệt và có thể tính toán bố trí khối đổ lớn hơn, tạo điều kiện tăng tiến độ thi công Nhiệt độ tại tâm của khối bê tông có tỷ lệ nghịch với hàm lượng tro bay trong khối đổ Với tỷ lệ thay thế là 50% xi măng PC50 bằng tro bay đã giảm được 22oC tại tâm khối bêtông