TÓM TẮT LUẬN VĂN Tro trấu và rỉ đường thải ra từ các nhà máy sản xuất đường, cồn làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới sức khỏe con người.. Để giảm thiểu tác hại ô nhiễm, tro trấu và rỉ
Tổng quan
Vấn đề ô nhiễm môi trường
Lúa gạo là một loại cây lương thực quan trọng của thế giới Sản phẩm chính từ cây lúa là gạo, thu được sau khi xay xát loại bỏ lớp vỏ ngoài Trong quá trình xay xát, lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa là trấu được tách ra Trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, sẽ cháy trong quá trình đốt, và 25% còn lại chuyển thành tro Thành phần chính của trấu là cellulose, lignin và Hemi-cellulose (chiếm tới 90%), ngoài ra còn có nitơ và các hợp chất vô cơ khác Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40%.
2.1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm vỏ trấu và tro trấu tại Việt Nam
Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, 2 vùng trồng lúa lớn nhất cả nước Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10 % trong số đó được sử dụng [3] Lượng vỏ trấu còn lại bị thải thẳng ra môi trường đã gây hậu quả ô nhiễm môi trường, nguồn nước và các nguồn lợi gắn liền với nguồn nước (do dư lượng nước trừ sâu), gây tắc nghẽn giao thông đường thủy Vừa lãng phí nguồn nguyên liệu vừa gây hậu quả ô nhiễm môi trường
Một số nơi điển hình như Cần Thơ, An Giang, vỏ trấu trôi khắp các mặt sông ở vùng sâu gây ô nhiễm môi trường xung quanh và ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của người dân (Hình 2.1) Đi dọc một số bờ sông ở quận Ô Môn, huyện Thới Lai, huyện Cờ Đỏ của TP Cần Thơ như sông Thị Đội, sông Ngang sẽ thấy rất nhiều vỏ trấu trôi trên mặt sông Bờ sông ngập một màu vàng của vỏ trấu Nước sông ở những đoạn này vốn đã ô nhiễm, giờ quyện với mùi vỏ trấu phân hủy tạo nên một “hương vị” rất khó chịu
Hình 2.1:Vỏ trấu thải ra hệ thống sông ngòi gây ô nhiễm môi trường ở TP Cần Thơ và
Hình 2.2: Đổ thải tro trấu ra sông Hậu gây ô nhiễm ở xã Nhơn Mỹ, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang
Hiện nay, tại đồng bằng sông Cửu Long, trấu được sử dụng làm chất đốt cho nhiều nhà máy gạch tại đây Hàng ngày, các nhà máy này thải ra môi trường một lượng tro rất lớn Nhiều chủ cơ sở sản xuất gạch nung ở dọc các tuyến sông rạch ĐBSCL vẫn đổ tro trấu xuống sông rạch Hầu hết các lò gạch nung còn hoạt động đều thải khói đen ra không khí khiến môi trường sống ngày càng xuống cấp
Người dân sống dọc sông Hậu thuộc xã Nhơn Mỹ, huyện Chợ Mới (An Giang) cho biết hàng chục lò nung gạch hoạt động quanh năm đã thải khói đen vào nhà họ, gây ra nhiều bệnh tật (Hình 2.2) Khói bụi từ các lò gạch còn làm ám đen nhiều khu vực ruộng vườn khiến cây trồng không thể ra hoa kết trái Mùa mưa, nước mưa chảy tràn qua khu vực chứa tro trấu lộ thiên của các lò gạch này rồi tuôn xuống sông khiến nước sông đen sì, không thể tắm rửa hay sử dụng được
Tại Vĩnh Long, hiện vẫn còn hàng ngàn lò gạch ở dọc các sông rạch như Cổ Chiên, Măng Thít thải khói bẩn ra môi trường Nhiều người làm việc tại các lò gạch còn thản nhiên đổ tro trấu, xà bần xuống sông rạch mà không bị xử lý hay nhắc nhở
2.1.1.2 Một số ứng dụng của vỏ trấu hiện nay
Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt
Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà côn nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: Sản lượng lúa năm 2007 cả nước đạt 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu 10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn (Nguồn Bộ Nông Nghiệp và phát triển Nông Thôn) Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương đương 7,4 triệu tấn [3]
Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long
Vỏ trấu làm nguyên liệu xây dựng sạch
Tập đoàn Torftech Anh quốc cho biết sau khi đốt mỗi tấn vỏ tráu sẽ tạo ra 180kg tro, có giá trị là 100 đô la, có thể sử dụng làm phụ gia cho xi măng và có thể thay thế trực tiếp SiO2 trong xi măng Thực chất, các nhà khoa học từ lâu đã phát hiện vỏ tráu có giá trị khi sử dụng làm nguyên liệu xây dựng Trong tráu có chứa hàm lượng SiO2 rất cao, mà đây lại là thành phần chính trong xi măng Tuy nhiên, nếu muốn tận dụng tro thu được sau khi đốt vỏ tráu làm nguyên liệu thay thế xi măng thì phương pháp này sẽ tạo ra hàm lượng Carbon trong tro vỏ tráu rất cao, không thể thay thế thành phần xi măng.
Mới đây, theo tin từ Discovery, dưới sự hỗ trợ của các quỹ khoa học xã hội, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện một phương pháp gia công vỏ trấu mới, có thể đồng thời sử dụng tro vỏ trấu làm thành phần trong xi măng, thúc đẩy sự phát triển nguyên liệu xây dựng sạch
Trên thực tế, việc sử dụng bê tông và tiêu hao đặt ra vấn đề khó khăn khi gây ra sự biến đổi khí hậu Mỗi tấn xi măng dùng để sản xuất bê tông, thì phải xả ra không trung một tấn CO2 Mà trong phạm vi toàn thế giới, việc sản xuất xi măng chiếm 5% lượng thải khí Carbon trong tất cả những hoạt động của con người
Sở dĩ tro vỏ trấu chưa thể làm thành phần chính trong xi măng là bởi vì hàm lượng Carbon quá cao Nếu có thể giải quyết vấn đề này thì tro vỏ trấu sẽ trở thành nguyên liệu tốt của bê tông, từ đó có thể giảm bớt đi lượng Carbon thải ra từ ngành bê tông
Ngoài ra các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bath và Dundee, cùng với các cộng sự ở Ấn Độ cũng đang phát triển loại xi măng thân thiện với môi trường từ việc sử dụng các vật liệu thải như vỏ trấu
Xi măng Portland, thành phần chính của bêtông được sản xuất bằng quy trình nung đá vôi với đất sét ở nhiệt độ cao, mỗi tấn xi măng được sản xuất thải ra khoảng 1 tấn CO2[3]
Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các cách để làm giảm khí thải CO2 bằng cách thay thế một phần xi măng portland bằng các vật liệu thải như tro bay từ quá trình đốt than, xỉ trong luyện thép và thậm chí là vỏ trấu
Nguyên liệu sử dụng
Xi măng pooclăng là chất kết dính vô cơ rắn trong nước, sản xuất bằng phương pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét đã phối hợp theo một tỷ lệ hợp lý đến nhiệt độ nóng chảy để tạo thành clinke, đem clinke nghiền nhỏ với 3 – 5% thạch cao Thạch cao có tác dụng điều chỉnh tốc độ ngưng kết của xi măng cho phù hợp với thời gian thi công [6]
2.2.1.1 Thành phần pha của clinke xi măng
Silicat tricanxit: 3CaO.SiO2 (C3S) còn gọi là Alit
Silicat dicanxit: 2CaO.SiO2 (C2S) còn gọi là Belit
Tetra canxi fero aluminat: 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) còn gọi là celit Ngoài ra, còn có một số thành phần phụ như 5CaO.3Al 2 O 3 , 2CaO.Fe 2 O 3 , CaO và MgO tự do
Quá trình đóng rắn của xi măng pooc lăng là quá trình hồ xi măng biến thành đá xi măng Xi măng sau khi nhào trộn với nước trải qua ba giai đoạn: giai đoạn hòa tan – giai đoạn hóa keo – giai đoạn kết tinh và tiếp theo đó là quá trình rắn chắc Đầu tiên trong khoảng 1 – 3 giờ sau khi nhào trộn nó dẻo và dễ tạo hình; sau đó nó bắt đầu ninh kết thể hiện qua dấu hiệu hồ xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ Giai đoạn này kết thúc trong 5 – 10 giờ sau khi nhào trộn Sau đó, hỗn hợp chuyển từ trạng thái đặc sệt sang trạng thái rắn chắc, có nghĩa là kết thúc ninh kết và bắt đầu rắn chắc Giai đoạn rắn chắc đặc trưng bằng sự tăng cường độ theo thời gian
Các phản ứng thủy hóa
Khi nhào trộn xi măng với nước, xảy ra quá trình thủy hóa giữa các khoáng trong xi măng, trong đó phản ứng alit với nước là:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO 2 3H2O + 3Ca(OH)2 (1.1)
Vì đã có Ca(OH) 2 tách ra từ alit nên belit thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH) 2 hơn:
2(2CaO.SiO2) + 4H2O 3CaO.2SiO 2 3H2O + Ca(OH)2 (1.2)
C 3 A và C 4 AF cũng phản ứng với nước:
3CaO.Al 2 O 3 + 6H 2 O 3CaO.Al 2 O 3 (1.3) 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + mH 2 O 3CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 6H 2 O + CaO.Fe 2 O 3 nH 2 O (1.4)
Phản ứng (1.3) xảy ra rất nhanh và làm xi măng khô sớm Do đó, có thể làm chậm quá trình ninh kết, khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng 3 – 5% đá thạch cao đóng vai trò là chất hoạt động hóa học của xi măng, tác dụng với C 3 A ngay từ đầu để tạp thành sunphoaluminat tricanxit (khoáng ettringhit)
Phản ứng tạo ettringhit 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O diễn ra trong dung dịch bão hòa Ca(OH)2, ban đầu ettringhit ở dạng keo lắng đọng trên bề mặt 3CaO.Al2O3, làm chậm quá trình thủy hóa Khi nồng độ Ca2+ tăng, ettringhit chuyển thành dạng tinh thể, tạo cường độ ban đầu cho xi măng Thể tích ettringhit gấp đôi chất tham gia, giúp lấp đầy lỗ rỗng, tăng cường độ và độ ổn định của đá xi măng.
2.2.1.3 Ca(OH) 2 và sự ăn mòn đá xi măng Đá xi măng là loại vật liệu có cường độ chịu lực cao, khá bền vững trong môi trường, tuy nhiên sau một thời gian sử dụng đá xi măng thường bị ăn mòn làm giảm chất lượng của công trình Đá xi măng bị ăn mòn chủ yếu là do sự tác dụng của các chất khí và chất lỏng lên các bộ phận cấu thành xi măng đã rắn chắc (chủ yếu là Ca(OH) 2 và 3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O) Trong thực tế có tới hàng chục chất gây ra ăn mòn đá xi măng
Mặc dù các chất gây ăn mòn rất đa dạng, nhưng có thể phân ra 3 nguyên nhân cơ bản sau đây:
- Sự phân rã các thành phần của đá xi măng, sự hòa tan và rửa trôi hyđroxit canxi.
- Tạo thành các muối dễ tan do hyđroxit canxi và các thành phần khác của đá xi măng tác dụng với các chất xâm thực và sự rửa trôi các muối đó (ăn mòn axit, ăn mòn magiezit).
- Sự hình thành những liên kết mới trong các lỗ rỗng có thể tích lớn hơn thể tích của các chất tham gia phản ứng tạo ra ứng suất gây nứt bê tông (ăn mòn sunpho- aluminat).
Phần lớn các tác nhân xâm thực phản ứng với Ca(OH)2 trong đá xi măng, gây nên ăn mòn và làm giảm cường độ Quá trình ăn mòn hòa tan xảy ra khi Ca(OH)2 tan nhanh dưới tác dụng của nước mềm Sau 3 tháng, hàm lượng Ca(OH)2 giảm xuống còn 10-15% làm phân hủy CSH và C3AH6 Ăn mòn axit xảy ra khi dung dịch có pH < 7 Các axit tự do trong nước thải công nghiệp và khí chứa lưu huỳnh phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành muối tan, gây giảm thể tích.
H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O Ăn mòn magie: Gây ra do các loại muối chứa magie trong nước biển, nước ngầm, nước chứa muối khoáng tác dụng với Ca(OH) 2 tạo ra các sản phẩm dễ tan (CaCl2; CaSO4.2H2O) hoặc không có khả năng dính kết [Mg(OH)2] :
MgCl 2 + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + Mg(OH) 2 MgSO 4 + Ca(OH) 2 = CaSO 4 2H 2 O + Mg(OH) 2 Ăn mòn phân khoáng: Là do nitrat amôn phản ứng với Ca(OH)2 có trong đá xi măng: 2NH 4 NO 3 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O = Ca( NO 3 ) 2 4H 2 O + 2NH 3 Nitrat canxi tan rất nhiều trong nước nên dễ bị rửa trôi Phân kali gây ra ăn mòn đá xi măng là do làm tăng độ hòa tan của Ca(OH) 2 Supephotphat là chất xâm thực mạnh do trong thành phần của nó có chứa Ca(H 2 PO 4 ) 2 , thạch cao và cả axit photphoric
Để đảm bảo độ bền vững của bê tông xi măng, cần có giải pháp làm giảm hàm lượng Ca(OH)2 Phương án tối ưu và phổ biến nhất là sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính puzolanic chứa thành phần chủ yếu là SiO2 vô định hình Các loại phụ gia này thường được sử dụng gồm tro bay, tro trấu và silica fume, giúp làm giảm đáng kể hàm lượng Ca(OH)2 và nâng cao độ bền của bê tông.
Ca(OH)2 + SiO2 + mH2O CaO.SiO 2 nH2O
Tro trấu (RHA) là phần tro thu được sau khi đốt vỏ trấu để thu nhiệt phục vụ cho mục đích sấy nông sản, các nhà máy…
Thành phần hóa học của vỏ trấu tương tự như sợi hữu cơ thông thường và chứa: a) cellulose (C2H10O5), glucose polymer; b) lignin (C7H10O3), phenol polymer; c) hemicellulose, thành phần như xylem (C 5 H 8 O 4 ); và d) SiO 2 [11]
Sau khi đốt, các thành phần bay hết chỉ còn lại slilcate Tinh chất của tro phụ thuộc vào thành phần, nhiệt độ và thời gian nung Để có được tro với hoạt tính puzolanic cao, silica phải là pha tinh thể và có cấu trúc lỗ xốp micro Do đó, quá trình đốt phải được khống chế sao cho loại bỏ được cellulose và lignin mà không làm thay đổi cấu trúc vỏ trấu Quá trình đốt thải ra khí thải làm ảnh hưởng đến môi trường
Vỏ trấu chiếm khoảng 20% trên lúa Thế giới có tổng cộng là 20 triệu tấn vỏ trấu [11]
Sơ đồ nghiên và phương pháp nghiên cứu
Sơ đồ thực nghiệm
Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm
- Tro trấu được nghiền mịn bằng máy nghiền bi trong 20 phút Tro dạng bột được lấy ra ray qua sàng 0,5 mm, lấy phần dưới sàng
- Cát và bột đá nguồn từ Viện Địa lý Tài nguyên TP.HCM
- Rỉ đường và tro trấu lấy từ công ty TNHH SX TM Huy Việt Tây Đô
- Tro trấu được mang đi phân tích thành phần hóa (XRF), thành phần khoáng (XRD), IR, SEM, độ hút vôi, xác định thành phần hạt bằng laser
- Rỉ đường xác định thành phần hóa học
- Cát và bột đá đem đi xác định thành phần cấp hạt
- Bước 1: cho cát, bột đá, xi măng, tro trấu theo cấp phối (Bảng 4.5) trộn đều bằng máy trộn trong 10 phút, sau đó cho rỉ đường (nước) vào trộn tiếp tục trong 10 phút
- Bước 2: hỗn hợp trộn xong được mang đi ép tạo mẫu với khuôn 20x20x80 mm, lực ép tác dụng là 10 MPa
- Bước 3: mẫu được bảo dưỡng trong môi trường ẩm Sau đó, mẫu được đo cường độ nén, uốn ở 28 ngày tuổi, so sánh với tiêu chuẩn gạch bê tông TCVN 6477:2011
- Bước 4: các mẫu đạt tiêu chuẩn ở Bước 3 được kiểm tra tiếp cường độ 7, 14, 56 ngày; chụp IR, SEM các mẫu A0’, A0 và A4 xác định liên kết và cấu trúc vi mô
- Bước 5: chọn một cấp phối ép mẫu gạch thẻ và gạch lát nền chữ I
Các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong nghiên cứu
3.2.1 Xác định thành phần hóa (XRF)
- Nguyên lý chung cho máy phân tích XRF:
Nguyên lý XRF (x-ray fluorescence – huỳnh quang do tia X) là một trong những phương pháp PMI Thiết bị sử dụng các nguồn phóng xạ thấp (đồng vị) hay các đầu chiếu tia X Vật liệu được chiếu, chụp phát ra phóng xạ và năng lượng Vì mỗi nguyên tố đều có cấu trúc nguyên tử riêng của nó, nên sự phản xạ này sẽ tạo ra mức năng lượng riêng biệt cho mỗi nguyên tố khác nhau Người ta đo lường và dò tìm năng lượng này để xác định các nguyên tố và phần trăm các nguyên tố có mặt trong mẫu cần phân tích
- Mục đích: Định lượng thành phần hóa có trong nguyên liệu
3.2.2 Xác định thành phần khoáng bằng nhiễu xạ tia X (XRD)
- Nguyên lý chung cho máy phân tích XRD (định tính):
Mỗi pha gồm một loại ô mạng, một hệ mặt đặc trưng Những pha có cùng kiểu ô mạng vẫn phân biệt được do có thông số mạng khác nhau nên bộ vạch vẫn tách riêng ra được Mẫu gồm nhiều pha khác nhau, ảnh sẽ có nhiều bộ vạch tương ứng
Mỗi pha có ô cơ sở nhất định, có kích thước khác nhau cho ta những bộ vạch phổ khác nhau, không liên tục Dựa vào những đặc điểm này để xác định được các pha có mặt trong mẫu phân tích
Thông qua tác dụng của tia X ta có thể tìm được những khoáng có mặt trong nguyên liệu và trong sản phẩm Từ đó ta có thể so sánh những khoáng có trong nguyên liệu và sản phẩm Mặt khác nhiễu xạ tia X có thể xác định được thành phần pha có trong mẫu
3.2.3 Xác định độ hút vôi, TCVN 3735 – 1982
- Cơ sở của phương pháp thí nghiệm :
Cho phụ gia thủy vào nước vôi bão hòa, phụ gia thủy hấp thụ CaO trong nước vôi, lượng CaO còn dư dùng HCl 0.05 M chuẩn Từ đó tính ra lượng CaO do phụ gia thủy hấp thụ Trong nghiên cứu này ta dùng phương pháp nhanh khi nung nóng dung dịch
- Mục đích : Đánh giá hoạt tính của tro trấu
3.2.4 Xác định liên kết bằng phổ hồng ngoại (IR)
- Nguyên lý chung cho máy phân tích IR:
Bức xạ hồng ngoại ở vùng 50 μm – 1mm gây ra hiện tượng làm quay phân tử quanh trục không gian của nó, ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 0,8 – 50 μm gây ra những dao động của nguyên tử và các liên kết trong phân tử
Phân tử khi hấp thụ ánh sáng kích thích ở vùng hồng ngoại sẽ quay quanh trục cân bằng của chúng Những phân tử gồm những nguyên tử có độ âm điện khác nhau được kích thích bởi những vùng ánh sáng khác nhau và quay theo những hướng khác nhau Chính những dao động này tạo ra những tần số nhất định, và nhờ những tần số này ta có thể xác định các liên kết đặc trưng của các khoáng
Giúp ta xác định được những liên kết có mặt trong nguyên liệu, sản phẩm Từ kết quả phân tích, ta có thể xác định định tính, định lượng sơ bộ các thành phần có trong sản phẩm
Bảng 3.1: IR đặc trưng của xi măng thủy hóa [27]
Bước sóng (cm -1 ) Đặc trưng liên kết
925 Si – O (Xi măng chưa thủy hóa)
3.2.5 Quan sát bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
- Nguyên lý chung cho kính hiển vi điện tử quét SEM:
Trong phương pháp này, điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm A 0 đến vài nm) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này
Dựa trên hình ảnh thu được ta biết được cấu trúc của sản phẩm như pha khí, pha tinh thể, pha vô định hình…Từ đó ta có thể dự đoán được cơ tính của sản phẩm tạo thành
3.2.6 Xác định thành phần hạt
- Nguyên lý chung cho máy phân tích lazer điện tử :
Góc phản xạ tia sóng ánh sáng tới của các hạt vật liệu rời phụ thuộc vào đường kính hạt Hệ thống thấu kính trong các thiết bị này làm hội tụ các chùm tia nhiễu xạ lên một tế bào quang (sensor), ảnh của chùm tia thu được có dạng hình vành khuyên
Phân bố cường độ sáng trên tế bào quang điện (sensor) tỷ lệ với kích thước hạt Hệ thống tính toán sẽ tính toán kích thước hạt trên cơ sở phân bố năng lượng
Phương pháp tán xạ ánh sáng động được áp dụng hiệu quả trong các trường hợp kích thước hạt lớn hơn bước sóng của tia sáng chiếu tới (khoảng 0,1 μm) Điều này là do các hạt được coi là không trong suốt đối với tia chiếu tới, cho phép đạt được hiệu quả tán xạ ánh sáng cao, cung cấp thông tin có giá trị về kích thước và đặc tính của các hạt.
Xác định kích thước hạt để xem thành phần hạt trong nguyên liệu tro trấu
Hình 3.3: Thiết bị phân tích thành phần hạt laser BT-9300S tại cty CPPT Sài Gòn
3.2.7 Xác định độ bền nén của vật liệu (TCVN 6355-2 :2009)
Mẫu đo được đặt trên giá đỡ, lực phá hủy vật liệu (F) tác dụng lên tiết diện (S) vuông góc với lực ép, tốc độ tăng tải 0,2MPa/giây
S (MPa) Với: F là lực tác dụng lên mẫu (N)
S là tiết diện lực tác dụng lên (mm 2 ), trong đó S = a*a ; a là kích thước cạnh mẫu hình vuông (mm)
Mẫu đo: mẫu hình lập phương có cạnh 20x20x20 mm
Mục đích: đánh giá độ bền nén của mẫu
Hình 3.4: Máy đo độ bền nén tại Cty CPPT Sài Gòn
3.2.8 Xác định độ bền uốn của vật liệu (TCVN 6355-3:2009)
Mẫu được đặt trên 2 gối đỡ, gối lăn truyền lực ở giữa hai gối đỡ
Cường độ uốn từng mẫu thử (Ru), tính bằng MPa, theo công thức:
P là tải trọng phá hủy mẫu, tính bằng Niutơn
L là khoảng cách của hai gối dưới, tính bằng milimet w là chiểu rộng mẫu thử, tính bằng milimet h là chiều cao mẫu thử, tính bằng milimet
Mục đích: đánh giá độ bền uốn của mẫu
Hình 3.5: Sơ đồ thử cường độ uốn.
Kết quả thí nghiệm và biện luận
Khảo sát nguyên liệu
Tro trấu nguồn từ TNHH SX TM Huy Việt Tây Đô Tro được nghiền mịn bằng máy nghiền bi trong 20 phút Sau đó, tro trấu mang đi phân tích các chỉ tiêu: thành phần hóa, thành phần khoáng, thành phần hạt
Hình 4.1: Tro trấu đã được nghiền mịn
Mẫu tro trấu xác định thành phần hóa tại trường Cao Đẳng Hải quan TPHCM
Kết quả phân tích thành phần hóa cho ở Bảng 4.1.Tro trấu từ nhà máy do không kiểm soát được quá trình đốt nên mất khi nung lớn 15,51 % Thành phần chủ yếu của tro là SiO 2 69,03 %
Bảng 4.1: Kết quả thành phần hóa của tro trấu
Thành phần SiO2 CaO MgO P2O5 K2O MnO
Thành phần Fe 2 O 3 ZnO Rb 2 O SO 3 MKN
Hình 4.2: Thành phần khoáng của tro trấu
Kết quả XRD cho thấy mẫu tro trấu có các khoáng SiO 2 : quarzt và cristobalite
Cường độ của các pick thấp cho thấy lượng tinh thể không nhiều và chủ yếu ở dạng vô định hình
Tro trấu mịn cú kớch thước hạt trung bỡnh là 19,62 àm, thuận lợi cho phản ứng puzolanic giữa SiO 2 và Ca(OH) 2
Hình 4.3: Biểu đồ thành phần hạt của tro trấu
Phân tích độ hút vôi của tro trấu nhằm đánh giá mức độ hoạt tính của nó Độ hút vôi của tro trấu được đo bằng phương pháp nhanh: nung nóng dung dịch, TCVN 3735:1982
Bảng 4.2: Kết quả độ hút vôi của tro trấu
Lần VHCl(1) mCaO (1) mCaO(2) VHCl(2) mCaO(3) mCaO(4) mCaO(5)
VHCl(1):thể tích HCl 0,05N ứng với 50ml nước vôi(ml)
VHCl(2):thể tích HCl 0,05N ứng với 50ml dung dịch xác định (ml) mCaO(1):lượng CaO trong 50ml nước vôi bão hòa(mg) mCaO(2):lượng CaO trong 50ml dung dịch xác định (mg) mCaO(3):lượng CaO trong 50ml dung dịch sau khi bổ sung nước vôi (mg) mCaO(4):lượng CaO do 1g xỉ hấp thụ (mg) mCaO(5):lượng CaO bị hấp phụ từ đầu(mg)
Dựa vào kết quả phân tích độ hút vôi cho thấy có hoạt tính thuỷ lực trung bình theo TCVN 3735:1982, bằng 88,2 mgCaO/1g tro
Nguồn gốc rỉ đường từ TNHH SX TM Huy Việt Tây Đô Mẫu được gửi phân tích tại Trung tâm Phân tích Thí nghiệm TP.HCM Kết quả thành phần cho thấy rằng rỉ đường chứa 11,8% là protein, với độ đậm đặc Brix là 1,44, độ pH gần tương đương với nước pH= 6,66
Rỉ đường có tỷ trọng là 1,08 g/cm 3 Độ nhớt của rỉ đường gần tương đương với nước, kết quả độ nhớt cho ở Bảng 4.3
Bảng 4.3: Kết quả đo thời gian chảy của nước và rỉ đường [10]
STT Thời gian chảy (giây)
Rỉ đường với hàm lượng protein cao sẽ làm ảnh hướng tới quá trình thủy hóa xi măng Protein phản ứng với Ca(OH) 2 trong xi măng tạo thành một hợp chất phức với Ca, gây cản trở quá trình thủy hóa, kéo dài thời gian ninh kết
Bảng 4.4: Thành phần hóa rỉ đường
STT Thông số Đơn vị Chi tiết Kết quả
Glycine Valine Leucine Isolecine Threonine Serine Proline Aspartic Methionine 4-Hydroxyproline Glutamic axit Phenylalanine Lysine
Cát sử dụng trong thí nghiệm được mua ngoài của hàng vật liệu xây dựng Kết quả phân tích thành phần hạt cho mô dun cát là 1,06 (ASTM C136)
Bột đá sử dụng có nguồn gốc từ bột đá xanh Biên Hòa, mô đun bột đá là 2,28 (ASTM C136)
Sản phẩm xi măng Holcim PCB40 bao và rời dân dụng Sản phẩm xi măng Holcim PCB40 là sản phẩm xi măng portland hỗn hợp được sản xuất theo tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 đạt chất lượng PCB40, đã được trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn đo lường (Quatest 1) cấp chứng chỉ phù hợp tiêu chuẩn Đây là loại xi măng portland hỗn hợp thông dụng với chất lượng tốt, ổn định, phù hợp cho tất cả các công trình xây dựng dân dụng, các công trình hạ tầng và công trình công nghiệp.
Kết quả thí nghiệm
Phối liệu cho ở Bảng 4.5 Mẫu được tạo hình kích thước 20x20x80 mm với lực ép tạo hình là 10 MPa
Bảng 4.5: Thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm
Thành phần cấp phối Tro trấu
Bảng 4.6: Thành phần phần trăm cấp phối mẫu
Thành phần % theo khối lượng Tro trấu
4.2.2 Kết quả cường độ cơ lý của mẫu
Mẫu được bảo dưỡng trong môi trường ẩm sau đó kiểm tra cường độ kháng nén và uốn theo từng độ tuổi khác nhau Kết quả kiểm tra cường độ cho ở Bảng 4.7 Các mẫu có cường độ đạt tiêu chuẩn gạch bê tông TCVN 6477: 2011
Bảng 4.7: Kết quả cường độ uốn và nén các mẫu
Mẫu A0’ Mẫu A0 Mẫu A1 Mẫu A2 Mẫu A3 Mẫu A4
Cường độ kháng uốn (MPa)
Cường độ kháng nén (MPa)
Bảng 4.8: Quy định cường độ nén theo TCVN6477:2011
Mác gạch Cường độ nén (MPa) không nhỏ hơn
Kết quả cường độ chịu uốn và nén cho thấy rằng, mẫu sử dụng rỉ đường thay nước có sự thay đổi rất lớn về cường độ Tuy nhiên, khi có mặt tro trấu cường độ mẫu cải thiện đáng kể ở tất cả các độ tuổi và phù hợp với yêu cầu về cường độ của gạch xây theo tiêu chuẩn TCVN 6477:2011
Các mẫu chụp IR ở 56 ngày
Mẫu A0’ và A0 là hai mẫu so sánh quá trình thủy hóa của xi măng khi sử dụng rỉ đường thay nước
Hình 4.4: Kết quả IR mẫu A0'
Hình 4.5: Kết quả chụp IR mẫu A0
Dựa và kết quả IR, cho thấy rằng quá trình thủy hóa của xi măng của 2 mẫu A0’ và A0 đều tương tự nhau: liên kết OH của portlandit ở 3641cm -1 và các liên kết đặc trưng của xi măng thủy hóa (Bảng 4.9)
Bảng 4.9: Kết quả IR của mẫu A0' và A0
Bước sóng (cm -1 ) Đặc trưng liên kết
Hình 4.6: Phổ IR mẫu rỉ đường và nước
Loạt mẫu A1, A2, A3, A4 sử dụng tro trấu tăng từ 10 – 40 % (theo khối lượng)
Hình 4.7: Kết quả IR mẫu A1
Hình 4.8: Kết quả IR mẫu A4
Khi có tro trấu trong thành phần phối liệu, sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng có sự thay đổi một các rõ rệt dựa theo kết quả IR các mẫu A1, A2, A3, A4 Kết quả IR của các mẫu cho thấy không có sự xuất hiện của liên kết đặc trưng O-H của portlandic tại bước sóng 3641 cm -1 (Bảng 4.10) Sự thay đổi này là do phản ứng puzolanic làm giảm lượng Ca(OH) 2 có trong mẫu
Bảng 4.10: Kết quả IR mẫu có tro trấu
Bước sóng (cm -1 ) Đặc trưng liên kết Mẫu A1 Mẫu A2 Mẫu A3 Mẫu A4
Hình 4.9: Phổ IR các mẫu có tro trấu
4.2.3.3 Mẫu rỉ đường và rỉ đường ngâm vôi Để thấy rõ sự thảy đổi của rỉ đường khi có mặt vôi, em làm thí nghiệm so sánh phổ IR giữa mẫu rỉ đường và mẫu rỉ đường ngâm với vôi (với tỷ lệ vôi 10% theo khối lượng so với rỉ đường ngâm trong thời gian là 28 ngày)
Hình 4.10: Kết quả mẫu IR rỉ đường
Hình 4.11: Kết quả IR của rỉ đường khi có mặt vôi
Rỉ đường làm giảm thời gian đóng rắn của xi măng do thành phần protein phản ứng với vôi tạo ra từ quá trình thủy hóa xi măng, nhóm – COO - của phân tử protein phản ứng với Ca 2+ Để khảo sát, làm rõ hơn liên kết giữa Ca 2+ với protein, em tiến hành chụp IR mẫu rỉ đường ban đầu và mẫu rỉ đường có vôi
Nhận xét: Đối với protein, có hai nhóm chức đặc trưng là amin (-NH 2 ) và ion carboxylat (- COO - ), có băng tần hấp thụ sóng lần lượt ở 1660 – 1610 cm -1 và 1600 – 1590 cm -1 [9]
Ion Ca 2+ liên kết với protein thông qua nhóm –COO - , có đỉnh hấp thụ ở bước sóng 1580 cm -1 [37]
Dựa theo kết quả IR rỉ đường cho thấy có một đỉnh hấp thụ ở 1637,81 cm -1 , là đỉnh hấp thụ của nhóm –COO - , do sự chồng lấn đỉnh hấp thụ của nhóm amin nên đỉnh hấp thụ của nhóm –COO - thay đổi so với băng tần sóng đặc trưng của nó
Khi có mặt vôi trong thành phần rỉ đường, đỉnh hấp thụ nhóm –COO - có sự dịch chuyển từ 1637,81 cm -1 xuống 1583,89 cm -1 Sự thay đổi này là do có liên kết giữa nhóm –COO - với Ca 2+
Hình 4.12: Phổ IR của rỉ đường thay đổi khi có mặt vôi
4.2.4 Kết quả chụp vi cấu trúc ảnh SEM Để xác định cấu trúc vi mô, chụp mẫu ở độ tuổi 56 ngày Mẫu chụp gồm A0’, A0 và A4
4.2.4.1 Mẫu A0’ Ảnh SEM mẫu A0’ cho thấy rằng có nhiều tinh thể hình kim CSH và tinh thể tấm hình lục giác Ca(OH) 2
Hình 4.13: Ảnh SEM mẫu A0’ độ phóng đại x5000 (a,b)
4.2.4.2 Mẫu A0 Ảnh SEM cho thấy rằng mẫu A0 cũng có tinh thể hình kim CSH và các tinh thể dạng tấm lục giác Ca(OH)2 tuy nhiên không nhiều Quá trình phản ứng thủy hóa xi măng bị hạn chế
Hình 4.14: Ảnh SEM mẫu A0 độ phóng đại x5000 (a,b)
Do có mặt tro trấu trong mẫu, phản ứng thủy hóa xi măng và phản ứng puzolanic tạo ra nhiều CSH dạng sợi và không có các tinh thể Ca(OH) 2 dạng tấm Các tinh thể dạng sợi xuất hiện rất nhiều, nằm dày đặc trong những lỗ xốp
Hình 4.15: Ảnh SEM mẫu A4 độ phóng đại x2000 (a), x5000 (b).
Thảo luận
Dựa theo kết quả phân tích thành phần hóa của rỉ đường (Bảng 4.4), protein chiếm tới 11,8% Do vậy, khi sử dụng rỉ đường thay thế nước, protein sẽ gây ứng chế phản ứng thủy hóa làm chậm quá trình đóng rắn của vữa xi măng
Trong quá trình thủy hóa của vữa xi măng sẽ tạo ra Ca(OH) 2 Phần ưa nước của protein có trong rỉ đường sẽ phản ứng với vôi Ca(OH)2 tạo ra hợp chất phức Phần kị nước hướng ra ngoài, do đó làm giảm khả năng hạt xi măng tiếp xúc với nước [12] Điều này làm giảm khả năng thủy hóa của xi măng dẫn đến ảnh hưởng tới cường độ của mẫu Điều này thể hiện rõ ở kết quả cường độ so sánh giữa hai mẫu A0’(nước) và A0 (rỉ đường) (Hình 4.16) Hình 4.16a cho thấy ở độ tuổi 7 ngày, cường độ uốn mẫu A0’ là 4,29 MPa, trong khi mẫu A0 chỉ có 1,12 MPa ( bằng 26,1% so với mẫu A0’)
Cường độ uốn mẫu A0 vẫn không thay đổi nhiều cho đến 56 ngày mới đạt 41,97 % so với mẫu A0’ Tương tự với kết quả cường độ nén, mẫu A0’ thay đổi về cường độ rõ rệt qua từng độ tuổi, trong khi mẫu A0 cường độ tăng rất chậm Ở 56 ngày tuổi, cường độ mẫu A0 mới đạt gần bằng A0’ (86,54 % so với A0’)
Kết quả cường độ mẫu cho ta thấy ảnh hưởng rõ rệt của rỉ đường đối với vữa xi măng, làm chậm quá trình thủy hóa
Hình 4.16: Cường độ mẫu A0' và A0: a) uốn, b) nén
4.3.2 Ảnh hưởng của tro trấu tới quá trình phát triển cường độ
Tro trấu được biết như là một phụ gia khoáng hoạt tính puzolanic cho xi măng, cải thiện cường độ Sự ảnh hưởng của tro trấu đến mẫu thể hiện trong kết quả đo cường độ theo độ tuổi 7, 14, 28, 56 ngày Ở 7 ngày tuổi, khi thêm tro 10 %, cường độ mẫu rỉ đường thay đổi rất lớn (Hình 4.17 a) Cường độ uốn mẫu A1 là 3,01 MPa tăng thêm 1,89 MPa so với A0 Cường độ nén mẫu A1 13,53 MPa tăng so với A0 là 5,51 MPa Cường độ mẫu tăng tỷ lệ thuận so với hàm lượng tro trấu thêm vào từ 10 – 40 % Tương tự ở các độ tuổi 14, 28 ngày, cường độ tăng khi hàm lượng tro trấu tăng
Hình 4.17: Cường độ kháng uốn và nén các mẫu
Tuy nhiên, ở độ tuổi 56 ngày cường độ bắt đầu có dấu hiệu giảm khi hàm lượng tro trấu tăng Sự giảm cường độ uốn bắt đầu từ mẫu có lượng tro từ 30 – 40% tương ứng với mẫu A3 và A4 Trong khi, cường độ nén bắt đầu giảm từ 20 – 40% tro (mẫu A2 đến A4) Điều này có thể do tro trấu có hàm lượng mất khi nung (15,51%) lớn làm ảnh hưởng tới cường độ sau này Ở 56 ngày (Hình 4.17d), ta thấy rằng mẫu A1 có cường độ nén cao nhất so với 39,12 MPa, trong khi các mẫu A2, A3, A4 có giá trị cường độ giảm dần và A4 có cường độ thấp nhất so với các mẫu có tro là 32,46 MPa Đối với cường độ uốn, mẫu A2 có giá trị cao nhất là 8,2 MPa và A4 là 6,28 MPa So sánh cường độ nén giữa 28 và 56 ngày (Hình 4.18a), ta thấy rằng mẫu A3 và A4 giảm
Vì hàm lượng tro ở A3 và A4 cao nên sẽ làm ảnh hưởng tới độ bền của mẫu theo thời gian
Hình 4.18: So sánh cường độ kháng nén, uốn mẫu ở 28 và 56 ngày tuổi
Việc sử dụng tro trấu cải thiện đáng kể cường độ bê tông, nhưng khi hàm lượng tro trấu trong cấp phối từ 30 - 40% thì cường độ dài ngày lại bị giảm Các nguyên liệu chứa nhiều cacbon sẽ tạo ra các vị trí xung yếu trong bê tông, ảnh hưởng đến cường độ của bê tông về sau.
Sự thay đổi cường độ của mẫu A1 so với A0 là do có phản ứng puzolanic giữa SiO 2 của tro trấu và Ca(OH) 2 trong xi măng thủy hóa
Khi thuỷ hoá xi măng, đặc biệt là C3S bao giờ cũng sinh ra một lượng Ca(OH) 2 khá lớn, đồng thời trong xi măng luôn tồn tại một lượng CaO tự do quá lửa trong quá trình sản xuất, khi trộn với nước cũng trở thành Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 sẽ kết tinh trong lòng bê tông, hợp chất này lại có độ tan lớn và không có tính kết dính nên dễ bị rửa trôi để lại các lỗ trống trong bê tông đông cứng Chính vị vậy, để cải thiện cường độ bê tông phải làm giảm lượng Ca(OH) 2 Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính là một giải pháp Tro trấu với hàm lượng SiO2 vô định hình cao là được sử dụng cho mục đích này.Phản ứng puzolanic giữa SiO 2 tro trấu với Ca(OH) 2 sẽ tạo ra khoáng CSH làm tăng cường độ cho bê tông, đồng thời giảm lượng Ca(OH)2:
Dựa vào kết quả chụp IR cho ở Bảng 4.11 cho thấy rằng liên kết O-H đặc trưng của Ca(OH) 2 hấp thụ ở bước sóng 3641 cm -1 không còn trong mẫu A1 và A4 Sự thay đổi này là do phản ứng puzolanic giữa SiO 2 của tro trấu và Ca(OH) 2 tạo ra CSH theo phương trình (4.1), làm tăng cường độ cho mẫu Với độ mịn của tro cao (kích thước hạt trung bỡnh 19,62 àm) và lực ộp tạo hỡnh mẫu lớn (10 MPa) thuận lợi cho phản ứng puzolanic xảy ra tạo ra nhiều CSH và giảm Ca(OH) 2
Bảng 4.11: Kết quả chụp IR các mẫu A0', A0, A1 và A4
Bước sóng (cm -1 ) Đặc trưng liên kết
4.3.4 Cấu trúc vi mô của mẫu A0’, A0 và A4
Quá trình thủy hóa xi măng hình thành các khoáng vật CSH, Ca(OH)2 và một số khoáng vật khác Quan sát ảnh SEM mẫu A0' và A0 (Hình 4.20 và 4.21) cho thấy cấu trúc dạng sợi của CSH và các tinh thể Ca(OH)2 dạng tấm, nhưng do rỉ đường trong mẫu A0 làm ức chế phản ứng thủy hóa xi măng nên số lượng tinh thể không nhiều Đối với mẫu A4 (Hình 4.22), các tinh thể dạng sợi CSH hình thành rất nhiều, do phản ứng thủy hóa xi măng và phản ứng puzolanic giữa tro trấu với Ca(OH)2 Đây là một trong những lý do làm tăng cường độ của mẫu khi hàm lượng tro trấu tăng.
Hình 4.19: Sự thay đổi kết quả IR khi có mặt tro trấu
Hình 4.21: Ảnh SEM A0 (8,64% rỉ đường, 0% tro trấu)
Hình 4.22: Ảnh SEM A4 (8,64% rỉ đường, 40% tro trấu).
Một số sản phẩm gạch
Để ứng dụng thực tế, để tài đã tạo ra một số sản phẩm gạch xây và lát nên tự lèn kiểu chữ I Dựa theo kết quả đo cường độ các cấp phối, mẫu A2 được chọn vì sử dụng lượng tro lớn (20%) và tạo hình mẫu không bị tách mẫu (thấy được trong quá trình tạo mẫu ở phòng thí nghiệm) Với mẫu A2 lượng xi măng sử dụng là 25% theo khối lượng, rỉ đường 8,64%
Mẫu gạch thẻ được chế tạo tại Viện Địa lý Tài nguyên TPHCM
Máy ép thủy lực 30 tấn
Mẫu có kích thước 45 x 80 x 180 mm
Số viên 1 lần ép: 1 viên/lần
Công suất mỗi ngày là 300 viên/ngày
Cường độ mẫu sau 28 ngày là 35,58 MPa
Với kết quả cường độ này phù hợp với tiêu chuẩn gạch xây theo tiêu chuẩn TCVN 6477:2011
Hình 4.23: Mẫu gạch xây kích thước 45x80x180 mm
Hình 4.24: Máy ép thủy lực 30 tấn tại Viện Địa lý tài nguyên TP.HCM
4.4.2 Gạch tự lèn kiểu chữ I
Gạch tự lèn kiểu chữ I được chế tạo tại xí nghiệp bê tông thuộc Công ty Cổ phần Sonadezi An Bình
Máy ép thủy lực 200 tấn
Mẫu gạch tự chèn kiểu chữ I có kích thước là 165x205x50 mm
Số viên 1 lần ép: 04 viên/lần
Công suất mỗi ngày là 3300 viên/ngày
Cường độ kháng nén của mẫu sau 28 ngày là 15 MPa Đối với loại gạch lát nền theo TVCN 6476:1999 loại gạch lát nền có cường độ thấp nhất là 20 MPa, mẫu gạch này chưa đạt chuẩn Tuy nhiên, có thể sử dụng để lát đường chịu tải trọng thấp như lát đường phục vụ người đi bộ, lát sân vườn
Hình 4.25: Máy ép thủy lực 200 tấn tại tại xí nghiệp bê tông thuộc Công ty Cổ phần
Hình 4.26: Khuôn gạch lát nền kiểu chữ I
Hình 4.27: Mẫu gạch tự lèn kiểu chữ I
Bảng 4.12: Giá thành sản phẩm dự kiến
Kiểu gạch Đơn vị Giá thành (đồng) Đề tài Thị trường
Gạch kiểu chữ I Đồng/viên 2100 3000