Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu sử dụng chất thải bùn đỏ và tro bay để làm phụ gia chế tạo bê tông tự lèn

Trong kỹ thuật bê tông tự lèn hiện nay việc nghiên cứu sử dụng hàm lượng bột để thay thế xi măng, chẳng những làm giảm hàm lượng xi măng sử dụng mà còn góp phần cải tiến các tính chất củ

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG TỰ LÈN

Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Trong các công trình xây dựng, khi thi công các kỹ sư xây đã gặp phỉ rất nhiều khó khăn khi thi công các kết cấu bê tông có hình dạng phức tạp, cốt thép dầy đặc, có nhiều góc cạnh và thật không dễ để tìm ra phương pháp đầm hỗn hợp bê tông một cách hoàn chỉnh Trong thực tế thì việc đầm những kết cấu như thế thường dẫn đến kết quả là kết cấu bê tông không được đầm chặt sau khi đóng rắn sẽ gây ra các lỗ rỗng, giảm độ đặc chắc, độ chống thấm nước, và không đạt cường độ như thiết kế yêu cầu

Chính vì thực tế này đòi hỏi cần có một loại bê tông có khả năng tự lèn đầy khuôn của kết cấu dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hỗn hợp nhưng phải đảm bảo luôn luôn đồng nhất và không bị phân tầng, tách nước

Bê tông tự lèn là một loại bê tông có đầy đủ các tính năng ưu việt dùng để thay thế cho bê tông thông thường tại những nơi có kết cấu phức tạp và cốt thép dày đặc

Bê tông tự lèn được nghiên cứu ở Nhật Bản từ năm 1983 và sử dụng từ năm 1988 với mục đích tăng độ bền cho kết cấu công trình Hiện nay loại bê tông này đã được sử dụng rộng rãi trên các công trình với quy mô lớn trên toàn thế giới

Bê tông tự lèn là loại bê tông có khả năng lắp đầy khuôn của kết cấu dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hỗn hợp nhưng phải đảm bảo luôn luôn đồng nhất và không bị phân tầng, tách nước thích hợp dùng trong các kết cấu phức tạp Tuy nhiên để chế tạo bê tông tự lèn thì cần phải có một hàm lượng bột lớn

Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện thải ra được xem là kẻ huỷ diệt không khí và sức khoẻ con người vì có chứa một số phóng xạ như uranium, thorium nên việc xử lý các chất này không hề đơn giản và rất tốn kém Ở nước ta, các nhà máy nhiệt điện như Nhơn Trạch (Đồng Nai), Thủ Đức hàng năm đã thải ra hàng triệu tấn tro bay Lượng tro bay này mới được tái sử dụng rất ít, lượng còn lại tương đối lớn, gây ô nhiễm môi trường và cản trở sản xuất

Bùn đỏ là tên gọi một sản phẩm chất thải của công nghệ Bayer, phương pháp chủ yếu được áp dụng trong quá trình tinh luyện bauxite để sản xuất nhôm Nó bao gồm một hỗn hợp các tạp chất rắn và kim loại, và là một trong những vấn đề về chất thải quan trọng nhất của ngành luyện nhôm Bùn đỏ không thể dễ dàng xử lý, trong hầu hết các quốc gia mà bùn đỏ được tạo ra, nó được bơm vào ao bùn đỏ Những

Bùn đỏ ("ao") là chất thải độc hại hình thành trong quá trình khai thác quặng bauxite Tại Lâm Đồng, Việt Nam, hoạt động chế biến quặng bauxite thải ra lượng lớn bùn đỏ, ước tính chiếm tới 30% sản lượng bauxite khai thác Mỗi năm, chỉ riêng Lâm Đồng đã thải ra hàng triệu tấn bùn đỏ, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường.

Chính vì vậy, việc nghiên cứu tro bay và bùn đỏ như một phụ gia và đồng thời giảm lượng xi măng để tạo ra loại bê tông tự lèn mà chất lượng không hề thua kém các loại bê tông thông thường, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cả về mặt kinh tế lẫn khoa học, do vừa xử lý được lượng chất thải gây ô nhiễm, vừa tạo ra được vật liệu có nhiều ứng dụng trong công nghiệp.

Lịch sử phát triển của bê tông tự lèn

Trong nhiều năm kể từ năm 1983, độ bền của các cấu trúc bê tông là một chủ đề lớn gây nhiều sự quan tâm chú ý tại Nhật Bản Để có được cấu trúc bê tông có độ bền theo yêu cầu thì cần phải có nhiều công nhân lành nghề Tuy nhiên, do số lượng công nhân có tay nghề trong ngành công nghiệp xây dựng ở Nhật Bản đang giảm dần dẫn đến làm giảm chất lượng của các công trình xây dựng Một trong những giải pháp để đạt được các kết cấu bê tông có độ bền mà không phụ thuộc vào chất lượng thi công công trình là bê tông tự lèn Bê tông tự lèn là bê tông có thể gắn kết ở tất cả các góc của ván khuôn chỉ bằng trọng lượng của chính nó mà không cần đến các thiết bị đầm nén Okamura là người đầu tiên đề xuất về sự cần thiết của bê tông tự lèn vào năm 1986 Ozawa và Waekawa đã tiến hành việc nghiên cứu bê tông tự lèn cả về cơ sở và khả năng làm việc thực tế của nó

Mẫu bê tông tự lèn đầu tiên được chế tạo vào năm 1988 bằng cách sử dụng các loại vật liệu sẵn có trên thị trường Mẫu này với các tính chất về độ khô, độ co cứng, sự toả nhiệt của phản ứng thuỷ hoá, độ lèn chặt sau khi cứng và một số đức tính khác đã làm hài lòng các nhà khoa học Đầu những năm 1990, Nhật đã phát triển và sử dụng SCC mà không cần đầm rung nhưng vẫn đạt được sự lèn chặt Năm 2000, lượng SCC được sử dụng trong sản xuất cấu kiện đúc sẵn và bê tông trộn sẵn ở Nhật khoảng 400 000 m3 [1]

Bê tông tự lèn lần đầu tiên được Ozawa giới thiệu tại hội nghị lần thứ 2 của khu vực Đông Á Thái Bình Dương về kết cấu kỹ thuật và xây dựng vào tháng 1 năm 1989 Việc giới thiệu bê tông tự lèn của Oza tại hội nghị quốc tế CANMET & ACI, Istanbul ', tháng 5 năm 1992 đã làm cho bê tông tự lèn được biết đến nhiều hơn trên thế giới Sau cuộc hội thảo ACI vào tháng 11-1994, bê tông tự lèn trở nên phổ biến đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư trên thế giới, những người rất quan tâm tới độ bền của bê tông và các hoạt động nghiên cứu trên thế giới cũng được bắt đầu

Hiện nay các cuộc nghiên cứu vẫn được Aictin tiến hành ở Canada Tháng 1- 1997 một uỷ ban về bê tông tự lèn của RILEM được thành lập Tháng 8-1998, cuộc hội thảo đầu tiên về bê tông tự lèn được tổ chức ở Kochi, Nhật Bản [2]

Kể từ khi mẫu bê tông tự lèn đầu tiên được chế tạo, hoạt động nghiên cứu đã được bắt đầu ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các viện nghiên cứu của các công ty xây dựng và kết quả là bê tông tự lèn được sử dụng ở trong các cấu trúc thực tế ứng dụng đầu tiên của bê tông tự lèn là ở tháp của cầu dây văng bê tông dự ứng lực năm 1991 Độ nhẹ của bê tông tự lèn được sử dụng trong dầm chính của cầu dây văng năm 1992, mặc dù nó đã được lên kế hoạch từ năm 1990 Từ đó thì bê tông tự lèn được sử dụng nhiều hơn trong các công trình [2]

Tình hình nghiên cứu bê tông tự lèn

1.3.1 Tình hình nghiên cứu bê tông tự lèn trên thế giới:

1.3.1.1 Nghiên cứu về đặc tính chảy của bê tông tự lèn:

Bảng1.1 Hệ nguyên vật liệu được sử dụng làm bê tông tự lèn (SCC)tại Nhật Bản [3]

Phụ gia siêu dẻo (Kg/m 3 ) 9 4.4 10.6

Phụ gia tạo nhớt (Kg/m 3 ) 0 4.1 0.0875 Độ chảy xòe Slump Flow (mm) 625 600 660

- Trong hỗn hợp MixJ1 ta nhận thấy rằng hỗn hợp đã tận dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo làm để gia tăng độ chảy xòe trong điều kiện không có phụ gia tạo nhớt, kết quả cho thấy độ chảy xòe là 625mm

- Trong hỗn hợp MixJ2 ta nhận thấy rằng hỗn hợp đã giảm hàm lượng xi măng xuống rất thấp chỉ còn 220 Kg và tổng lượng bột là 440 đồng thời dùng cả 2 loại phụ gia siêu dẻo và phụ gia tạo nhớt đã tạo ra hỗn hợp có độ chảy xòe là 600mm - Hỗn hợp MixJ3 là hỗn hợp sử dụng tro bay lên đến 206 Kg và tổng hàm lượng bôt mịn chỉ có 504 Kg nhỏ hơn nhiều so với hỗn hợp MixJ1 và lượng cốt liệu lớn là 871 Kg tuy nhiên trong hỗn hợp này vừa sử dụng hiệu ứng bột mịn và sử dụng phụ gia siêu dẻo lẫn phụ gia tạo nhớt nên đã tạo ra hỗn hợp có độ chảy xòe 660 mm cao nhất trong 3 hỗn hợp.

Bảng1 2 Nguyên vật liệu bê tông tự lèn (SCC) [4]

Xi măng lbs/cu.yd Đá dăm lbs/cu.yd

Bảng1 3 Đặc tính của hỗn hợp bê tông tự lèn [4]

Hỗn hợp Độ chảy xòe(in.)

- Hỗn hợp SCC nghiên cứu thỏa mãn các thí nghiệm về độ chảy xòe, phễu V và các giá trị nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được (Bảng 1.2)

- Nghiên cứu cũng cho thấy sử dụng phụ gia siêu dẻo khuấy trộn trong 2 – 3 phút có thể cải thiện được đặc tính chảy của bê tông

1.3.1.2 Phát triển bê tông từ lèn có độ bền cao [5]

Bảng 1.4 Thành phần hỗn hợp bê tông tự lèn khi cho thêm 10-25% vào hỗn hợp [5]

Bảng 1.5 Tổng hợp kết quả kiểm tra[5]

Hỗn hợp Độ chảy xòe (mm)

Cường độ nén sau 7 ngày (MPa)

Cường độ nén sau 28 ngày (MPa)

Cường độ nén sau 49 ngày (MPa)

- Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng cốt liệu thô và mịn có thể được thay thế 1 phần bằng tro bay trong sản xuất SCC cường độ cao

- Hỗn họp bê tông tự lèn có chảy vừa đủ và khả năng phân tầng thấp Hơn nữa, tro bay trong SCC còn giúp tăng cường độ nén sau 28 ngày

1.3.1.4 Nghiên cứu SCC sử dung tro bay của Mario Collepardi, Ponzano Veneto (Italy) [6] :

Bảng 1.6 Thành phần hỗn hợp bê tông [6]

C FA GL B CA Nước VMA SP W/C W/(C+FA) W

C = xi măng; FA = Tro bay; GL = Bột đá vôi; CA= cốt liệu lớn B: Tổng bột = C + FA + GL

Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trong các bảng dưới đây:

Bảng 1.6 biểu điễn độ chảy và khả năng tách nước khi tăng hàm lượng tro bay (từ hỗn hợp A tới hỗn hợp D) Có một sự giảm đáng kể về khả năng tách nước bằng độ chảy và tăng tính dính kết của hỗn hợp khi hàm lượng tro bay tăng

Bảng1.7 Đặc tính của hỗn hợp bê tông tự lèn [6]

Hỗn hợp Khối lượng riêng (kg/m 3 ) Độ chảy xòe (mm/s) Độ phân tầng (%)

Cường độ nén của bê tông chứa tro bay cao hơn bê tông chứa bột đá vôi ở tuổi lớn hơn 28 ngày do tro bay có hoạt tính pozzolanic Tuy nhiên, hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao hơn trong hỗn hợp SCC khiến quá trình hydrat hóa xi măng chậm lại, dẫn đến cường độ thấp hơn ở tuổi ban đầu của hỗn hợp chứa tro bay.

Hình 1.1 Cường độ nén của bê tông SCC [6]

- Kết hợp sử dụng khoảng 150 kg/m3 xi măng Portland, với1-2% phụ gia siêu dẻo, và khoảng 350 kg/m3 bột khoáng Thêm vào đó 0,04% phụ gia điều chỉnh độ nhớt, và cốt liệu với kích thước tối đa là 18 mm cho phép sản xuất bê tông tự lèn đặc biệt phù hợp với kết cấu bê tông khối lớn

- Việc sử dụng các phụ gia siêu dẻo là rất hữu ích cho bê tông tự lèn Sự có mặt của phụ gia điều chỉnh độ nhớt là cần thiết giúp giảm sự tách nước và phân tầng, và cải thiện được tính dính kết của bê tông tươi

- Chất lượng của SCC trong độ bền nén được tốt hơn, khi hỗn hợp có cả đá vôi và tro bay thay vì chỉ sử dụng 1 đá vôi như bột khoáng Thêm vào đó với các vật liệu đã được nghiên cứu Trong quá trình sấy độ co của SCC kiểm tra là trong cùng điều kiện cường độ như cho bê tông thông thường

1.3.2 Tình hình nghiên cứu bê tông tự lèn ở Việt Nam:

1.3.2.1 Nghiên cứu về vai trò của cốt liệu bột mịn trong hỗn hợp bê tông tự lèn:[7]

Bảng 1.8 cấp phối của hỗn hợp bê tông tự lèn sử dụng cốt liệu bột mịn:

Ký hiệu cấp phối bê tông tự lèn Vật liệu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13

Bảng 1.9 Tính dẻo của hỗn hợp bê tông tự lèn sử dụng cốt liệu bột mịn:

Ký hiệu cấp phối bê tông tự lèn

Bảng 1.10 Sự phát triển cường độ của bê tông tự lèn sử dụng cốt liệu bột mịn:

Ký hiệu cấp phối bê tông tự lèn Cường độ chịu nén M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 3 ngày 232 447 416 211 312 199 320 487 340 303 318 308 310 7 ngày 302 527 488 309 413 286 397 562 405 403 421 415 408 28 ngày 396 643 621 383 513 367 446 754 510 492 504 503 500

- Cốt liệu mịn có mặt trong hỗn hợp bê tông tự lèn đã có tác dụng tăng tính công tác, hạn chế hiện tượng phân tầng, tăng tính đồng nhất và đảm bảo tính tự lèn;

- Cốt liệu mịn sử dụng trong bê tông tự lèn với hàm lượng khác nhau có tác dụng thúc đẩy sự phát triển cường độ;

- Khi sử dụng cốt liệu mịn xuất hiện hiệu ứng làm tăng cường độ của bê tông tự lèn lên đáng kể nhất là khi lượng dùng xi măng thấp, mức vượt trội này giảm dần khi tăng lượng dùng xi măng

1.3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bê tông tự lèn vào công trình thủy lợi [8]

Bảng 1.11 Cấp phối bê tông tự lèn mác bê tông được thiết kế M25 áp dụng vào tho công van cống Ngọc Hùng – Nam Định:

Mác bê tông được thiết kế M25:

Xi măng: 380kg; Cát : 913 kg; Đá: 980 kg; Tro bay: 100 kg; Puzolan: 100 kg;Silica fume: 20kg; Nước ; 190 lít; Phụ gia: Viscpcrete HE – 10 = 1,45 lít/100kgCKD;

- Độ linh động thực tế là 68 ÷ 70cm độ xòe rút côn, hỗn hợp BTTL không bị tách nước, phần tầng

- Cường độ mẫu BTTL sau 28 ngày tuổi đạt 29MPa > Rtk, - mác chống thấm đạt B10

Bê tông tự lèn sở hữu các đặc tính cơ lý tương đương với bê tông truyền thống, đáp ứng yêu cầu của mọi công trình được thiết kế dành riêng cho bê tông.

- Bê tông tự lèn ( BTTL ) mác càng cao càng dễ thiết kế, vì bản thân đã có nhiều lượng bột mịn là xi măng;

- Việc thiết kế cấp phối hỗn hợp BTTL cũng có thể dùng theo phương pháp thể tích tuyệt đối hoặc dùng quy hoạch thực nghiệm;

- Đối với các kết cấu có hình dạng phức tạp, dầy cốt thép , kích thước mỏng thì sử dụng BTTL sẽ có hiệu quả cao hơn

1.3.2.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bê tông tự lèn trong thi công đập xà lan di động cho các công trình thủy lợi vùng triều: [9]

Bảng 1.12 Lượng vật liệu cho 1m3 bê tông tự lèn dùng để chế tạo đập xà lan

Loại vật liệu Đơn vị đo Khối lượng vật liệu

6 Tro bay nhiệt điện kg 90

8 Phụ gia siêu dẻo VISCOCRETE lit 7,8

9 Phụ gia siêu mịn PP1 kg 15,0

- Bê tông tự lèn đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu để chế tạo đập xà lan di động phục vụ công tác ngăn sông vùng ven biển Kết quả nghiên cứu này đã áp dụng thi công các công trình ngăn mặn giữ ngọt tại tỉnh Cà Mau (Cống Minh Hà- huyện Trần Văn Thời )

- Khi thi công bê tông tự lèn cần chú ý tuân thủ nghiêm ngặt các quy định và yêu cầu quản lý chất lượng trong quy trình kỹ thuật thi thi công của từng công trình đập xà lan di động

1.3.2.4 Nghiên cứu một số cấp phối và các tính chất chủ yếu của bê tông tự lèn dùng cát nghiền:[10]

Bảng 1.13 Thành phần cấp phối bê tông tự lèn kg/m3

Thành phần cấp phối (kg/m 3 )

Vật liệu N/CKD Bột đá

Tro bay Nước Cát Đá Phụ gia siêu dẻo

Bảng 1.14 Tính công tác và cường độ của SCC

Cường độ nén (KG/cm 2 ) Mẫu Độ chảy xòe

Chiều cao chảy qua khuôn hình U (mm) R7 R28

Bảng 1.15 Kết quả thí nghiệm cường độ nén và tính công tác của SCC

Tính công tác (mm) Cường độ nén

Chiều cao chảy qua khuôn hình

- Giới thiệu phương pháp thí nghiệm tính công tác của bê tông tự lèn Thiết kế được ba cấp phối bê tông tự lèn dùng hoàn toàn cát nghiền thay cát tự nhiên với mác thiết kế là 400, 500 và 600

- Xét ảnh hưởng của bột đá đến tính công tác và cường độ của SCC tìm ra được tỷ lệ bột đá pha trộn tố nhất là 18%

- Xét ảnh hưởng của bột đá đến tính co ngót của SCC

1.3.2.5 Nghiên cứu ứng dụng bê tông tự lèn trong xây dựng đường ô tô, sân bay:[11]

Bảng 1.16 Cấp phối bê tông tự lèn trong xây dựng đường ô tô, sân bay

Vật liệu Đơn vị CP 1 (M55/6,5) CP 2

Khối lượng cốt liệu lớn (Đ) kg/m3 728,73 728,73

Hàm lượng bột (B=SF+XM) kg/m3 500,00 528,00

Hàm lượng silicafume (SF) kg/m3 45,45 48,00

Hàm lượng ximăng (XM) kg/m3 454,55 480,00

Hàm lượng phụ gia (PG) l/m3 5,50 5,88

Hàm lượng bột đá vôi (BĐ) kg/m3 90,91 96,00

Bảng 1.17 bảng kết quả tính dẻo và cường độ trong xây dựng đường ô tô, sân bay:

- Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là thiết kế được các cấp phối SCC dùng trong xây dựng đường như đã đề cập ở mục 1.2

- Chỉ tiêu quan trọng đối với mặt đường BTXM là giá trị cường độ kéo khi uốn Rku cao, ở các ngày tuổi cấp phối nghiên cứu đều đạt Rku=(10÷15)%Rn, thoả mãn yêu cầu về cường độ đối với mặt đường BTXM dùng cho đường ô tô – sân bay

1.3.2.5 Nghiên cứu chế tạo bê tông tự lèn (SCC) mác 200: [12]

Bảng 1.18 Bảng thành phần cấp phối chế tạo bê tông tự lèn mác 200

STT N/B C/C+Đ PGB/B XM PGB Cát Đá Nước PGSD

Bảng 1.19 Bảng kết quả độ dẻo bê tông tự lèn mác 200:

STT Cấp phối N/CKD PGB/CKD D (mm) L(%) Cường độ nén

Tổng quan về tình hình tận dụng chất thảy bùn đỏ

Bùn đỏ là sản phẩm thải của quá trình khai thác và chế tạo Al(OH)3 theo phương pháp Bayer Bùn đỏ là hỗn hợp phức tạp mà thành phần hóa và cấu tạo khoáng chất của nó rất đa dạng, phụ thuộc vào nguồn boxit và các thông số của quá trình kỹ thuật chế tạo Bùn đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ, không biến chất và tồn tại mãi mãi như hematite (Fe2O3), natri silica aluminate, ferit titanat, monohydrate nhôm (Al2O3.H2O), trihydrate nhôm (Al2O3.3H2O), SiO2, TiO2, Na2O và CaO và một lượng nhỏ những kim loại hiếm như V, Ga, Cr, P, Mn, Cu, Cd, Ni, Zn, Pb, Mg, Zr, Hf, Nb, U, Th, K, Ba, Sr Mỗi loại bùn đỏ có thể được cấu thành từ 14 đến 21 loại khoáng chất Đặc tính của bùn đỏ là các hạt rất mịn, phần lớn