Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt Điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn và góp phần bảo vệ môi trường

Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt Điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn và góp phần bảo vệ môi trường Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt Điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn và góp phần bảo vệ môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY CÔNG CHỐNG MÀI MÒN VÀ

GÓP PHẦN BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ MAI PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN CHẾ TẠO BÊ TÔNG THỦY CÔNG CHỐNG MÀI MÒN

VÀ GÓP PHẦN BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Địa chất môi trường

Mã số: 8440201.03

Giáo viên hướng dẫn: TS Dương Thị Toan

TS Nguyễn Quang Bình

Học viên xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài mã số ĐTĐL.CN-37/23 thực hiện các nội dung của luận văn

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô thuộc Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Địa chất môi trường cũng như Lãnh đạo Trường, Lãnh đạo Khoa, Khoa sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm Luận văn

Học viên xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các kỹ sư Phòng Nghiên cứu vật liệu - Viện Thủy công đã tận tình giúp đỡ, phối hợp và tạo điều kiện trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, học viên xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên, khích lệ, là chỗ dựa vững chắc để tác giả hoàn thành việc nghiên cứu của mình

Với khả năng có hạn luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, học viên rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân tình của các Thầy Cô và các bạn để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2023

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Mai Phương

1.Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài 7

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 8

3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9

4.Nội dung nghiên cứu của đề tài 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG 11

1.1 Giới thiệu chung về bê tông 11

1.2 Tình hình sử dụng tro bay trong xây dựng của các nước trên thế giới 14

1.3 Tình hình sử dụng tro bay trong bê tông ở Việt Nam 17

1.3.1 Bê tông chịu mài mòn 19

1.3.2 Bê tông cacbon thấp 20

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Cơ sở số liệu 22

2.2 Cơ sở khoa học của việc sử dụng tro bay thay thế xi măng 22

2.3 Phương pháp nghiên cứu 23

2.3.1 Phương pháp tổng hợp, xử lý và tính toán số liệu 23

2.3.2 Phương pháp trong phòng thí nghiệm bê tông 23

2.2.3 Phương pháp tính toán phát thải cacbon 33

2.3 Lựa chọn vật liệu sử dụng và xây dựng kế hoạch nghiên cứu 35

2.3.1 Lựa chọn vật liệu 35

3.1 Tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông 40

3.2.2 Kết quả thí nghiệm cơ lý bê tông 45

3.2.3 Lượng phát thải cacbon của bê tông 55

3.3 Thảo luận và đề xuất 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh tính chất kỹ thuật và hiệu quả kinh tế - môi trường giữa bê tông có

hàm lượng tro xỉ với bê tông truyền thống [1] 13

Bảng 1.2 Tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2015-2030 18

Bảng 2.1 Tổng hợp khối lượng mẫu thí nghiệm 22

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm 24

Bảng 2.3 Tỷ lệ phụ gia hóa của bê tông khi sử dụng tỷ lệ N/CKD ở các tỷ lệ T/CKD khác nhau 25

Bảng 2.4 Các thành phần cơ bản của cấp phối 27

Bảng 3.1 Một số tính chất của xi măng 40

Bảng 3.2 Thành phần hoá học của tro bay 40

Bảng 3.3 Đánh giá chất lượng tro bay theo TCVN 10302:2014 41

Bảng 3.4 Một số tính chất cơ lý của cốt liệu nhỏ 42

Bảng 3.5 Thành phần hạt của cát vàng 42

Bảng 3.6 Một số tính chất cơ lý của đá dăm 43

Bảng 3.7 Thành phần hạt của đá dăm Dmax 20 mm 43

Bảng 3.8 Một số tính chất của phụ gia hoá học 44

Bảng 3.9 Thành phần vật liệu cho 1m3 BT và một số tính chất của hỗn hợp bê tông 44Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm tính công tác và khối lượng TT hỗn hợp bê tông 46

Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm một số tính chất của BT 48

Bảng 3.12 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mài mòn các thành phần bê tông 51

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn trong nước theo thời gian 52

Bảng 3.14 Hệ số phát thải cacbon trong các nguồn tham chiếu 56

Bảng 3.15 Mức phát thải CO2 của 1 đơn vị vật liệu cho nghiên cứu 57

Bảng 3.16 Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông 58

Bảng 3.17 Phát thải cacbon từ vật liệu 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lượng phát thải cacbon của sản xuất xi măng và một số nguyên liệu xây dựng (trái); và nhóm 4 quốc gia có lượng phát thải cacbon từ xi măng đứng sau Trung Quốc

(phải) [23] 12

Hình 1.2 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Trung Quốc [35] 15

Hình 1.3 Các ứng dụng của tro bay xỉ ở Trung Quốc [36] 15

Hình 1.4 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Ấn Độ [35] 16

Hình 1.5 Các ứng dụng của tro bay xỉ ở Ấn Độ [38] 16

Hình 1.6 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Mỹ [35] 17

Hình 1.7 Lượng phát thải cacbon của ngành xây dựng ở một số nước trên thế giới [25] 21

Hình 2.1 Đường quan hệ giữa RCKD và T/CKD với xi măng PC40 25

Hình 2.2 Thiết bị thử nghiệm xác định cường độ chịu nén 30

Hình 2.3 Thiết bị thử nghiệm xác định độ chống thấm 31

Hình 2.4 Thiết bị thử nghiệm xác định độ mài mòn 32

Hình 2.5 Khung LCA áp dụng cho bê tông 34

Hình 2.6 Quy trình và cơ chế nguồn phát thải cacbon trong sản xuất xi măng 34

Hình 2.7 Xi măng Bút Sơn PC40 36

Hình 2.8 Phụ gia khoáng Tro bay 37

Hình 2.9 Đá dăm Dmax=20 37

Hình 2.10 Cát vàng 38

Hình 3.1 Biều đồ tương quan giữa %PGSD và tỉ lệ N/CKD 45

Hình 3.2 Hỗn hợp bê tông và thí nghiệm độ sụt 46

Hình 3.3 Đúc mẫu thí nghiệm nén và độ mài mòn 47

Hình 3.4 Thí nghiệm nén mẫu và độ chống thấm bê tông 47

Hình 3.5 Cường độ bê tông của các tổ mẫu ở các ngày tuổi khác nhau 48

Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ giữa cường độ nén của BT với tỷ lệ % tro thay thế xi măng ở các tuổi 49

Hình 3.7 Đồ thị mối quan hệ giữa tỷ lệ T/CKD và N/CKD cho mác bê tông M35 50

Hình 3.8 Thí nghiệm độ mài mòn trong nước của bê tông 51

Hình 3.9 Hình ảnh mẫu sau khi thí nghiệm mài mòn trong nước 53

Hình 3.10 Độ mài mòn trong nước của bê tông theo thời gian 53

Hình 3.11 Biểu đồ độ mài mòn của bê tông của các tổ mẫu trong 72h 54

Hình 3.12 Biểu đồ độ sâu mài mòn của bê tông của các tổ mẫu trong 72h 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài

Bê tông đã và đang là loại vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới cũng như tại Việt Nam Uớc tính hàng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu, sản lượng bê tông tiếp tục có xu hướng tăng lên trong những năm sắp tới Bê tông thường có khối lượng thành phần bao gồm 12% xi măng, 80% cốt liệu cát

đá và 8% nước Điều này có nghĩa, khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2,8 tỷ

tấn nước được sử dụng hàng năm để chế tạo bê tông

Hiện nay số công nghệ và giải pháp phát triển để cải thiện tính chất kỹ thuật của

bê tông và giảm tác động của sản xuất bê tông đến việc phát thải cacbon Các công nghệ tập trung vào 3 nhóm cơ bản sau: (i) Thứ nhất là cải tiến chất lượng bê tông về các tính chất cơ học và vật lý đảm bảo đạt độ bền cao, sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ Việc sử dụng

bê tông độ bền cao có thể thay đổi cấu trúc công trình giảm được tổng lượng bê tông sử dụng, tăng tuổi thọ công trình; (ii) Hướng thứ 2 là nghiên cứu thay thế các nguồn nguyên liệu sản xuất bê tông sử dụng các nguồn phụ phẩm của các ngành công nghiệp (tro, xỉ than của sản xuất công nghiệp) và phế phụ phẩm của ngành xây dựng để thay thế giảm lượng xi măng và đá sỏi thai khác tự nhiên; (iii) Hướng thứ 3 sử dụng các nguồn năng lượng thay thế trong quá trình sản xuất, chế tạo các loại bê tông có các phụ gia tăng khả năng cách nhiệt, theo các đặc tính bức xạ nhiệt kết hợp với các loại kiến trúc để các công trình có các công năng lưu trữ hoặc bức xạ nhiệt theo vùng hoặc mùa

Tại Việt Nam, theo số liệu của Bộ công thương, hiện cả nước có 29 nhà máy nhiệt điện đốt than đang hoạt động, phát thải khoảng 13 triệu tấn tro, xỉ/ năm (trong đó tro bay chiếm từ 80-85%), lượng phát thải tập trung chủ yếu tại miền Bắc – 65%, miền Trung – 23%, miền Nam – 12% Tính đến cuối năm 2020, tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện

đã tiêu thụ trên cả nước khoảng 34,5 triệu tấn tương đương 42% tổng lượng phát thải qua các năm, trong đó tro, xỉ được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực làm PGK cho sản xuất xi măng, ước 24 triệu tấn (chiếm 70%); sản xuất gạch đất sét nung và gạch không nung, ước khoảng 4 triệu tấn (chiếm 12%); làm phụ gia cho sản xuất bê tông thương phẩm, bê tông các công trình thủy lợi, công trình giao thông (đường bê tông xi măng nông thôn) và các công trình xây dựng dân dụng (kết cấu móng khối lớn ít tỏa nhiệt), ước khoảng 3 triệu tấn (chiếm 8%); làm vật liệu san lấp, đắp đường giao thông, ước khoảng 3,5 triệu tấn (chiếm 9%) Khối lượng tro, xỉ lưu giữ tại các nhà máy nhiệt điện khoảng 47,65 triệu tấn, trong đó các nhà máy thuộc EVN hơn 20,1 triệu tấn, chiếm 42,2%; các nhà máy thuộc TKV hơn 14,65 triệu tấn, chiếm 30,7%; các nhà máy thuộc

[1] Như vậy, khối lượng tro và xỉ tồn trữ tại các bãi chứa còn nhiều, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, gây mất diện tích sử dụng và phát sinh nhiều chi phí liên quan đến quản lý và vận hành các khu bãi chứa,…

Việc sử dụng các nguồn tro xỉ ngành công nghiệp làm vật liệu xây dựng là một hướng đi đang rất được quan tâm Bằng cách thay thế tỷ lệ phù hợp có thể giảm được lượng xi măng mà vẫn đảm bảo các tính chất của bê tông, đồng thời giải quyết các vấn

đề môi trường, giảm lượng phát thải cacbon Tro xỉ nhiệt điện là loại thải phẩm thu được

từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện, được nghiên cứu thay thế Vì vậy đề tài chọn hướng nghiên cứu này

Các nghiên cứu cho rằng có thể nâng cao độ bền sun phát của xi măng poóc lăng thường bằng cách đưa thêm phụ gia khoáng hoạt tính thay thế thành phần xi măng poóc lăng thường Vì vậy, xu hướng nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính từ phế thải công nghiệp nhiệt điện, sản xuất thép như tro bay, xỉ lò cao, silicafume, v.v… thay thế một phần xi măng poóc lăng thường có nhiều ưu điểm Ngoài việc gián tiếp làm giảm hàm lượng C3A, C3S trong xi măng bởi phản ứng pha loãng, điều quan trọng hơn là xi măng này thủy hóa thì hàm lượng Ca(OH)2 tự do giảm do phản ứng puzơlanic, đồng thời tạo nên thêm C-S-H (Canxi hidrosilicate) Do đó làm giảm độ rỗng, độ thấm nước của đá xi măng và tăng độ chống mài mòn của bê tông

Với khối lượng sử dụng bê tông và xi măng hàng năm lớn như vậy nên rất cần có các giải pháp tìm nguồn nguyên liệu thay thế vừa đảm bảo và cải thiện các tiêu chuẩn

kỹ thuật, đồng thời góp phần tận dụng các nguồn phụ phẩm tro ngành công nghiệp, giảm tác động do chôn lấp gây ô nhiễm và tốn diện tích Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong bê tông trên cơ sở đảm bảo một số tính chất theo yêu cầu của

bê tông như cường độ nén, khả năng chống thấm… Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu sâu ảnh hưởng của lượng dùng tro bay đến khả năng chống mài mòn của bê tông trong môi

trường nước kết hợp giảm phát thải cacbon Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sử dụng tro xỉ

nhiệt điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn và góp phần bảo vệ môi trường”

nhằm góp phần cơ sở tăng cường sử dụng tro giảm ô nhiễm môi trường, mà còn góp phần nghiên cứu bê tông có khả năng chống được độ xói mòn cho một số công trình có các hạng mục chịu ảnh hưởng xâm thực của nước

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

2.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu sử dụng lượng tro thay thế xi măng trong bê tông với tỷ lệ hợp lý

Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu đặc điểm tính chất bê tông ở một số tỷ lệ sử dụng tro bay thay thế

xi măng và xác định được tỷ lệ tối ưu cho bê tông thủy công có cường độ chịu nén tương đương với bê tông sử dụng xi măng nhưng độ chống mài mòn tốt hơn

- Đánh giá được lượng phát thải của các vật liệu sử dụng sản xuất bê tông, đánh

giá được khả năng giảm phát thải khi thay thế xi măng bằng tro bay

2.2 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bê tông và tính chất bê tông có khả năng chống mài mòn và giảm phát thải cacbon

2.3 Phạm vi nghiên cứu:

- Bê tông công trình thủy công mặt tràn chịu mài mòn cường độ chịu nén M35 ở tuổi 90 ngày, độ sụt 10±2cm

- Tính toán lượng phát thải do sử dụng nguyên liệu

- Nghiên cứu tính chất bê tông dựa vào thí nghiệm và tính toán trong phòng

- Các thí nghiệm, phân tích vật liệu (Đá, cát, xi măng, tro bay, phụ gia hóa học)

và bê tông được thực hiện tại Phòng nghiên cứu vật liệu, Viện Thủy Công – Viện Khoa học Thủy Lợi và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Các vật liệu sử dụng đúc bê tông

là các loại vật liệu đang sử dụng trên thị trường ở Việt Nam

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài thực hiện các nội dung chính sau:

- Tổng quan các nghiên cứu sử dụng về tro bay, bê tông cường độ cao và bê tông

sử dụng hàm lượng tro bay lớn; Nghiên cứu và lựa chọn vật liệu sử dụng;

- Tính toán và điều chỉnh cấp phối thí nghiệm;

- Tiến hành đúc bê tông, bảo dưỡng bê tông và xác định các tính chất ở các độ tuổi

từ 7 đến 90 ngày

- Xử lý kết quả, đánh giá ảnh hưởng của loại tro bay và hàm lượng tro bay đến cường độ nén của bê tông, đến độ mài mòn của bê tông

- Tính toán lượng phát thải của bê tông

- Luận giải đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG

CÁC CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG

1.1 Giới thiệu chung về bê tông

Bê tông là hỗn hợp được tạo thành từ các thành phần vật liệu như: đá, xi măng, vôi, cát, sỏi… và nước theo tỷ lệ nhất định để tạo thành 1 khối rắn chắc và đông cứng

Bê tông hiện nay được sử dụng rộng rãi và chiếm ưu thế quan trọng trong hầu hết các công trình xây dựng như xây dựng dân dụng, giao thông v.v… đặc biệt là các công trình thủy công; Với ưu điểm dễ tạo hình, cường độ lớn, tuổi thọ cao, sử dụng nguồn vật liệu địa phương, cho tới nay chưa có loại vật liệu nào có thể thay thế được bê tông Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng và bê tông được ước tính chiếm khoảng 6% - 8% lượng khí thải CO2 do con người tạo ra trên toàn cầu[13] Hiện nay, xu hướng phát triển tạo ra bê tông ít ảnh hưởng đến môi trường ngày càng được quan tâm (bê tông cường độ siêu cao, bê tông truyền thống, bê tông có độ chảy cao ) Đề tài nghiên cứu loại bê tông truyền thống

Có nhiều cách để cải thiện tính bền vững của bê tông như thay thế xi măng pooclang bằng vật liệu thay thế xi măng, sử dụng bê tông cường độ cao hơn, sử dụng bê tông tái chế, v.v… Vật liệu được sử dụng để thay thế một phần xi măng trong bê tông

có thể là tro bay, xỉ lò cao dạng hạt, silicafume và metacaolanh Hiện nay, các vấn đề của thế giới về sử dụng năng lượng, khí thải, xử lý chất thải và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên đang gia tăng đáng kể Bê tông chứa vật liệu thay thế một phần xi măng đã được

sử dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ và được coi là vật liệu bền vững trong xây dựng

Sự có mặt của chúng dẫn đến sự thay đổi của các quá trình thủy hóa, thay đổi thể tích,

độ rỗng và cuối cùng là các tính chất cơ học và độ bền của bê tông Để cải thiện tính chất của bê tông có rất nhiều giải pháp đã được nghiên cứu và đây cũng là hướng nghiên cứu của đề tài

Một nửa số CO2 thải ra trong lượng 4-8% của bê tông kể trên tới từ quá trình sản xuất clinker (Việt Nam ta còn gọi là clanhke), đây là giai đoạn tốn năng lượng nhất trong quy trình làm xi măng Tính riêng cho xi măng, lượng phát của nguyên liệu này cũng chiếm trung bình khoảng 30% lượng phát phảt thải của ngành xây dựng [24] Trên thế giới Trung Quốc là quốc gia đóng góp gần 60% khối lượng xi măng sử dụng cho ngành xây dựng trên thế giới, và lượng phát thải do ngành xi măng của nước này cũng chiếm đên 52% tổng lượng phát thải ngành xây dựng trên toàn cầu Việt Nam cũng có khối lượng phát thải rất lớn, nằm trong nhóm 4 quốc gia có lượng phát thải sau Trung Quốc (Hình 1.1) [23]

Hình 1.1 Lượng phát thải cacbon của sản xuất xi măng và một số nguyên liệu xây dựng (trái); và nhóm 4 quốc gia có lượng phát thải cacbon từ xi măng đứng sau

Trung Quốc (phải) [23]

Như vậy phần ảnh hưởng chính đến phát thải cacbon và ăn mòn cho bê tông là xi măng theo như nhiều nghiên cứu Hiện nay rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu các loại vật liệu có trong tự nhiên, các loại tro xỉ thải từ các nhà máy nhiệt điện để thay thế tối đa lượng xi măng mà vẫn đảm bảo được các tính chất của bê tông Tuy nhiên, các bài báo đó tìm ra tỷ lệ thay thế phù hợp phổ biến ở 20-30%, cá biệt 100%; các loại vật liệu thay thế (vôi + puzolan, chất kết dính Geopolymer, thủy tinh phế thải, meta caolanh, bột ngói đất sét nung, xỉ lò cao, Silica fume, tro bay…) Các loại nghiên cứu này áp dụng bằng cách đối chứng với loại bê tông thông thường ở các loại cường độ khác nhau (từ trung bình đến cao: M35, M40, M60, M70 và M150) [4-11] Tuy nhiên tro xỉ thải từ các nhà máy nhiệt điện luôn là vật liệu ưu tiên hàng đầu cho việc thay thế để đảm bảo các tính chất của bê tông thủy công cần phải có: Khả năng chống thấm, chống nước tốt,

độ cứng cao, trọng lượng nặng và bền, khả năng bị xói mòn thấp Trong tro bay có rất nhiều các nguyên tố hóa học khác nhau, tồn tại dưới dạng các oxyt như SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, SO3, Na2O, K2O Trong các ôxit trên thì SiO2, Al2O3, CaO, MgO được coi là chủ yếu vì chúng có hàm lượng lớn và quyết định đến các tính chất cơ bản của tro bay Khi sử dụng tro bay có thành phần SiO2 hoạt tính chúng sẽ nhanh chóng tác dụng với sản phẩm thủy hóa có trên bề mặt hạt cốt liệu tạo ra sản phẩm C-S-H làm tăng cường độ, tăng độ đặc chắc, tăng độ bám dính giữa đá xi măng và hạt cốt liệu [14]

So sánh chung giữa bê tông có hàm lượng tro xỉ và bê tông truyền thống (không

sử dụng tro xỉ) được tổng hợp trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 So sánh tính chất kỹ thuật và hiệu quả kinh tế - môi trường giữa bê

tông có hàm lượng tro xỉ với bê tông truyền thống [1]

Khả năng chảy/ khả năng bơm Dễ hơn

nước hoặc tách nước không đáng kể

Cường độ sớm ngày (đến 7 ngày) Thấp hơn (có thể đẩy nhanh)

Cường độ tuổi dài ngày (trên 90 ngày) Cao hơn

Thấp hơn Chống sự xâm nhập của ion Clo Rất cao sau 3 tháng

Vật liệu

Nhân công

Đơn giá thấp hơn Tương tự

Lợi ích về môi trường (giảm khí thải nhà kính) Rất tốt

Từ tổng quan sơ lược nguồn phát thải của các nguyên liệu ngành xây dựng cho thấy bê tông và xi măng là nguồn nguyên vật liệu có lượng phát thải lớn, là thành phần tạo ra lượng phát thải chính của ngành xây dựng Chính vì thế đối tượng phân tích đánh giá trong nhiệm vụ này chính là bê tông, bao gồm cả các nguồn nguyên liệu thô để chế tạo bê tông là xi măng, cốt liệu thô và đá cuội sỏi cát, phụ gia và tỷ lệ nước trong bê tông

Hơn nữa, việc sử dụng hàm lượng tro bay cao trong bê tông nhằm thay thế một

phế tải khổng lồ của các ngành công nghiệp (nhiệt điện, luyện kim, v.v…) thải ra đang chưa có hướng xử lý triệt để Đồng thời, thực hiện được chủ trương của nhà nước theo Quyết định số 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ, Phê duyệt đề án đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro bay, xỉ thạch cao của nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất, phân bón làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng và trong các công trình xây dựng

1.2 Tình hình sử dụng tro bay trong xây dựng của các nước trên thế giới

Tro bay nhiệt điện đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp xi măng và bê tông trên thế giới hơn 60 năm qua Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay nhiệt điện bao gồm: các đập ngăn nước, các đập thủy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân dụng công trình, cầu đường Ngoài các ứng dụng trong xi măng và bê tông, tro xỉ nhiệt điện còn được sử dụng với nhiều mục đích khác như sản xuất gạch bê tông, nền và móng đường giao thông

Tro xỉ là một loại phụ gia khoáng có nguồn gốc nhân tạo, là các phế thải công nghiệp, được sử dụng rộng rãi với khối lượng lớn là tro, xỉ nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao hoạt hóa của nhà máy gang thép

Tro và xỉ của các nhà máy nhiệt điện hình thành khi đốt than bằng vòi đốt ở nồi đốt nồi hơi Tro là sản phẩm thu được tại thiết bị lọc bụi sử dụng để làm sạch khi thải thoát ra từ buồng đốt Xỉ hay tro đáy là phần các hạt tro than có kích thước lớn bị chảy lỏng và rơi xuống tại buồng đốt Tro có kích hạt rất nhỏ với độ mịn tương tự như xi măng Xỉ thường có kích thước hạt lớn hơn 0,3mm Thành phần khoáng chủ yếu của tro

xỉ là pha thủy tinh, ngoài ra còn chứa than chưa cháy và một lượng nhỏ pha tinh thể

Trung Quốc là nước phát thải tro xỉ nhiều nhất trên thế giới Theo báo cáo thường niên về sử dụng tài nguyên của Trung Quốc (2012) do Ủy ban cải cách và phát triển quốc gia Trung Quốc công bố, việc phát thải và sử dụng tro bay lần lượt là 540 và 367 triệu tấn Tỷ lệ sử dụng đạt 67,96%, cao hơn so với Mỹ (46,74%) và Ấn Độ (55,79%) Trong số các ứng dụng của tro bay, 3 lĩnh vực sử dụng nhiều nhất là xi măng (41%), gạch và ngói (26%) và bê tông (19%) Phần còn lại là sử dụng cho đường và kè, nông nghiệp và các vật liệu thu hồi từ tro bay Mặc dù tổng lượng tro bay sử dụng đã tăng từ

199 triệu tấn năm 2005 lên đến 367 triệu tấn năm 2011, nhưng tỷ lệ sử dụng vẫn duy trì khoảng 70% tổng lượng phát sinh những năm gần đây [1]

Hình 1.2 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Trung Quốc [35]

Hình 1.3 Các ứng dụng của tro bay xỉ ở Trung Quốc [36]

Lượng tro xỉ ở Ấn Độ đã tăng từ 68,88 triệu tấn trong năm 1997 lên 163,56 triệu tấn trong năm 2013, trong đó chỉ có 100,37 triệu tấn được tái sử dụng Tỷ lệ tái sử dụng tro xỉ ở Ấn Độ đã tăng rất nhanh, từ 9,63% vào năm 1997 lên 61,37% vào năm 2013 Chính phủ Ấn Độ đã đưa ra một số chương trình và thành lập các cơ quan phục vụ cho việc nghiên cứu và sử dụng tro bay trong các lĩnh vực khác nhau [1], [25], [25]

Gạch ngói 26%

Đường và kè 5%

Bê tông 19%

Xi măng 41%

Nông nghiệp 5%

Khác 4%

Hình 1.4 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Ấn Độ [35]

Hình 1.5 Các ứng dụng của tro bay xỉ ở Ấn Độ [38]

Theo báo cáo thường niên của Hiệp hội tro than Mỹ, năm 2012 có khoảng 77,76 triệu tấn tro bay, tro đáy, xỉ lò hơi và tro CFBC được tạo ra, trong đó 39,03 triệu tấn đã được sử dụng Các lĩnh vực sử dụng tro bay ở Mỹ nhiều nhất là 32,05% cho bê tông và vữa, thứ hai là sử dụng để hoàn mặt bằng cho khai thác mỏ với 28,92%, tiếp theo là 12,83% sử dụng để san lấp mặt bằng, 9,14% sử dụng làm phụ gia khoáng cho xi măng hỗn hợp và nguyên liệu sản xuất clinker… Việc sử dụng tro bay ở Mỹ đã và đang tăng theo thời gian, các nhóm ứng dụng chính được xác định là xi măng và bê tông, nông nghiệp, gạch ngói [1], [23]

Gạch ngói 6,86%

Đường và kè 6,51%

Bê tông 0,74%

Xi măng 44,76%

Nông nghiệp 1,03%

Khác 7,38%

Hoàn mặt bằng cho các mỏ 9,10%

San lấp 16,72%

Đê điều 6,89%

Hình 1.6 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Mỹ [35]

Hiệp hội các sản phẩm từ đốt than Châu Âu (ECOBA) khảo sát và công bố dữ liệu về việc phát thải và sử dụng các sản phẩm từ đốt than ở châu Âu Các sản phẩm từ đốt than điển hình như tro bay, tro đáy, xỉ nồi hơi và tro đốt tầng sôi cũng như các sản phẩm từ khử lưu huỳnh như thạch cao Với tỷ lệ khoảng 68% trong tổng số các sản phẩm

từ đốt than, tro bay là sản phẩm quan trọng nhất trong số đó Theo báo cáo này, năm

2010 Châu Âu phát thải ra 37,58 triệu tấn tro xỉ, trong đó 35,23 triệu tấn đã được sử dụng Tỷ lệ sử dụng tro xỉ trong các lĩnhvực như sau: Lớn nhất là sử dụng cho việc cải tạo và phục hồi đất chiếm 48,89% Lớn thứ hai, 13,36% tổng lượng tro xỉ đã được sử dụng làm phụ gia khoáng cho bê tông, tiếp theo là 6,27% sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng, 5,21% được sử dụng làm phụ gia khoáng trong xi măng hỗn hợp, 4,82% trong điền đầy kết cấu, và 4,16% trong điền đầy kỹ thuật chung [1], [27] Để duy trì tỷ

lệ sử dụng cao này, các nhóm ứng dụng chính được xác định là sử dụng trong nông nghiệp và sản xuất gạch và ngói

1.3 Tình hình sử dụng tro bay trong bê tông ở Việt Nam

Tại Việt Nam đã có 29 nhà máy nhiệt điện đốt than, với tổng công suất 13.183

MW, hầu hết các nhà máy nhiệt điện sử dụng than tập trung ở Miền bắc, nơi có nguồn nhiên liệu than Quảng Ninh Thêm vào đó, nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than đang được xây dựng hoặc đã có kế hoạch xây dựng Theo quy hoạch phát triển điện quốc gia (theo Quyết định số 1028/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về quy hoạch phát triển điện Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét tới năm 2030), đến năm 2030, Việt Nam sẽ có 70 nhà máy nhiệt điện đốt than với tổng công suất khoảng 75.000 MW, tiêu thụ khoảng

170 triệu tấn than và thải ra khoảng 38 triệu tấn tro xỉ hàng năm

Bảng 1.2 Tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2015-2030

Tổng công suất các nhà máy điện đốt than, MW 13.183 36.000 75.000

Đến nay, tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện đã tiêu thụ trên cả nước khoảng 38% tổng lượng phát thải qua các năm Tro, xỉ được sử dụng nhiều nhất là lĩnh vực làm phụ gia khoáng cho xi măng, sau đó là dùng làm phụ gia bê tông cho các công trình thủy lợi, công trình giao thông (đường bê tông xi măng vùng nông thôn) và công trình xây dựng dân dụng (kết cấu móng khối lớn ít tỏa nhiệt) Trong nghiên cứu của tác giả Nguyễn Trọng Lâm và nnk [4] nghiên cứu đánh ảnh hưởng của hàm lượng tro bay sử dụng cho

bê tông thương phẩm Tỷ lệ tro nghiên cứu này sử dụng là 10-40% cho 2 loại mác bê tông là M30 và M60 và xác định một số tính chất là tính công tác, độ bền nén Nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ tối ưu thay thế là 20% khi đó cường độ bê tông chỉ giảm nhẹ vẫn đạt mác thiết kế và làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông Tương tự các nghiên cứu hướng này có thể thấy một số nghiên cứu cũng tập trung đánh giá tỷ lệ thay thế và

đề xuất các tỷ lệ tối ưu trong mối liên quan đến cường độ chịu nén

Ngoài ra tro, xỉ cũng được dùng để thay thế một phần nguyên liệu sản xuất gạch xây (nung và không nung) Nghiên cứu của tác giả Đoàn Công Chánh [6] về đánh giá hàm lượng tro bay thay thế một phần xi măng ảnh hưởng đến các tính chất kỹ thuật của

bê tông gạch không nung Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục đích đánh giá khả năng sử dụng nguồn phế phẩm tro bay từ nhà máy nhiệt điện trong chế tạo bê tông gạch không nung

Các công trình sử dụng tro bay tiêu biểu phải kể đến thủy điện Sơn La, công trình

có tổng khối lượng bê tông sử dụng là gần 6 triệu m3, trong đó có trên 3 triệu m3 là bê tông đầm lăn (BTĐL) Tất cả phụ gia khoáng dùng cho công trình này đều là tro bay tuyển

thủy lợi đã xây dựng cũng sử dụng tro bay, ví dụ như: thủy điện Lai Châu, Bản Vẽ, Trung Sơn; hồ chứa nước Đồng Mít, Ea H’leo, Tân Mỹ v.v… Tuy nhiên, trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, bê tông sử dụng tro bay còn rất hạn chế

Ngoài sử dụng làm phụ gia khoáng cho bê tông, tro xỉ hiện nay còn được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất các loại gạch bê tông, bao gồm cả các loại gạch block bê tông thủ công có chất lượng thấp được sản xuất tự phát và các nhà máy lớn với công nghệ hiện đại Hiện nay, rất nhiều nhà máy sản xuất gạch bê tông công suất lớn sử dụng tro bay nhằm tăng hàm lượng bột mịn để tăng độ đặc của sản phẩm nhằm đạt độ chống thấm theo yêu cầu Đã có những nhà máy gạch không nung có thể bao tiêu toàn bộ lượng tro xỉ của một nhà máy nhiệt điện, đó là Nhà máy gạch không nung Thanh Tuyền đã sử dụng hết trên 90% sản phẩm tro xỉ của nhà máy nhiệt điện Mạo Khê Tuy nhiên, tiềm năng cho ứng dụng tro xỉ trong sản xuất sản phẩm gạch không nung ở Việt Nam vẫn còn rất lớn

Ngoài hai ứng dụng chính như đã trình bày ở trên, một số nhà máy xi măng cũng đang nghiên cứu sử dụng tro bay làm nguyên liệu sản xuất thay một phần đất sét, ví dụ như nhà máy xi măng Nghi Sơn, nhà máy xi măng Hoàng Thạch Tro xỉ cũng đã được

sử dụng để san lấp mặt bằng hoặc làm lớp móng đường ở một số công trình, v.v… Sau khi chỉ dẫn kỹ thuật sử dụng tro, xỉ đốt than vào san lấp được ban hành, tro, xỉ nhiệt điện

đã bắt đầu được sử dụng để làm vật liệu san lấp mặt bằng ở một số nơi

1.3.1 Bê tông chịu mài mòn

Một trong các hạng mục quan trọng của công trình thủy công thường xuyên có dòng nước với lưu tốc lớn chảy qua là hạng mục đập tràn thường có kết cấu bê tông lõi mác thấp và lớp phủ bên ngoài dày từ 0,5 đến 2m là cấp phối bê tông yêu cầu cường độ,

độ chống thấm tốt và đặc biệt độ chịu mài mòn cao Để có được các đặc tính đặc biệt này, một thành phần bê tông cần thiết phải có là giàu hồ nhưng không được nhiều xi măng để giảm sự tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa (tránh nứt); giàu hồ để tạo ra bê tông đặc chắc, ít lỗ rỗng, đảm bảo độ chống thấm nước, khả năng chịu xói mòn dưới lưu tốc của dòng chảy lớn Chính vì thực tế này đòi hỏi cần có loại bê tông sử dụng tro bay hoạt tính để thay thế một lượng xi măng nhằm đáp ứng yêu cầu trên Loại bê tông này đã được nghiên cứu và áp dụng cho các công trình thủy công như thủy điện Sơn La, Lai Châu, hồ chứa nước Ea H’leo, Sông Lũy v.v…Tuy nhiên chưa được nghiên cứu bài bản

Trong số các phụ gia khoáng dùng cho bê tông, tro bay được đánh giá là có triển vọng để thay thế xi măng trong bê tông chịu mài mòn, với hiệu quả đạt được về kỹ thuật,

về kinh tế và môi trường Xét về mặt kỹ thuật, tro bay có thành phần hoá học với tổng hàm lượng các ôxyt (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70% (tro bay loại F theo ASTM C618) Các oxyt hoạt tính này có khả năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoá của xi măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cường độ cao, bền với môi trường hơn, đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông Bên cạnh đó, với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường kính hạt trung bình khoảng 5-10 µm) nên việc sử dụng tro bay sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông (hiệu ứng ổ bi – Ball bearing effect), làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho bê tông, sẽ làm tăng cường độ, khả năng chống thấm và chống mài mòn của bê tông [13, 18, 22] Trong bê tông, độ rỗng ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất và đặc biệt là độ mài mòn Độ rỗng càng lớn, độ mài mòn càng cao và ngược lại [2]

1.3.2 Bê tông cacbon thấp

Theo thống kê của Cơ quan năng lượng thế giới, tổng năng lượng tiêu thụ và lượng phát thải cacbon do các công trình và cơ sở hạ tầng ngành xây dựng ước tính lên tới 20% năng lượng tiêu thụ và lượng phát thải trên toàn cầu, trong đó con số đó khoảng

từ 5-10% đối với nước phát triển, khoảng 10-40% đối với những nước đang phát triển [24] Số liệu thống kê năm 2012 cho thấy, sản lượng xi măng trên toàn thế giới đạt xấp

xỉ 3,8 tỷ tấn, phát thải khoảng 3,2 tỷ tấn CO2, chiếm 8% mức phát thải khí CO2 hàng năm [13] Chiến lược bảo vệ môi trường và các công nghệ cải tiến ngành xây dựng ở các quốc gia khác nhau sẽ là các yếu tố ảnh hưởng đến tổng lượng phát thải Hình 7 thể hiện phần trăm và khối lượng phát thải cacbon ở một số quốc gia trên thế giới Đây cũng

là các quốc gia đã phát triển các chương trình kiểm kê khí nhà kính và đang thực hiện các chiến lược giảm thiểu lượng phát thải Tại khu vực châu Á, một số nước đi đầu trong việc kiểm kê và công bố các kết quả lượng phát thải cacbon trong ngành xây dựng, gồm Trung Quốc, Nhật Bản Hàn Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Đài Loan Trong đó Trung Quốc

là nước có lượng phát thải lớn nhất và cũng có phần trăm lớn lượng phát thải của ngành xây dựng lớn nhất so với ngành khác của Trung Quốc

Hình 1.7 Lượng phát thải cacbon của ngành xây dựng ở một số nước trên thế giới [25]

Để giảm thiểu các tác động môi trường gây ra bởi việc sản xuất bê tông, các loại vật liệu thay thế đã được nghiên cứu, chế tạo, như bê tông tái chế, bê tông sử dụng các loại vật liệu thay thế xi măng

Vấn đề đánh giá độ mài mòn và lượng phát thải bê tông còn khá hạn chế ở Việt Nam Tác giả Nguyễn Văn Tuấn và nnk [13] là một trong số rất ít nghiên cứu đánh giá lượng phát thải cacbon của bê tông có sử dụng tro bay và một số phụ gia Nghiên cứu này nghiên cứu loại bê tông có chất lượng siêu cao với độ bền nén trên 120MPa sử dụng lượng silica fume là 0-10-20-30% và hàm lượng tro bay là sử dụng là 0-10-20-30-50-70%, tỷ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) = 0,16 Mẫu bê tông sau khi được chế tạo sẽ được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn (t = 27 ± 2°C, độ ẩm > 95%) Mẫu bê tông được xác định cường độ nén ở tuổi 28 ngày Nghiên cứu cho thấy đối với cấp phối dùng đơn phụ gia khoáng tro bay (FA), lượng phát thải CO2 giảm rất đáng kể (23,2%) khi tăng hàm lượng tro bay từ 0-30%; Đối với cấp phối dùng đơn phụ gia khoáng Silicafum (SF), lượng phát thải CO2 giảm rất đáng kể 44,3% khi tăng hàm lượng SF từ 0-30% Đối với cấp phối dùng hỗn hợp phụ gia khoáng 10% SF và FA, lượng phát thải CO2

(tính cho 1 MPa UHPC) giảm đáng kể 30,9% khi tăng hàm lượng FA từ 0-30%

Như vậy tại Việt Nam đã có khá nhiền nghiên cứu đề cập đến vấn đề sử dụng tro

bay thay đến một phần xi măng trong bê tông Việc này cho thấy hiệu quả giảm lượng

xi măng sử dụng, giảm giá thành mà vẫn đảm bảo độ bền nén Các nghiên cứu này chưa

áp dụng nhiều trong thực tế Đặc biệt nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tro bay trong

bê tông tới độ mài mòn và giảm lượng phát thải của bê tông đã có nhưng rất hạn chế Đây cũng là những vấn đề đề cập trong luận văn này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu, số liệu nghiên cứu của đề tài dựa vào:

- Tài liệu thực tế: Số liệu các loại vật liệu thực tế khảo sát, thực hiện thí nghiệm được tổng hợp tại bảng 2.1

Bảng 2.1 Tổng hợp khối lượng mẫu thí nghiệm

I Thí nghiệm vật liệu

1 Thí nghiệm các chỉ tiêu của xi măng (PC40) mẫu 1

2 Thí nghiệm các chỉ tiêu của tro bay mẫu 1

II Thí nghiệm thiết kế thành phần bê tông

7 Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông mẫu 6

9

Cường độ chịu nén (mẫu lập phương

150x150x150mm) của bê tông ở các tuổi 7, 28

và 90 ngày

10 Độ chống thấm của bê tông (mẫu trụ tròn có

đường kính bằng chiều cao = 150mm) mẫu 36

11 Độ mài mòn (mẫu trụ tròn có đường kính

- Số liệu tính toán: Tính toán lượng phát thải

- Số liệu tổng hợp, so sánh với các nghiên cứu từ các bài báo khoa học, các tạp chí, các đề tài nghiên cứu bao gồm 38 tài liệu trong đó có 14 tài liệu trong nước và 24 tài liệu nước ngoài

2.2 Cơ sở khoa học của việc sử dụng tro bay thay thế xi măng

Trong tro bay có rất nhiều các nguyên tố hóa học khác nhau, tồn tại dưới dạng các oxyt như SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, FeO, TiO2, Cr2O3, V2O5, MnO, SO3,

Na2O, K2O, B2O3 Trong các ôxit trên thì SiO2, Al2O3, CaO, MgO được coi là chủ yếu

vì chúng có hàm lượng lớn và quyết định đến các tính chất cơ bản của tro bay, nguồn gốc của các loại ôxit này phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc và loại nhiên liệu Các ôxit CaO tự do, MgO tự do, Na2O, K2O, SO3 và thành phần than chưa cháy của tro tuyển được coi là có hại cần phải lưu ý khi sử dụng vì chúng làm thay đổi thể tích sản phẩm thuỷ hoá chất kết dính trong quá trình rắn chắc hoặc là gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông Loại tro sử dụng trong nghiên cứu này là tro của nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Hải Dương, được sản xuất theo công nghệ tuyển nổi, do đó sản phẩm tro có các hoạt tính khi sử dụng trong bê tông như sau:

➢ Hiệu ứng tường chắn: Tro bay có thành phần SiO2 hoạt tính chúng sẽ tác

dụng với sản phẩm thuỷ hoá có trên bề mặt hạt cốt liệu tạo ra các sản phẩm C-S-H làm tăng cường độ, tăng độ đặc chắc vùng giao diện chuyển tiếp, làm tăng độ bám dính giữa

đá xi măng và hạt cốt liệu, thể hiện tại phương trình hóa học như sau:

3Ca(OH)2 + 2SiO2 + 3H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O

➢ Hiệu ứng ổ bi: Khi thay thế xi măng bằng tro bay, do các hạt tro tuyển có

dạng hình cầu nên chúng có tác dụng bôi trơn làm tăng độ đồng nhất cho HHBT

➢ Hiệu ứng phân tán: Các hạt tro bay sẽ xâm nhập vào trong giữa các hạt xi

măng và tách các hạt xi măng ra làm cho bề mặt các hạt xi măng này tiếp xúc nhiều hơn với nước tăng nhanh quá trình thủy hóa của các hạt xi măng

➢ Hiệu ứng tăng độ đặc chắc vi cấu trúc: Tro bay bổ sung thành phần hạt còn

thiếu trong xi măng làm cho dải hạt trở nên liên tục, làm giảm lỗ rỗng trong đá xi măng

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và các tài liệu trong nước, ngoài nước về bê tông thủy công để chọn hướng nghiên cứu chính Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn:

2.3.1 Phương pháp tổng hợp, xử lý và tính toán số liệu

Số liệu tổng hợp gồm xác định các hệ số phát thải, số liệu thí nghiệm Phần tổng hợp, tính toán xử lý và vẽ các đồ thị thực hiện bằng Excel thể hiện, so sánh các tính chất của bê tông với các điều kiện, cấp phối vật liệu khác nhau

2.3.2 Phương pháp trong phòng thí nghiệm bê tông

Các tính chất kỹ thuật của bê tông đánh giá độ bền và mài mòn bao gồm:

+ Xác định tính công tác của bê tông thủy công;

+ Xác định cường độ chịu nén và các tính chất cơ lý khác

+ Xác định độ mài mòn của bê tông theo tiêu chuẩn của Mỹ;

Đề tài sử dụng các thiết bị thí nghiệm bê tông theo tiêu chuẩn Việt Nam và nước ngoài của Phòng LAS – XD 175 như thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm

nghiệm

Tiêu chuẩn đánh giá

1 Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đá

3 Các chỉ tiêu cơ lý của tro bay Phương pháp thí nghiệm

trong TCVN 10302:2014;

ASTM C311

TCVN 10302:2014; ASTM C618

9 Độ mài mòn của bê tông -

Abrasion Resistance of Concrete

(Underwater Method)

ASTM C1138-05

Công tác thiết kế cấp phối bê tông được thực hiện theo:

- Quyết định số 778/1998/QĐ-BXD “Chỉ dẫn kĩ thuật chọn thành phần bê tông

các loại”;

- Quyết định số 3986 /QĐ - BNN – XD ngày 12/10/2018 Ban hành hướng dẫn sử

dụng tro bay trong bê tông công trình thủy lợi và đê điều;

- “Lựa chọn thành phần cấp phối bê tông thông thường, bê tông nặng, bê tông

khối lớn” của Viện bê tông Mỹ ACI 211.1-97

➢ Các bước thiết kế thành phần bê tông ứng với các tỷ lệ thay thế tro bay

- Xác định mối quan hệ của tỷ lệ T/CKD (tro bay/chất kết dính - gồm tro bay và

xi măng) với cường độ chất kết dính ở tuổi 28 ngày bằng cách thí nghiệm thực tế ở các

mác chất kết dính phù hợp, tương ứng với tỷ lệ T/CKD phù hợp dùng để thiết kế các cấp phối bê tông theo yêu cầu kỹ thuật

Hình 2.1 Đường quan hệ giữa RCKD và T/CKD với xi măng PC40 Theo quyết định số 3986 /QĐ - BNN – XD ngày 12/10/2018 Ban hành hướng dẫn sử dụng tro bay trong bê tông công trình thủy lợi và đê điều; khi tỷ lệ N/CKD không đổi và tăng tỷ lệ T/CKD theo bước nhảy 10% thì cường độ nén giảm tuyến tính theo hình 2.1 Tuy nhiên với mục đích của đề tài xây dựng mối tương quan giữa tỷ lệ T/CKD

và tỷ lệ N/CKD cho mác bê tông 35MPa nên khi tỷ lệ tro trong CKD tăng thì đồng thời

tỷ lệ N/CKD phải giảm Dựa vào kinh nghiệm thực tế, các tài liệu liên quan và tài liệu ACI 211.1-97 của Viện bê tông Mỹ: “Lựa chọn thành phần cấp phối bê tông thông thường, bê tông nặng, bê tông khối lớn” xây dựng thành phần cấp phối theo các tỷ lệ như bảng sau:

Bảng 2.3 Tỷ lệ phụ gia hóa của bê tông khi sử dụng tỷ lệ N/CKD ở các tỷ lệ T/CKD

Trong thiết kế thành phần cần chú ý một số quy luật:

Rbt =Ai x Rxi măng x ( 𝑋

𝑁+ 0,5) Trong đó:

Rbt - Cường độ chịu nén của bê tông;

Rxi măng - Cường độ chịu nén của xi măng;

A, Ai – Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào chất lượng vật liệu

Các điều kiện áp dụng công thức:

- Bê tông được bảo dưỡng tốt, tương đương điều kiện chuẩn;

- Bê tông được đầm chặt, hệ số đầm K≥0.97;

- Cường độ cốt liệu lớn hơn cường độ bê tông 1.5 lần khi cốt liệu là đá cacbonat

và 2 lần khi cốt liệu là đá bazan, granit

- Lượng xi măng tối thiểu không thấp hơn 160-240kg (phụ thuộc dmax cốt liệu lớn) Chi tiết xem bảng 3.1 tại quyết định 778/1998/QĐ-BXD ngày 5/9/1998 của Bộ xây dựng về việc thiết kế bê tông “Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại”

Hệ số A, Ai : theo bảng 4 “Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại”

- Quy luật về lượng nước không đổi

Khi lượng dùng xi măng thay đổi trong phạm vi 250-400kg, hỗn hợp bê tông có

độ sụt không đổi khi có cùng một lượng nước trộn

Chú ý:

Với lượng xi măng sử dụng >400kg, công thức tính lượng nước hiệu chỉnh:

Nhc = (10.N -400)/(10-X/N);

Tồn tại một trị số tỷ lệ cát/(cát+đá) tối ưu, tại tỷ lệ này với cùng lượng dùng nước,

xi măng, hỗn hợp có độ sụt cao nhất hoặc với cùng lượng xi măng và độ sụt bê tông có cường độ cao nhất

Có hai cách khống chế tỷ lệ này, gọi tắt là tỷ lệ cát:

r = cát/(cát+đá);

Hệ số dư vữa Kd = Thể tích vữa/Thể tích lỗ rỗng của đá dăm

Bản chất là lượng vữa trong hỗn hợp bê tông phải có thể tích tuyệt đối đủ lấp đầy thể tích lỗ hổng của đá dăm với một lượng dư hợp lý tạo cho hỗn hợp tính dễ đầm, dễ

- Quy luật về thể tích tuyệt đối

Thành phần tính cho 1m3 hỗn hợp bê tông với giả thiết thành phần lỗ rỗng trong

bê tông đầm chặt bằng từ 0 ÷ 3%

Bảng 2.4 Các thành phần cơ bản của cấp phối

3 Thể tích Vxi =

Mxi/xi

Vpgk = Mpgk/pgk

Vxi = Mxi/xi

Vn = Mn/n

Vxi = Mcát/cát

Vdăm = Mdăm/KLTTdăm

➢ Trình tự tính toán xác định thành phần bê tông cơ bản

Bước 1: Các thông số kỹ thuật cần đạt được:

Cường độ nén trên mẫu lập phương tiêu chuẩn tuổi 90 ngày đạt 35 MPa;

Bước 2: Hàm lượng chất kết dính (bao gồm xi măng và tro bay):

Để đạt được các thông số kỹ thuật như vậy trong thành phần cấp phối tính toán lý thuyết áp dụng tỷ lệ N/X = 0,58, lượng xi măng sơ bộ khoảng 356 kg/m3 tương đương với tổng lượng CKD

Tính thể tích mà CKD chiếm chỗ trong bê tông (giả sử chỉ sử dụng xi măng):

𝑉𝐶𝐾𝐷 = 𝑀𝐶𝐾𝐷

1000×𝜌𝑋, 𝑚3 Trong đó: 𝜌𝑋 là khối lượng riêng của xi măng, g/cm3;

MCKD là khối lượng chất kết dính, kg;

VCKD là thể tích CKD chiếm chỗ, m3

Tính khối lượng xi măng và tro bay: Luận văn lựa chọn sử dụng tro bay thay thế

xi măng theo khối lượng với hàm lượng 10, 20, 30, 40 và 50%

Khối lượng tro bay: 𝑀𝑇 = %𝑇 × 𝑀𝐶𝐾𝐷, 𝑘𝑔

Khối lượng xi măng: 𝑀𝑋 = 𝑀𝐶𝐾𝐷 − 𝑀𝑇, 𝑘𝑔

Trong đó:

%T là hàm lượng tro bay trong CKD, %;

MX là khối lượng xi măng trong CKD, kg;

MT là khối lượng tro bay trong CKD, kg

Bước 3: Tính lượng dùng nước

Luận văn lựa chọn 6 lượng dùng nước để tính toán thành phần cấp phối với tỷ lệ N/CKD = 0,58 ÷ 0,48

Lượng dùng nước được tính theo công thức:

𝑁 = 𝑁

Bước 4: Tính lượng dùng phụ gia hóa học

Lượng dùng phụ gia siêu dẻo tính toán sơ bộ dựa theo kết quả xác định khả năng giảm nước ứng với các tỷ lệ N/CKD = 0,58 ÷ 0,48 thì lượng dùng phụ gia siêu dẻo tương ứng là 0,7 đến 1,3 lít/100 kg CKD

Công thức tính lượng dùng phụ gia siêu dẻo như sau:

𝑃 =%𝑃𝐺𝑆𝐷×(𝑀𝑋+𝑀𝑇)

Lượng dùng phụ gia điều chỉnh tính công tác sử dụng theo khuyến cáo của nhà sản

Cốt liệu sử dụng bao gồm cát và đá dăm Lượng dùng cốt liệu được xác định dựa trên 2 thông số là tổng thể tích của nó chiếm chỗ trong bê tông và tỷ lệ giữa 2 loại xác định thông qua tỷ lệ cát / cốt liệu (C/CL)

Xác định thể tích mà cốt liệu chiếm chỗ trong bê tông:

𝑉𝐶𝐿 = 1000 − 𝑉𝑋 − 𝑉𝑇 − 𝑉𝑁 − 𝑉𝑃 = 1000 − 𝑋

𝜌 𝑋− 𝑇

𝜌 𝑇− 𝑁 − 𝑃, lít (4.6) Xác định khối lượng thể tích của cốt liệu:

𝜌𝑇 là khối lượng riêng của tro bay, g/cm3;

𝜌𝑥 là khối lượng riêng của xi măng, g/cm3;

𝜌𝑐 là khối lượng riêng cát, g/cm3;

𝜌Đ là khối lượng thể tích của đá, g/cm3;

➢ Quá trình trộn và đúc mẫu

Quá trình trộn bê tông có tro bay trong phòng thí nghiệm không khác nhiều so với bê tông thông thường Tuy nhiên, do lượng nước sử dụng tương đối ít trong thành phần và việc phân bố đều phụ gia khoáng dẫn tới bê tông có tro bay cần có thời gian trộn kéo dài Để đạt độ đồng nhất cao có thể trộn bê tông có tro bay theo quy trình như sau:

(Đá+Cát trộn khô 1 phút) => ((Đá+Cát trộn + 25% nước trộn 2 phút)+(Xi măng +Tro bay) trộn 2 phút) => (Hỗn hợp+40% nước trộn 2-3 phút) => (Hỗn hợp+Phụ gia giảm nước+35% nước trộn 2-3 phút) = > Kết thúc quá trình trộn

➢ Xác định độ sụt

- Thiết bị thử:

Côn thử độ sụt với thông số quy định trong bảng, thanh thép tròn trơn d=16mm,

h = 600mm hai đầu múp tròn, phễu đổ hỗn hợp, thước lá kim loại dài 30cm chính xác 0.5cm

Dùng giẻ ướt lau mặt trong của côn và các dụng cụ khác mà tiếp xúc với bê tông Đặt côn lên nền ẩm, cứng, phẳng, không thấm nước

Đổ bê tông vào côn làm 3 lớp, mỗi lớp =1/3 chiều cao côn Sau khi đổ từng lớp dùng que chọc từ xung quanh đến vào giữa 25 lần Lần đầu chọc suốt chiều sâu, lần sau xuống lớp dưới 2-3cm Lớp 3 vừa chọc vừa thêm để giữ hỗn hợp luôn đầy hơn miệng côn

Nhấc phễu ra, gạt phẳng miệng côn và từ từ nhấc côn ra trong 5-10giây

Đặt côn sang bên cạnh và đo chênh lệch giữa chiều cao miệng côn và điểm cao nhất của khối hỗn hợp (thời gian thử tính từ lúc bắt đầu đến lúc nhấc côn không quá 150 giây), số liệu làm tròn đến 0.5cm

Xác định diện tích chịu lực của mẫu;

Đặt mẫu vào máy nén sao cho một mặt chịu nén đã chọn nằm đúng tâm thớt dưới của máy Vận hành máy cho mặt trên của mẫu nhẹ nhàng tiếp cận với thớt trên của máy Tiếp đó tăng tải liên tục với vận tốc không đổi cho tới khi mẫu bị phá hoại Dùng tốc độ gia tải nhỏ đối với các mẫu bê tông có cường độ thấp, tốc độ gia tải lớn đối với các mẫu

bê tông cường độ cao

Hình 2.2 Thiết bị thử nghiệm xác định cường độ chịu nén Lực tối đa đạt được là giá trị tải trọng phá hoại mẫu

- Tính toán kết quả

Cường độ nén của từng viên mẫu bê tông (Rn), tính bằng MPa, theo công thức:

𝑃

P – tải trọng phá hủy mẫu, N;

F – diện tích chịu nén của viên mẫu, mm2

Tuổi mẫu thử không sớm hơn 28 ngày

Mẫu không được rỗ và có vết nứt

Dùng bàn chải sắt tẩy sạch màng hồ xi măng trên 2 mặt đáy của mẫu thử Sấy nóng áo mẫu tới 600C, lấy paraphin đun chảy quét đều lên xung quanh thành mẫu rồi ép mẫu vào áo thép sao cho khe hở giữa chúng được lấp đầy hoàn toàn paraphin

- Tiến hành thử

Kẹp chặt mẫu vào bàn máy bằng gioăng cao su và các bu lông hãm Bơm nước cho đầy các ống và khoang chứa, mở van xả hết không khí giữa các mẫu thử và cột nước bơm Sau đó đóng van xả khí

Bơm nước tạo áp lực tăng dần từng cấp, mỗi cấp 2daN/cm2 Thời gian giữ mẫu

ở mỗi cấp áp lực là 16 giờ

Tiến hành tăng áp tới khi thấy trên mặt mẫu có xuất hiện nước xuyên qua Khi

đó khóa van và ngừng thử viên mẫu bị nước xuyên qua đó Sau đó tiếp tục thử các viên