Các công trình đường bộ ở nước ta hiện nay thường sử dụngcông nghệ xây dựng áo đường bằng bê tông nhựa, công nghệnày tỏ ra kém bền vững và chi phí bảo trì cao so với áo đườngbằng bê tông xi măng. Vì vậy, xây dựng đường bằng bê tông ximăng có chứa hàm lượng lớn tro bay là một giải pháp hiệu quảgiúp nâng cao chất lượng đường, giảm thiểu lượng xi măng, tiêuthụ phế thải tro bay và góp phần bảo vệ môi trường.
Trang 1SỬ DỤNG CHẤT THẢI TRO BAY CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỂ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
USING FLY ASH IN CONCRETE MIX DESIGN FOR ROAD CONSTRUCTION
TRƯƠNG NAM SƠN NGUYỄN HỮU THẮNG TÓM TẮT
Các công trình đường bộ ở nước ta hiện nay thường sử dụng
công nghệ xây dựng áo đường bằng bê tông nhựa, công nghệ
này tỏ ra kém bền vững và chi phí bảo trì cao so với áo đường
bằng bê tông xi măng Vì vậy, xây dựng đường bằng bê tông xi
măng có chứa hàm lượng lớn tro bay là một giải pháp hiệu quả
giúp nâng cao chất lượng đường, giảm thiểu lượng xi măng, tiêu
thụ phế thải tro bay và góp phần bảo vệ môi trường
ABSTRACT
The road construction in our country today has been using
asphalt concrete pavement, whichis unsustainable and higher
maintenance charge than concrete pavement Therefore,
construction of concrete road containing large amounts of fly
ash is an effective solution to improve road quality, reduce using
of cement, consume fly ash and environmentally friendly
PGS.TS Nguyễn Văn Chánh
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
Nguyễn Hữu Thắng
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
Trương Nam Sơn
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
1 GIỚI THIỆU
Hệ thống đường bộ ở nước ta hiện nay đang được xây dựng
bằng cách sử dụng mặt đường mềm thông thường với nguyên liệu
chủ yếu là nhựa đường Ở Việt Nam, nhựa đường chủ yếu được
nhập khẩu Trong khi đó xi măng là sản phẩm ở nước ta có thể tự
sản xuất và khai thác được, luôn đảm bảo cung cấp đầy đủ cho thi
công nên sẽ là rất hiệu quả về mặt kinh tế, nguyên vật liệu, giá
thành… trong thi công xây dựng công trình giao thông Hơn nữa,
việc tăng cường sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng
giao thông là triển khai thực hiện Nghị quyết của Chính phủ với
mục tiêu ưu tiên sử dụng sản phẩm hàng hóa sản xuất trong nước,
thúc đẩy sản xuất kinh doanh, kiềm chế nhập siêu và tiết kiệm
năng lượng Mặt khác, mặt đường bê tông nhựa 5-10 năm là phải
sửa chữa, cải tạo còn bê tông xi măng có tuổi thọ lên tới 30 năm
cho thấy chất lượng đường bê tông xi măng tốt hơn nhiều Khả
năng sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông
ở Việt Nam hiện nay là rất lớn, đặc biệt phù hợp với các tuyến
đường giao thông nông thôn có chất lượng và tuổi thọ tốt
Để sản xuất được 1 tấn xi măng Portland, cần thải ra 1 tấn CO2
vào khí quyển Vì vậy, dùng tro bay để thay thếmột phần xi măng
trong bê tông vừa giúp giảm đáng kể chi phí cho bê tông vừa giúp
giảm khí nhà kính Tro bay là phế thải của các nhà máy nhiệt
điện, có thể được cho vào bê tông như là một hỗn hơp xi măng -
tro bay hoặc thay thế một phần cốt liệu mịn trong tỷ lệ cấp phối
bê tông
Tro bay có thể ứng xử như một cốt liệu mịn và đồng thời cũng như một hợp chất kết dính nhờ hoạt động pozzolan của nó Đã có rất nhiều nghiên cứu về bê tông có chứa hàm lượng lớn tro bay như độ sụt của bê tông tươi hay cường độ, độ bền, bề mặt hoàn thiện của bê tông cứng Ta hoàn toàn có thể sản xuất một loại bê tông chất lượng tốt với 25% tro bay trong xi măng Portland Theo số liệu thống kê, hiện nay cả nước có 19 nhà máy nhiệt điện đang vận hành với tổng công suất phát điện 14.480 MW và thải ra khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ hàng năm Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, còn lại là xỉ Dự kiến sau năm 2020, con
số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công suất 39.020 MW, lượng tro
xỉ thải ra dự kiến hơn 30 triệu tấn/năm Ô nhiễm môi trường do tro bay cũng đang là vấn đề nhức nhối của tỉnh Bình Thuận trong thời gian vừa qua.Vĩnh Tân 2 chạy hết công suất sẽ thải khoảng 0,9 triệu tấn tro xỉ/năm Nếu tính cả Trung tâm Điện lực Vĩnh Tân gồm 4 nhà máy với công suất 5.600MW sẽ thải ra khoảng 4 triệu tấn tro xỉ/năm
2 CHẤT LƯỢNG TRO XỈ Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VĨNH TÂN
2.1 Hydrat hóa xi măng và tro bay
Tro bay làm cho bê tông ít thấm hơn và đặc hơn so với xi măng Portland thông thường Cường độ dài hạn (90 ngày trở lên) của bê tông tro bay tốt hơn so với bê tông thường Vật liệu pozzolanic trong tro bay phản ứng với canxi hydroxit tạo ra bởi xi măng Portland và tạo ra hợp chất kết dính thủy hóa thường được biết đến là gel C-S-H, do đó làm tăng tính chất của bê tông Phản ứng có thể viết dưới dạng:
Hình 1 – Vận chuyển tro xỉ ra bãi chứa của Nhà
máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 2
Trang 22.2 Thực nghiệm thành phần tro bay ở nhà máy nhiệt
điện Vĩnh Tân
Bảng 1 – Kết quả phân tích XRF của mẫu tro bay từ nhà
máy nhiệt điện Vĩnh Tân
Công thức Hàm lượng Sai số ±
SiO2 55.71% 0.188%
Al2O3 27.51% 0.136%
Fe2O3 7.02% 0.014%
K2O 5.31% 0.031%
MgO 1.17% 0.033%
TiO2 0.99% 0.013%
CaO 0.93% 0.013%
SO3 0.44% 0.012%
Na2O 0.25% 0.037%
P2O5 0.24% 0.012%
BaO 0.15% 0.010%
MnO 0.05% 0.002%
Rb2O 0.04% 0.001%
ZrO2 0.04% 0.001%
Cr2O3 0.03% 0.002%
ZnO 0.02% 0.001%
CuO 0.02% 0.001%
SrO 0.02% 0.001%
NiO 73 PPM 10 PPM
PbO 72 PPM 11 PPM
Ga2O3 63 PPM 5 PPM
As2O3 39 PPM 3 PPM
Nb2O5 30 PM 4 PPM
2.3 Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông
Bảng 2 – Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông [4]
Chỉ tiêu Loại tro
bay
Lĩnh vực sử dụng - Mức
a b c d
1 Tổng hàm lượng ôxit SiO2
+ Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn
F
C
70
45
2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra
SO3, % khối lượng, không lớn hơn
F
C
3
5
5
5
3
6
3
3
3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn
F
C
-
2
-
4
-
4
-
2
4 Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn
F
C
12
5
15
9
8*
7
5*
5
5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, không lớn hơn
F
C 1,5
6 Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn
F
7 Lượng sót sàng 45µm, % khối lượng, không lớn hơn
F
C 25 34 40 18
8 Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn
F
C 105 105 100 105
9 Hàm lượng ion Cl-, % khối lượng, không lớn hơn
F
C 0,1 - - 0,1
10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay dùng:
- Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn 370
- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn 740
* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: - lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10
%, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận
Trang 3Hình 2 – Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỉ
lệ nước/xi măng và cường độ chịu uốn ở 28 à
Qua phân tích chất lượng của mẫu tro xỉ của nhà máy nhiệt
điện Vĩnh Tân có tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, %
khối lượng, không nhỏ hơn 70% và không chứa những thành
phần ôxit độc hại nên có thể sử dụng để sản xuất bê tông cho
đường bê tông xi măng
3 THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG
TRO BAY ĐỂ LÀM ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
3.1 Yêu cầu kỹ thuật
Để thiết kế cấp phối bê tông cho thi công đường, yêu cầu
kỹ thuật thiết kế của bê tông là cường độ chịu uốn
Bài toán được thiết kế với cường độ chịu uốn là 4.5MPa
Bảng 3 – Yêu cầu kỹ thuật các nguyên vật liệu theo [1]
Cường độ chịu uốn
của bê tông ở 28
ngày
4.5 MPa
Xi măng Xi măng Portland có cường độ chịu
nén 43Mpa, cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi là 40.5MPa Tỉ trọng: 3.15 Lượng xi măng tối
thiểu nên dùng 350 kg/m
3
Lượng xi măng tối
đa nên dùng 425 kg/m
3
Tro bay Thay thế 25% xi măng theo khối lượng
Đá dăm Kích thước phù hợp với bảng 4
Cát Kích thước phù hợp với bảng 4
Độ sụt 30mm
Phụ gia siêu dẻo Nếu thêm 10g/1kg bê tông sẽ giảm
15% lượng nước
Tỉ lệ nước/xi măng
Bảng 4 – Yêu cầu về kích thước cốt liệu theo [1]
Kích thước lỗ
rây Cát Phần trăm lọt qua Đá dăm
10mm 20mm
4.75mm 98 6
2.36mm 86 0
1.18mm 71
600 micro 40
300 micro 21
150 micro 5
3.2 Thiết kế cấp phối hỗn hợp
Theo [1], Do nhiều yếu tố ngoài thực tế khó kiểm soát được
nên để đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt được cường độ chịu uốn là
4.5MPa, cường độ chịu uốn thiết kế sẽ được tính như sau:
R’ = R + Z x σ
Trong đó:
R’ là cường độ chịu uốn thiết kế ở 28 ngày (MPa)
R là cường độ chịu uốn mong muốn
Z là hệ số phụ thuộc vào mức độ quan trọng của công trình đường Z = 2.33 đối với đường cao tốc, Z = 1.96 đối với đường quốc lộ, Z = 1.65 đối với đường nội thành và đường nông thôn
σ được lấy theo bảng 5
Bảng 5 – Bảng tra giá trị σ [1]
Cường độ chịu uốn cao tốc Đường quốc lộ Đường Đường nội thành và đường nông thôn 3.0 0.38 0.55 0.60 3.5 0.35 0.50 0.55 4.0 0.32 0.45 0.50 4.5 0.29 0.40 0.45 5.0 0.26 0.35 0.4
• Bài báo này hướng đến thiết kế cấp phối cho đường nội thành và đường nông thôn nên cường độ chịu uốn thiết kế là: R’ = 4.5 + 1.65 x 0.45 = 5.3 (MPa)
Tỉ lệ nước/xi măng
Theo [3]Tỉ lệ nước/xi măng được cho trong biểu đồ ở hình 2 với đường A, B, C, D, E tương ứng với xi măng có cường độ chịu nén ở 7 ngày lần lượt là 21-25 (MPa), 25-29 (MPa), 29-35 (MPa), 35-41 (MPa), 41-48 (MPa)
Với loại xi măng như mục III.1 và cường độ chịu uốn thiết kế
là 5.3MPa, tra biểu đồ ta có được tỉ lệ nước/xi măng là 0.42
Lượng nước yêu cầu
Bảng 6 – bảng tra lượng nước yêu cầu theo [1]
Kích thước cốt liệu tối đa (mm) Loại cốt liệu Lượng nước ứng với độ sụt 15-45mm (kg/m3)
Đá dăm 215
Đá dăm 195
Trang 4• Đối với cốt liệu gồm cát và đá dăm, theo [1] ta tính như
sau:
3
W 165 195 175(kg/ )
= × + × =
• Sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lượng 10g/1kg xi măng,
lượng nước yêu cầu được giảm 15% nên:
3
W 175 0.85 149(kg/ m )= × =
Khối lượng xi măng cần dùng
Lượng xi măng cần dùng là 149/0.42 = 355 (kg)
Khối lượng cốt liệu:
Khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông tươi không có tro bay
được tính như sau:
U = ×G −A +C −G G − G −
Trong đó:
UM, khối lượng riêng của bê tông tươi kg/m3
Ga, tỉ trọng trung bình của cốt liệu
Gc,tỉ trọng của xi măng
A, hàm lượng bọt khí, lấy 1.5% đối với cốt liệu có kích
thước tối đa 20mm và 2.5% đối với cốt liệu có kích thước tối đa
10mm
Wm, lượng nước yêu cầu
Cm, lượng xi măng sử dụng
Khối lượng riêng của hỗn hợp thiết kế:
3
2.65
10 2.65(100 1.5) 355(1 ) 149(2.65 1) 2420( / )
Hàm lượng cát trong tổng số cốt liệu được lấy dựa vào bảng 7
Ứng với tỉ lệ nước/xi măng là 0.42 và kích thước tối đa của cốt
liệu là 20mm ta được hàm lượng cát chiếm khoảng 35% trong
tổng khối lượng cốt liệu
Bảng 7 – Tỉ lệ cát trong tổng khối lượng cốt liệu ứng với độ sụt
15-45mm Đơn vị (%)[3]
Tỉ lệ nước/xi măng Kích thước tối đa của cốt liệu
10mm 20mm 0.3 39-48 30-37
0.4 41-50 32-39
0.5 43-52 34-41
Tổng khối lượng cốt liệu:
2420 – 355 – 149 = 1916 kg/m3
Khối lượng cát:
1916 x 0.35 = 670 kg/m3
Khối lượng đá dăm
1916 – 670 = 1246 kg/m3
Theo [2], Tỉ lệ khối lượng đá dăm có đường kính 10mm/khối
lượng đá dăm có đường kính 20mm là 2/3 Từ đó có được khối
lượng đá dăm 10mm là 498kg/m3, 20mm là 748kg/m3
Khi thay thế xi măng bằng 25% tro bay, cấp phối bê tông
được tính toán lại như sau:
Theo thực nghiệm tổng lượng xi măng – tro bay nên tăng lên
10.7% để đạt được cường độ yêu cầu Tổng lượng vật liệu xi
măng là 355 x 1.107 = 393 kg/m3 Đồng thời lượng nước yêu cầu
được giảm đi 5%
Bảng 8 – Bảng tính toán thành phần cấp phối bê tông chứa 25%
tro bay thay thế xi măng
Vật liệu Khối lượng
(kg) riêng (kg/mKhối lượng 3) Thể tích (m
3)
Xi măng 393 x 0.75
=295 3150 0.0937 Tro bay 393 x 0.25 =
98 2200 0.0445 Nước 149x0.95=142 1000 0.142
Phụ gia siêu dẻo 6.2 1150 0.0054 Bọt khí
Tổng 0.3006 Tổng cốt
liệu 1 - 0.3006 =0.6994
Đá dăm 1246 2650 0.4702 Cát 0.2292 x 2650
= 607 2650 0.6994 - 0.4702 = 0.2292
Bảng 9 – So sánh thành phần cấp phối của bê tông có cường độ
chịu uốn 4.5MPa khi dùng tro bay và không dùng tro bay
Vật liệu Bê tông không
chứa tro bay Bê tông chứa tro bay
Xi măng (kg/m3) 355 295
Đá dăm 10mm (kg/m3) 498 498
Đá dăm 20mm (kg/m3) 748 748 Phụ gia siêu dẻo (kg/m3) 3.55 6.2
Tỉ lệ nước/xi măng 0.42 0.361
4 KẾT LUẬN CHUNG
Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo giúp tiết kiệm được 60kg xi măng và tiêu thụ hết 98kg tro bay trong 1m3 bê tông.Vì vậy tận dụng tro bay để làm đường bê tông
xi măng là một giải pháp vừa giúp tiết kiệm một lượng lớn xi măng vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải tro bay của các nhà máy nhiệt điện
Tài liệu tham khảo:
[1]IRC:15-2011, Standard specifications and code of practice for construction of concrete roads
[2] IS 383-1970, Specification for coarse and fine aggregates from natural sources for concrete
[3]Kaushal Kishore, Roorkee – Mix design for concrete roads
as per IRC-15-2002
[4] TCVN 10302:2014, Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng