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.
SỬ 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 PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÁNH TRƯƠNG NAM SƠN NGUYỄN HỮU THẮNG TÓM TẮT Các công trình đường nước ta thường sử dụng công nghệ xây dựng áo đường bê tông nhựa, công nghệ tỏ bền vững chi phí bảo trì cao so với áo đường bê tông xi măng Vì vậy, xây dựng đường bê tông xi măng có chứa hàm lượng lớn tro bay giải pháp hiệu giúp nâng cao chất lượng đường, giảm thiểu lượng xi măng, tiêu thụ phế thải tro bay 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 GIỚI THIỆU Hệ thống đường nước ta xây dựng cách sử dụng mặt đường mềm thông thường với nguyên liệu chủ yếu nhựa đường Ở Việt Nam, nhựa đường chủ yếu nhập Trong xi măng sản phẩm nước ta tự sản xuất khai thác được, đảm bảo cung cấp đầy đủ cho thi công nên hiệu mặt kinh tế, nguyên vật liệu, giá thành… thi công xây dựng công trình giao thông Hơn nữa, việc tăng cường sử dụng xi măng xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông triển khai thực Nghị Chính phủ với mục tiêu ưu tiên sử dụng sản phẩm hàng hóa sản xuất nước, thúc đẩy sản xuất kinh doanh, kiềm chế nhập siêu tiết kiệm lượng Mặt khác, mặt đường bê tông nhựa 5-10 năm phải sửa chữa, cải tạo bê tông xi măng có tuổi thọ lên tới 30 năm cho thấy chất lượng đường bê tông xi măng tốt nhiều Khả sử dụng xi măng xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông Việt Nam lớn, đặc biệt phù hợp với tuyến đường giao thông nông thôn có chất lượng tuổi thọ tốt Để sản xuất xi măng Portland, cần thải CO2 vào khí Vì vậy, dùng tro bay để thay thếmột phần xi măng bê tông vừa giúp giảm đáng kể chi phí cho bê tông vừa giúp giảm khí nhà kính Tro bay phế thải nhà máy nhiệt điện, cho vào bê tông hỗn hơp xi măng tro bay thay phần cốt liệu mịn tỷ lệ cấp phối bê tông Tro bay ứng xử cốt liệu mịn đồng thời hợp chất kết dính nhờ hoạt động pozzolan Đã có nhiều nghiên cứu bê tông có chứa hàm lượng lớn tro bay độ sụt bê tông tươi hay cường độ, độ bền, bề mặt hoàn thiện bê tông cứng Ta hoàn toàn sản xuất loại bê tông chất lượng tốt với 25% tro bay xi măng Portland Theo số liệu thống kê, nước có 19 nhà máy nhiệt điện vận hành với tổng công suất phát điện 14.480 MW thải khoảng 15 triệu tro, xỉ hàng năm Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, lại xỉ Dự kiến sau năm 2020, số 43 nhà máy với tổng công suất 39.020 MW, lượng tro xỉ thải dự kiến 30 triệu tấn/năm Ô nhiễm môi trường tro bay vấn đề nhức nhối tỉnh Bình Thuận thời gian vừa qua.Vĩnh Tân chạy hết công suất thải khoảng 0,9 triệu tro xỉ/năm Nếu tính Trung tâm Điện lực Vĩnh Tân gồm nhà máy với công suất 5.600MW thải khoảng triệu tro xỉ/năm CHẤT LƯỢNG TRO XỈ Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VĨNH TÂN 2.1 Hydrat hóa xi măng tro bay Tro bay làm cho bê tông thấm đặc so với xi măng Portland thông thường Cường độ dài hạn (90 ngày trở lên) bê tông tro bay tốt so với bê tông thường Vật liệu pozzolanic tro bay phản ứng với canxi hydroxit tạo xi măng Portland tạo hợp chất kết dính thủy hóa thường biết đến gel C-S-H, làm tăng tính chất bê tông Phản ứng viết dạng: Hình – Vận chuyển tro xỉ bãi chứa Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân C3 S + H → C3 S H + 3Ca (OH ) 2C2 S + H → C3 S H + Ca (OH ) Ca (OH ) + ( SiO2 + Al2O3 ) → C3 S H 2.2 Thực nghiệm thành phần tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân Bảng – Kết phân tích XRF 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% Cl 0.02% 0.003% 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 PPM As2O3 39 PPM PPM Nb2O5 30 PM PPM 2.3 Chỉ tiêu kĩ thuật tro bay dùng cho bê tông Bảng – Chỉ tiêu kĩ thuật tro bay dùng cho bê tông [4] Chỉ tiêu Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi SO3, % khối lượng, không lớn Hàm lượng canxi ôxit tự CaOtd, % khối lượng, không lớn Hàm lượng nung MKN, % khối lượng, không lớn Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, không lớn Độ ẩm, % khối lượng, không lớn Lượng sót sàng 45µm, % khối lượng, không lớn Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn Hàm lượng ion Cl-, % khối lượng, không lớn Loại Lĩnh vực sử dụng - Mức tro a b c d bay F 70 C 45 F 3 C 5 F - - - - C 4 F 12 15 8* 5* C F 1,5 C F C F C F C F C 25 34 40 18 105 105 100 105 0,1 - - 0,1 10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) tro bay dùng: - Đối với công trình nhà công cộng, không lớn 370 - Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị khu dân cư, không lớn 740 * Khi đốt than Antraxit, sử dụng tro bay với hàm lượng nung tương ứng: - lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận theo kết thử nghiệm chấp nhận Qua phân tích chất lượng mẫu tro xỉ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân có tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ 70% không chứa thành phần ôxit độc hại nên sử dụng để sản xuất bê tông cho đường bê tông xi măng 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 bê tông cường độ chịu uốn Bài toán thiết kế với cường độ chịu uốn 4.5MPa Bảng – Yêu cầu kỹ thuật nguyên vật liệu theo [1] Cường độ chịu uốn bê tông 28 ngày Xi măng Lượng xi măng tối thiểu nên dùng Lượng xi măng tối đa nên dùng Tro bay Đá dăm Cát Độ sụt Phụ gia siêu dẻo Tỉ lệ nước/xi măng tối đa 4.5 MPa Xi măng Portland có cường độ chịu nén 43Mpa, cường độ chịu nén ngày tuổi 40.5MPa Tỉ trọng: 3.15 350 kg/m3 425 kg/m3 Thay 25% xi măng theo khối lượng Kích thước phù hợp với bảng Kích thước phù hợp với bảng 30mm Nếu thêm 10g/1kg bê tông giảm 15% lượng nước 0.5 Trong đó: R’ cường độ chịu uốn thiết kế 28 ngày (MPa) R cường độ chịu uốn mong muốn Z hệ số phụ thuộc vào mức độ quan trọng công trình đường Z = 2.33 đường cao tốc, Z = 1.96 đường quốc lộ, Z = 1.65 đường nội thành đường nông thôn σ lấy theo bảng Bảng – Bảng tra giá trị σ [1] Cường độ chịu uốn 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Đường cao tốc 0.38 0.35 0.32 0.29 0.26 Đường quốc lộ 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 Đường nội thành đường nông thôn 0.60 0.55 0.50 0.45 0.4 • Bài báo hướng đến thiết kế cấp phối cho đường nội thành 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 cho biểu đồ hình với đường A, B, C, D, E tương ứng với xi măng có cường độ chịu nén ngày 21-25 (MPa), 25-29 (MPa), 29-35 (MPa), 35-41 (MPa), 41-48 (MPa) Với loại xi măng mục III.1 cường độ chịu uốn thiết kế 5.3MPa, tra biểu đồ ta có tỉ lệ nước/xi măng 0.42 Bảng – Yêu cầu kích thước cốt liệu theo [1] Kích thước lỗ rây Cát 40mm 20mm 12.5mm 10mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm 600 micro 300 micro 150 micro 100 98 86 71 40 21 Phần trăm lọt qua Đá dăm 10mm 20mm 100 100 100 89 3.2 Thiết kế cấp phối hỗn hợp Theo [1], Do nhiều yếu tố thực tế khó kiểm soát nên để đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt cường độ chịu uốn 4.5MPa, cường độ chịu uốn thiết kế tính sau: R’ = R + Z x σ Hình – Biểu đồ thể mối quan hệ tỉ lệ nước/xi măng cường độ chịu uốn 28 Lượng nước yêu cầu Bảng – bảng tra lượng nước yêu cầu theo [1] Kích thước cốt liệu tối đa (mm) 10 20 Loại cốt liệu Cát Đá dăm Cát Đá dăm Lượng nước ứng với độ sụt 15-45mm (kg/m3) 185 215 165 195 • Đối với cốt liệu gồm cát đá dăm, theo [1] ta tính sau: W = × 165 + × 195 = 175(kg/ m ) 3 • Sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lượng 10g/1kg xi măng, lượng nước yêu cầu giảm 15% nên: W = 175 × 0.85 = 149(kg/ m ) Khối lượng xi măng cần dùng Lượng xi măng cần dùng 149/0.42 = 355 (kg) Khối lượng cốt liệu: Khối lượng riêng hỗn hợp bê tông tươi tro bay tính sau: U M = 10 × Ga (100 − A) + Cm (1 − Ga / Gc ) − Wm (Ga − 1) Trong đó: UM, khối lượng riêng bê tông tươi kg/m3 Ga, tỉ trọng trung bình cốt liệu Gc,tỉ trọng xi măng A, hàm lượng bọt khí, lấy 1.5% cốt liệu có kích thước tối đa 20mm 2.5% cốt liệu có kích thước tối đa 10mm Wm, lượng nước yêu cầu Cm, lượng xi măng sử dụng Khối lượng riêng hỗn hợp thiết kế: 2.65 10 × 2.65(100 − 1.5) + 355(1 − ) − 149(2.65 − 1) = 2420(kg / m ) 3.15 Hàm lượng cát tổng số cốt liệu lấy dựa vào bảng Ứng với tỉ lệ nước/xi măng 0.42 kích thước tối đa cốt liệu 20mm ta hàm lượng cát chiếm khoảng 35% tổng khối lượng cốt liệu Bảng – Tỉ lệ cát tổng khối lượng cốt liệu ứng với độ sụt 15-45mm Đơn vị (%)[3] Tỉ lệ nước/xi măng Kích thước tối đa 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 2/3 Từ có khối lượng đá dăm 10mm 498kg/m3, 20mm 748kg/m3 Khi thay xi măng 25% tro bay, cấp phối bê tông tính toán lại sau: Theo thực nghiệm tổng lượng xi măng – tro bay nên tăng lên 10.7% để đạt cường độ yêu cầu Tổng lượng vật liệu xi măng 355 x 1.107 = 393 kg/m3 Đồng thời lượng nước yêu cầu giảm 5% Bảng – Bảng tính toán thành phần cấp phối bê tông chứa 25% tro bay thay xi măng Vật liệu Khối lượng Khối lượng Thể tích (m3) (kg) riêng (kg/m ) Xi măng 393 x 0.75 3150 0.0937 =295 Tro bay 393 x 0.25 = 2200 0.0445 98 Nước 149x0.95=142 1000 0.142 Phụ gia 6.2 1150 0.0054 siêu dẻo Bọt khí 0.015 1.5% Tổng 0.3006 Tổng cốt - 0.3006 liệu =0.6994 Đá dăm 1246 2650 0.4702 Cát 0.2292 x 2650 2650 0.6994 - 0.4702 = 607 = 0.2292 Bảng – So sánh thành phần cấp phối bê tông có cường độ chịu uốn 4.5MPa dùng tro bay không dùng tro bay Vật liệu Bê tông không Bê tông chứa chứa tro bay tro bay Nước (kg/m3) 149 142 Xi măng (kg/m3) 355 295 Tro bay (kg/m3) 98 Cát (kg/m3) 670 607 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 KẾT LUẬN CHUNG Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro bay phụ gia siêu dẻo giúp tiết kiệm 60kg xi măng tiêu thụ hết 98kg tro bay 1m3 bê tông.Vì tận dụng tro bay để làm đường bê tông xi măng giải pháp vừa giúp tiết kiệm lượng lớn xi măng vừa giải vấn đề ô nhiễm môi trường chất thải tro bay 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 xi măng