Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam

Trong khi đó, hàng năm ở nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện và gangthép đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và dự kiến đến năm 2020 là 7,6 triệu tấn [7].Với lượng tro bay rất lớn, nếu

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Trần Trung Hiếu

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã ngành: 62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS PHẠM DUY HỮU PGS.TS LÃ VĂN CHĂM

HÀ NỘI – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trongbất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả luận án xin chân thành cảm

ơn tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Lã Văn Chăm - những người Thầy đã tậntình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giảtrong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyêngia, các nhà khoa học trong ngành GTVT và Xây dựng đã chỉ dẫn và đóng góp ýkiến quý báu để luận án được hoàn thiện

Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệttình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vậtliệu Xây dựng, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải vàGS.TS Bùi Xuân Cậy, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang và PGS.TS Nguyễn QuangPhúc Tác giả xin chân thành cảm ơn

Tác giả chân thành cảm ơn đến cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ caotốc - Trường Đại học công nghệ GTVT; các phòng thí nghiệm LAS-XD72, LAS-XD160; Công ty Vật tư thiết bị giao thông TRANSMECO; Công ty phụ gia bê tôngPhả Lại – PHALAMI và các bạn đồng nghiệp, các TS-NCS nước ngoài đã tận tìnhgiúp đỡ, cung cấp tài liệu, số liệu, vật tư vật liệu và tạo điều kiện cho quá trình thínghiệm, thử nghiệm

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vậntải, tác giả đã nhận được sự tạo điều kiện thuận lợi tối đa của lãnh đạo Trường,phòng Đào tạo Sau đại học và Khoa Công trình Tác giả xin trân trọng cảm ơn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệGiao thông vận tải và lãnh đạo, cán bộ phòng KHCN-HTQT đã quan tâm tạo điềukiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong giađình đã động viên và chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tác giả luận án

Trần Trung Hiếu

MỤC LỤC

M

Ở ĐẦ U 1

1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu 1

2.M ụ c tiêu nghiên c ứ u 2

3.Ph ạ m vi nghiên c ứ u c ủ a lu ậ n án 2

4.Ph ươ ng pháp nghiên c ứ u 2

5.B ố c ụ c c ủ a lu ậ n án 3

6.Nh ữ ng đ óng góp m ớ i c ủ a lu ậ n án 3

7.Ý ngh ĩ a khoa h ọ c và th ự c ti ễ n 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY 5

1.1.Khái quát v ề m ặ t đườ ng bê tông xi m ă ng 5

1.1.1 Quy định về tính năng của BTXM 5

1.1.2 Quy định về vật liệu chế tạo BTXM 6

1.2.Khái quát v ề bê tông xi m ă ng tro bay 7

1.2.1 Khái ni ệ m bê tông xi m ă ng tro bay 7

1.2.2 Tính ch ấ t tro bay nhi ệ t đ i ệ n 8

1.2.3 Công ngh ệ tuy ể n tro bay nhi ệ t đ i ệ n 9

1.2.4 S ả n l ượ ng tro bay ở Vi ệ t Nam 9

1.3.C ơ ch ế ph ả n ứ ng trong bê tông xi m ă ng tro bay 10

1.3.1 Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay 10

1.3.2 M ứ c độ ph ả n ứ ng puz ơ lan tro bay 12

1.3.3 M ứ c độ ph ả n ứ ng th ủ y hóa xi m ă ng 14

1.4.Ả nh h ưở ng c ủ a tro bay đế n các tính n ă ng c ủ a bê tông xi m ă ng 14

1.4.1 Lịch sử nghiên cứu tro bay trong BTXM 14

1.4.2 Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất hỗn hợp BTXM 15

1.4.3 Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng BTXM 17

1.4.4 Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền BTXM 18

1.5.H ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay và ph ươ ng pháp thi ế t k ế thành ph ầ n BTXM tro bay 19

1.5.1 Khái ni ệ m h ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay 19

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tro bay 19

1.5.3 Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay 21

1.6.Nghiên c ứ u ứ ng d ụ ng bê tông xi m ă ng tro bay trong xây d ự ng đườ ng ô tô 24

1.6.1 Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trên thế giới 24

1.6.2 Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay ở Việt Nam 27

1.7.K ế t lu ậ n ch ươ ng 1 và đị nh h ướ ng nghiên c ứ u lu ậ n án 31

Chương 2 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY 33

2.1.Ph ươ ng pháp xác đị nh h ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay 33

2.2.Thí nghi ệ m xác đị nh h ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay 35

2.2.1 V ậ t li ệ u và n ộ i dung thí nghi ệ m 36

2.2.2 K ế t qu ả thí nghi ệ m 39

2.2.3 Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD 40

2.2.4 Xác đị nh h ệ s ố k theo t ỷ l ệ tro bay / CKD và t ỷ l ệ n ướ c / CKD 43

2.2.5 Xác đị nh h ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay trong bê tông 44

2.3.Trình t ự thi ế t k ế thành ph ầ n bê tông theo h ệ s ố hi ệ u qu ả tro bay 45

2.3.1 Xác đị nh c ườ ng độ yêu c ầ u và độ s ụ t (B ướ c 1) 46

2.3.2 L ự a ch ọ n c ỡ h ạ t l ớ n nh ấ t danh đị nh c ủ a c ố t li ệ u (B ướ c 2) 47

2.3.3 Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3) 46

2.3.4 Xác đị nh l ượ ng n ướ c và hàm l ượ ng khí (B ướ c 4) 48

2.3.5 Xác đị nh t ỷ l ệ n ướ c / xi m ă ng (B ướ c 5) 48

2.3.6 Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6) 49

2.3.7 Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7) 49

2.3.8 Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8) 51

2.4 Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô 51

2.4.1 K ế t qu ả thí nghi ệ m v ậ t li ệ u 51

2.4.2 Tính thành phần vật liệu BTXM tro bay 54

2.4.3 Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén 58

2.4.4 Tính và phân tích kết quả thí nghiệm 59

2.4.5 Công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô 63

2.5.K ế t lu ậ n Ch ươ ng 2 66

Chương 3 THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 68

3.1.V ậ t li ệ u và k ế ho ạ ch thí nghi ệ m 68

3.2.Thí nghi ệ m tính công tác h ỗ n h ợ p BTXM tro bay 69

3.2.1 Độ sụt 69

3.2.2 Thời gian đông kết 71

3.3.Thí nghi ệ m đ o nhi ệ t độ th ủ y hóa t ỏ a ra trong bê tông 73

3.4.Thí nghi ệ m s ự phát tri ể n c ườ ng độ nén bê tông 76

3.4.1 C ườ ng độ nén ở 7 ngày 76

3.4.2 C ườ ng độ nén ở 14 ngày 78

3.4.3 C ườ ng độ nén ở 28 ngày 79

3.4.4 C ườ ng độ nén ở 56 ngày 79

3.4.5 Phân tích sự phát triển cường nén theo thời gian 80

3.5.Thí nghi ệ m c ườ ng độ kéo u ố n 82

3.6.Thí nghi ệ m mô đ un đ àn h ồ i 86

3.7.Thí nghi ệ m độ mài mòn 89

3.8.Thí nghi ệ m độ th ấ m n ướ c 90

3.9.T ổ ng h ợ p k ế t qu ả thí nghi ệ m 92

3.10.K ế t lu ậ n ch ươ ng 3 92

Chương 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 94

4.1.Phân tích kh ả n ă ng ứ ng d ụ ng BTXM tro bay làm m ặ t đườ ng ô tô 94

4.1.1 Kh ả n ă ng đ áp ứ ng v ề c ườ ng độ 94

4.1.2 Độ mài mòn m ặ t đườ ng BTXM tro bay 96

4.1.3 Khả năng chống thấm nước 96

4.1.4 Tính công tác 97

4.1.5 Phân tích hi ệ u qu ả kinh t ế - môi tr ườ ng 99

4.1.6 Đề xu ấ t ứ ng d ụ ng BTXM tro bay trong các c ấ p đườ ng 100

4.2 Đề xuất các dạng kết cấu áo đường bê tông xi măng tro bay 101

4.2.1 Các s ố li ệ u ph ụ c v ụ thi ế t k ế 101

4.2.3 Thi ế t k ế k ế t c ấ u m ặ t đườ ng có quy mô giao thông c ấ p n ặ ng 104

4.2.4 Thi ế t k ế k ế t c ấ u m ặ t đườ ng có quy mô giao thông c ấ p trung bình 105

4.2.5 Thi ế t k ế k ế t c ấ u m ặ t đườ ng có quy mô giao thông c ấ p nh ẹ 106

4.2.6 T ổ ng h ợ p các d ạ ng k ế t c ấ u m ặ t đườ ng BTXM tro bay 107

4.3 Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm 107

4.3.1 Đặ t v ấ n đề 107

4.3.2 C ườ ng độ c ủ a BTXM trong giai đ o ạ n tu ổ i s ớ m 109

4.3.3 Ứ ng su ấ t trong m ặ t đườ ng BTXM ở giai đ o ạ n tu ổ i s ớ m 111

4.3.4 Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm 114 4.4 Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm 108

4.4.1 Các s ố li ệ u ph ụ c v ụ tính toán 116

4.4.2 Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM 117

4.4.3 Phân tích ả nh h ưở ng tro bay đế n s ự phát tri ể n c ườ ng độ 120

4.4.4 Phân tích ả nh h ưở ng tro bay đế n s ự phát tri ể n ứ ng su ấ t kéo 122

4.4.5 Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm 123

4.5 ổ ngT h ợ p k ế t qu ả ki ể m toán ứ ng su ấ t trong các d ạ ng k ế t c ấ u m ặ t đườ ng BTXM

tro bay ở giai đ o ạ n tu ổ i s ớ m 125

4.6.K ế t lu ậ n ch ươ ng 4 126

K Ế T LU Ậ N, KI Ế N NGH Ị VÀ H ƯỚ NG NGHIÊN C Ứ U TI Ế P THEO 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ i

TÀI LIỆU THAM KHẢO I CHƯƠNG 1 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô 6

Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM 8

Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM 9

Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020 10

Bảng 1.5 So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường 27

Bảng 1.6 – Thành phần bê tông sử dụng vật liệu khoáng tro bay 29

CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm 36

Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại 37

Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén 39

Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD 43

Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay 43

Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay 43

Bảng 2.7 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong BTXM tro bay 45

Bảng 2.8 – Cường độ yêu cầu của BTXM làm mặt đường ô tô 46

Bảng 2.9 – Yêu cầu độ sụt hỗn hợp bê tông làm mặt đường ô tô 47

Bảng 2.10 – Bảng tra thể tích cốt liệu thô 47

Bảng 2.11 – Bảng tra lượng nước 48

Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng 48

Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay 50

Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát 52

Bảng 2.15 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát 53

Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô 53

Bảng 2.17 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô 54

Bảng 2.18 – Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông 56

Bảng 2.19 – Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông 56

Bảng 2.20 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC) 57

Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN) 57

Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông 58

Bảng 2.23 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-NC) 59

Bảng 2.24 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-EN) 59

Bảng 2.25 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC 60

Bảng 2.26 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN 61

Bảng 2.27 – So sánh cường độ đặc trưng và cường độ nén thiết kế 62

Bảng 2.28 – Bảng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô 63

Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô 63

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm 68

Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông 69

Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến độ sụt 70

Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết 71

Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến thời gian đông kết 72

Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông 75

Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông 76

Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày 77

Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày 78

Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày 79

Bảng 3.11 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày 80

Bảng 3.12 – Sự phát triển cường độ nén đặc trưng 81

Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông 83

Bảng 3.14 – Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén 86

Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông 87

Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn 89

Bảng 3.17 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước bê tông 91

Bảng 3.18 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm BTXM tro bay 92

CHƯƠNG 4 Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ 95

Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay 96

Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước 97

Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô 97

Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính 98

Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km đường 99

Bảng 4.7 – Bảng lượng khí CO2 thải ra do sản xuất xi măng 99

Bảng 4.8 – Bảng giá thành vật liệu BTXM tro bay (triệu đồng) 100

Bảng 4.9 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường 101

Bảng 4.10 – Quy mô giao thông 102

Bảng 4.11 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay 105

Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay 105

Bảng 4.13 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay 106

Bảng 4.14 – Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dày tấm BTXM tro bay (cm) 107

Bảng 4.15 – Kết quả thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông 109

Bảng 4.16 – Bảng tham số quá trình thủy hóa 110

Bảng 4.17 – Số liệu đầu vào tính cường độ, ứng suất bê tông 117

Bảng 4.18 – Bảng kết quả tính cường độ, ứng suất trong tấm bê tông (MPa) 118

Bảng 4.19 – Cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm 121

Bảng 4.20 – Ứng suất kéo lớn nhất trong bê tông ở giai đoạn tuổi sớm 122

Bảng 4.21 – Kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ) 124

Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm 125

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ CHƯƠNG 1 Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay 12

Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay 12

Hình 1.3 – Hàm lượng Ca(OH)2 trong bê tông 13

Hình 1.4 – Mức độ phản ứng puzơlan của tro bay trong bê tông 13

Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro bay đến lượng nước yêu cầu 15

Hình 1.6 – Ảnh hưởng của lượng tổn thất khi nung đến lượng nước yêu cầu 15

Hình 1.7 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết bê tông 16

Hình 1.8 – Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ thủy hóa trong bê tông 16

Hình 1.9 – Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ nén bê tông 17

Hình 1.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo 18

CHƯƠNG 2 Hình 2.1 – Khảo sát vật liệu tại nhà máy tro bay Phả Lại - PHALAMI 38

Hình 2.2 – Quá trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu 38

Hình 2.3 – quan hệ giữa hệ số RS với tỷ lệ f và tỷ lệ  39

Hình 2.4 – Quan hệ giữa hiệu quả tro bay với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD trong bê tông 44

Hình 2.5 Biểu đồ thành phần hạt của cát 52

Hình 2.6 Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu thô 54

Hình 2.7 Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC 60

Hình 2.8 Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN 61

Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số f’c / Rtkn và tỷ lệ tro bay / CKD 62

Hình 2.10 Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC và bê tông PC 65

Hình 2.11 Biểu đồ tỷ lệ thành phần vật liệu trong BTXM tro bay 66

CHƯƠNG 3 Hình 3.1 Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông 70

Hình 3.2 Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết 73

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt trong mẫu bê tông 73

Hình 3.4 Ảnh thí nghiệm đo nhiệt trong khối bê tông 74

Hình 3.5 Nhiệt trong khối bê tông PC tại các đầu đo 74

Hình 3.6 Nhiệt trong khối bê tông FC30 tại các đầu đo 75

Hình 3.7 Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông 75

Hình 3.8 Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày 77

Hình 3.9 Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày 78

Hình 3.10 Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày 79

Hình 3.11 Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày 80

Hình 3.12 Sự phát triển cường độ nén BTXM tro bay theo thời gian 81

Hình 3.13 Tốc độ phát triển cường độ nén so với cường độ ở 28 ngày 82

Hình 3.14 Mô hình thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn 83

Hình 3.15 Hình ảnh thí nghiệm cường độ kéo uốn 83

Hình 3.16 Kết quả phân tích tính tương đồng giữa các loại BTXM tro bay 84

Hình 3.17 Biểu đồ phân tích cường độ kéo uốn đặc trưng BTXM tro bay 85

Hình 3.18 Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi BTXM tro bay 87

Hình 3.19 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay 90

Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay 91

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường 100

Hình 4.2 Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay 102

Hình 4.3 Sơ đồ khối tính toán, thiết kế mặt đường BTXM 104

Hình 4.4 Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM tro bay 107

Hình 4.5 Giai đoạn tuổi sớm của bê tông 108

Hình 4.6 Sự phát triển nhiệt độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm 108

Hình 4.7 Biến dạng uốn của tấm bê tông 111

Hình 4.8 Biến dạng do co ngót dẻo 113

Hình 4.9 Sơ đồ tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường sớm 115

Hình 4.10 Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo BTXM tro bay 119

Hình 4.11 Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo bê tông PC 119

Hình 4.12 Ảnh hưởng tro bay đến cường độ chịu kéo bê tông 121

Hình 4.13 Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo 122

Hình 4.14 Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo bê tông 123

Hình 4.15 Biểu đồ ứng suất và cường độ chịu kéo tại điểm cực đại 41 giờ 125

CÁC TỪ VIẾT TẮT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu

(Hiệp hội những người làm đường bộ và vận tải Mỹ)

(Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ)

F/CKD : Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f)

(Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ)

Ký hiệu

không tro bay)

QĐ3230 : Quy định kỹ thuật tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng

thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông

măng trong xây dựng công trình giao thông

Trong khi đó, hàng năm ở nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện và gangthép đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và dự kiến đến năm 2020 là 7,6 triệu tấn [7].Với lượng tro bay rất lớn, nếu không được tái sử dụng có hiệu quả thì sẽ lãng phínguồn tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống.

Theo các tài liệu [10],[57],[63],[81], sử dụng tro bay để thay thế một phần ximăng trong BTXM truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông lên từ 1,15 đến

2 lần; tro bay có thể dùng tới 70 % khối lượng chất kết dính do đó góp phần quantrọng trong việc giảm khối lượng xi măng, vì vậy giảm đáng kể lượng khí thải CO2

Bê tông xi măng tro bay có lượng nhiệt thủy hóa thấp, nhờ đó làm giảm khả năngxảy ra nứt trên mặt đường do tác dụng của nhiệt độ và co ngót ở giai đoạn tuổi sớm

so với BTXM poóc lăng truyền thống

Trong BTXM, tro bay có ảnh hưởng nhất định đến cường độ và được biểu

hiện bằng hệ số hiệu quả tro bay (hệ số k) Tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [62] đã đưa

ra các quy định về hệ số k Trong khi đó ở Việt Nam, hệ số k mới chỉ được đề cập

tới trong tài liệu [9] mà chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phùhợp với nguồn vật liệu nước ta, vì vậy cũng chưa có phương pháp thiết kế thành

phần BTXM tro bay theo hệ số k.

Các công trình nghiên cứu về tro bay trong bê tông ở Việt Nam chủ yếu cho

bê tông đầm lăn; làm mặt đường giao thông nông thôn và đường cấp thấp hoặc làmlớp móng đường cấp cao, chưa có công trình nghiên cứu và thực nghiệm có hệ

thống và đầy đủ về các tính chất và tính năng cơ học của BTXM tro bay để làm mặtđường quốc lộ và mặt đường cấp cao.

Với các phân tích nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tínhtoán, thiết kế thành phần BTXM; nghiên cứu tính chất cơ học, độ bền, tính công táccủa BTXM tro bay để làm mặt đường ô tô trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bêtông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam” là cần thiết, có ý nghĩa về lýthuyết, thực tiễn, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường trong điều kiệnnước ta có hàng triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm từ các nhà máy nhiệt điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích tổng quan ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất của bê tông và

cơ chế phản ứng trong hỗn hợp BTXM tro bay

- Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (hệ số k) để làm cơ sở thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM theo hệ số k.

- Xác định một số tính chất của hỗn hợp, tính năng cơ học và độ bền củaBTXM tro bay đáp ứng các yêu cầu làm mặt đường ô tô

- Thiết kế các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay và xác định ảnh hưởngcủa tro bay đến cường độ, ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Sử dụng vật liệu tro bay nhiệt điện Phả Lại sau tuyển đáp ứng các yêu cầu

kỹ thuật theo tiêu chuẩn ASTM C618 (loại F) và xi măng poóc lăng PC40 có cường

độ cao và độ ổn định, phù hợp với yêu cầu làm mặt đường quốc lộ và cấp cao

- Thí nghiệm các tính năng cơ học chính của BTXM tro bay theo yêu cầu vềthiết kế và thi công để làm lớp trên của mặt đường ô tô

- Trong thiết kết cấu áo đường BTXM tro bay có sử dụng các số liệu về tảitrọng, khí hậu, lớp móng và đất nền đường theo quyết định QĐ3230 [12]

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm trong phòng Kết quả nghiêncứu được so sánh với các công trình đã nghiên cứu và công bố trên thế giới nên có

độ tin cậy nhất định.

5 Bố cục của luận án

Luận án có bố cục gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận, kiến nghị như sau:

Chương 1: Tổng quan về BTXM tro bay Nội dung trình bày khái quát vềBTXM tro bay, cơ chế phản ứng thủy hóa và phản ứng puzơlan; phân tích ảnhhưởng của tro bay đến các tính năng bê tông từ đó rút ra các nhận xét và kết luậnlàm định hướng cho các phần nghiên cứu tiếp theo

Chương 2: Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông và thiết kế thành

phần BTXM tro bay Nội dung trình bày phương pháp xác định hệ số k và kết quả

thí nghiệm Từ đó xây dựng phương pháp lựa chọn thành phần vật liệu bê tông theo

hệ số k.

Chương 3: Thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay làm mặt đường ô

tô Nội dung trình bày các kết quả thí nghiệm một số tính chất của hỗn hợp, tínhnăng cơ học và độ bền của BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô

tô Nội dung phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay và thiết kế các dạng kếtcấu áo đường Tính cường độ chịu kéo giới hạn của bê tông và thiết lập nội dungkiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường bê tông tuổi sớm Phân tích ảnh hưởng củatro bay đến cường độ, ứng suất và khả năng kháng nứt trên mặt đường BTXM giaiđoạn tuổi sớm

Kết luận và kiến nghị

6 Những đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng mô hình để xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k) trên cơ

sở công thức cường độ nén của Bolomey cải tiến:

k (1 0,5)

(R

1) 1

trong đó: f, – tương ứng là tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước / chất kết

dính; R s – hệ số cường độ được xác định bằng thực nghiệm

Đã thí nghiệm xác định hệ số k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta như sau:

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40;

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27.

- Đã thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm 8 bước Trong

đó hệ số k được dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng (X FC) và

tro bay (F) nhằm đạt được cường độ nén và cường độ kéo uốn thiết kế ở tuổi 28

ngày như sau:

- Đã thí nghiệm để đưa ra được các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường

độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ thấm nước, tính công tác củaBTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặtđường ô tô sử dụng BTXM tro bay và kiến nghị phạm vi áp dụng

- Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất nhiệt trong mặt đường BTXM ở giaiđoạn tuổi sớm và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến việc cải thiện khả năngkháng nứt mặt đường trong giai đoạn này

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

về hệ số hiệu quả tro bay (k) và phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo hệ số

k có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu phát

triển BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam

Công thức thành phần vật liệu và các dạng kết cấu áo đường bằng BTXM trobay có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế trongtương lai khi có nhiều công trình đường quốc lộ và cấp cao được xây dựng bằng vậtliệu BTXM

Nội dung tính và kiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường BTXM giai đoạntuổi sớm có ý nghĩa quan trọng, qua đó có thể đưa ra các giải pháp (sử dụng tro bay)

để giảm thiểu vết nứt trên mặt đường khi cường độ bê tông còn thấp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

Trong phạm vi tổng quan trình bày các quy định chung đối với BTXM làmmặt đường ô tô; khái quát về BTXM tro bay và các quá trình phản ứng thủy hóa,phản ứng puzơlan; ảnh hưởng của tro bay đến các đặc tính của bê tông và các côngtrình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong xây dựng đường ô tô trên thế giới

và Việt Nam

1.1 Khái quát về mặt đường bê tông xi măng

Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, cấp cao thường được dùng làmmặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suấtbánh xe lên mặt đường từ 5 ÷ 7 kPa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao [1],[3],[4].Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và côngnghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đườngBTXM khác nhau Theo các tài liệu [1],[3],[11],[31] thì mặt đường BTXM gồm cácloại kết cấu chính: mặt đường BTXM thông thường; mặt đường BTXM cốt thép cókhe nối; mặt đường BTXM lưới thép và mặt đường BTXM lưới thép liên tục

Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN chính thức nên việc thiết kế mặt đườngBTXM được thực hiện theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [12]; thi công vànghiệm thu theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT [13] do Bộ GTVT ban hành

1.1.1 Quy định về tính năng của bê tông xi măng

Theo các quy định kỹ thuật [12],[13] thì BTXM làm mặt đường ô tô phải đápứng được các yêu cầu chính như sau:

a Cường độ kéo kéo uốn (cường độ kéo uốn)

Cường độ kéo uốn thiết kế ( R tk ) đối với đường cấp II trở lên phải lớn hơn5,0 MPa và với đường cấp III trở xuống phải lớn hơn 4,5 MPa

b Cường độ nén

Trong các quy định [12],[13] không đưa ra yêu cầu trực tiếp về cường độ nén

k

R tk n

thiết kế ( R tk ) Trong khi đó đây là chỉ tiêu quan trọng cần được xác định để tínhtoán, thiết kế thành phần vật liệu bê tông; theo các tài liệu [8],[9] giữa cường độ nén

và kéo uốn có mối quan hệ như sau:

k r – hệ số có giá trị trong khoảng 0,70 0,75 Bê tông có cường độ nén

càng cao thì k r càng nhỏ do tốc độ phát triển cường độ kéo uốn chậm hơn cường độ

nén Với hệ số k r tối thiểu là 0,7 thì khi đó cường độ nén thiết kế của bê tông đượcxác định như trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô

Bên cạnh đó, theo quy định [12],[13] thì cường độ trung bình yêu cầu chế tạotrong phòng thí nghiệm cần lớn hơn cường độ thiết kế tối thiểu từ 1,15 1,2 lần

thiểu phải lớn hơn 290 kg/m3 [1],[13]

- Tỷ lệ nước / xi măng (N/X) lớn nhất trong phạm vi 0,44 ÷ 0,48; mặt đường cấp

càng cao thì chọn trị số N/X lớn nhất càng nhỏ [1],[13].

n

R

b) Cốt liệu nhỏ (Cát)

Cát có thể là cát sông hoặc cát xay có thành phần hạt hợp lý thì độ rỗng nhỏ,cường độ bê tông sẽ cao, mô đun độ lớn trong phạm vi 2,2 ÷ 3,5 [13]

c Cốt liệu thô (Đá dăm)

Cốt liệu thô có thể là đá dăm, sỏi cuội nghiền tạo ra bộ khung chịu lực cho bêtông và có thành phần hạt theo quy định Cỡ hạt danh định lớn nhất không lớn hơn

25 mm với sỏi cuội nghiền; không lớn hơn 37,5 mm đối với đá dăm

d) Yêu cầu về nước

Nước không lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu cơ, độ pH ≥ 4; hàm lượng muối ≤0,005 mg / mm3 và hàm lượng ion SO4 ≤ 0,0027 mg / mm3

e) Yêu cầu về phụ gia

Trong bê tông có thể sử dụng các loại phụ gia giảm nước, phụ gia làm chậmđông kết và phụ gia khoáng hoạt tính cao

1.2 Khái quát về bê tông xi măng tro bay

1.2.1 Khái niệm bê tông xi măng tro bay

Theo ACI 232R [37], bê tông xi măng tro bay (FC) được hiểu là bê tông ximăng poóc lăng (PC) trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định đểthay thế một phần chất kết dính xi măng poóc lăng

Theo Michael [86] trong lịch sử phát triển, tro bay được sử dụng trongBTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của côngtrình (Bảng 1.2) Ở mức độ thông thường, để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kếtcấu thì tỷ lệ tro bay từ 15 30 % khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn từ

30 50 % dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trongcác kết cấu bê tông khối lớn Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bêtông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 % dùng cho các kết cấu công trình yêucầu đòi hỏi về độ bền cao

Hiện nay với BTXM chất lượng cao (HPC), hàm lượng tro bay thường dùng

từ 10 ÷ 30 % lượng chất kết dính Trong BTXM lượng tro bay thêm vào bằng hoặc

cao hơn lượng xi măng bớt đi, vì tro bay có khối lượng riêng nhỏ hơn xi măng Cácnghiên cứu của Owen [80], của Jiang và cộng sự [74] cho ra rằng với BTXM chấtlượng cao tùy thuộc vào chất lượng tro bay và lượng xi măng được thay thế Mức

độ tổn thất độ sụt của BTXM tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điềukiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta [28] Theo Mehta [91], sử dụng tro bay trong

bê tông chất lượng cao còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt vàtăng độ bền chống thấm nước

Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM

1.2.2 Tính chất tro bay nhiệt điện

Tro bay nhiệt điện là sản phẩm muội sinh ra trong quá trình đốt than ở cácnhà máy nhiệt điện Tro bay trong khí thải được thu thập lại bởi thiết bị lọc bụi tĩnhđiện Khi lơ lửng trong khí thải, các hạt tro bay thường có dạng hình cầu kích thước

từ 0,5 µm đến 100 µm Thành phần chủ yếu là dioxide silic (SiO2) dưới dạng vôđịnh hình và tinh thể, oxit nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3) Tính chất hóa học củacác oxit trong tro bay chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của loại than đượcđốt cháy [2],[7],[43],[58],[76]

Tiêu chuẩn ASTM C618 [43] phân tro bay thành hai loại chính là tro bay loại

F và loại C, sự khác biệt chính của hai loại này là ở các hàm lượng oxit canxi, oxitsilic, oxit nhôm và oxit sắt có trong từng loại tro bay Tro bay loại F có hàm lượngSiO2, Al2O3 cao và hàm lượng CaO, MgO thấp Ngược lại tro bay loại C có hàmlượng SiO2, Al2O3 thấp và hàm lượng CaO, MgO cao Tiêu chuẩn TCVN10302:2014 [22] cũng đã đưa ra quy định về tro bay tùy theo lĩnh vực sử dụng nhưtrong Bảng 1.3

Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM

Tiêu chuẩn Mỹ(ASTM C618)[43]

Theo Bảng 1.3 cho thấy các chỉ tiêu về hàm lượng ôxit (SiO2 + Al2O3 +

Fe2O3), hàm lượng SO3, độ ẩm của hai tiêu chuẩn là gần tương đương nhau; trongkhi đó chỉ tiêu về hàm lượng mất khi nung trong TCVN 10302:2014 được nới rộnghơn so với ASTM C618

1.2.3 Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện

Khi nhiên liệu than đi qua khu vực nhiệt độ cao trong lò, các thành phần vậtliệu không ổn định và các bon bị đốt cháy trong khi những tạp chất khoáng khácđược cuốn đi theo ống khói dưới dạng tro Phần lớn tro cuốn ra ngoài theo đườngống khói được gọi là tro bay Sau đó tro bay được tách ra khỏi ống khói bằngphương pháp lọc tĩnh điện và màng lọc Ở các nhà máy nhiệt điện hiện đại, tro baysau khi được lọc tĩnh điện thì có thể dùng trực tiếp như là vật liệu cho BTXM màkhông cần phải có biện pháp xử lý [7]

Để tro bay trở thành vật liệu sản xuất bê tông thì cần phải qua quá trìnhtuyển, tổng công suất tuyển hiện nay khoảng 500.000 tấn/năm [7] Các công nghệtuyển bao gồm công nghệ tuyển nổi; công nghệ tách tĩnh điện; công nghệ phân lybằng ly tâm; công nghệ đốt các bon [26],[33]

1.2.4 Sản lượng tro bay ở Việt Nam

Nước ta có nguồn nguyên liệu than dồi dào với trữ lượng lớn, phần lớn cácnhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc do gần nguồn than Trong

quá trình đốt tạo ra lượng tro và xỉ rất lớn, chiếm khoảng 30 % ÷ 35 % lượng than

sử dụng; khoảng 20 ÷ 30 % tro xỉ hình thành rơi xuống đáy lò hơi thành xỉ đơn,phần còn lại khoảng 70 ÷ 80 % là tro bay [7] Theo số liệu báo cáo của Hội tuyểnkhoáng Việt Nam [7], thì mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn tro bay (Bảng 1.4 )

Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020

Với trữ lượng dồi dào nêu trên nếu không có các biện pháp xử lý hiệu quả thì

sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên

1.3 Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

1.3.1 Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

Trong hỗn hợp xi măng và tro bay bên cạnh bốn pha khoáng vật chính của ximăng gồm C3S, C2S, C3A và C4AF còn có thêm các thành phần oxit được bổ sung

từ các thành phần hóa học chính của tro bay gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và CaO Tỷ lệgiữa các thành phần hóa học trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại xi măng, tro bay và

tỷ lệ tro bay / chất kết dính

Quá trình phản ứng hóa học trong BTXM tro bay diễn ra phức tạp, bao gồmcác phản ứng thủy hóa và các phản ứng puzơlan Trong hỗn hợp, các thành phầnkhoáng của xi măng sẽ tham gia các phản ứng thủy hóa trước sau đó mới đến cácphản ứng puzơlan

1.3.1.1 Quá trình phản ứng thuỷ hoá

Các phản ứng thuỷ hoá xảy ra giữa các thành phần khoáng của xi măng vớinước [8],[23]:

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2 (1.3)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O (1.5)Kết quả của quá trình thủy hóa sẽ tạo thành các khoáng silicat bền nước(CHS) và canxi hyđroxit Ca(OH)2 kém bền được giải phóng ra Trong bê tông poóclăng thông thường, Ca(OH)2 có ảnh hưởng xấu tới tính chất của bê tông, làm cho bêtông bị xốp, tạo sự phát triển các cấu trúc vi nứt, làm yếu liên kết với cốt liệu và làmảnh hưởng đến độ bền của bê tông

Trong giai đoạn đầu tro bay hầu như không có hoạt tính, mà đóng vai trò nhưmột vật liệu trơ chèn lấp trong các lỗ rỗng hỗn hợp [52],[67],[78] Theo thời gian,quá trình thủy hóa vẫn tiếp tục làm cho môi trường có tính kiềm tăng dần lên (nồng

độ ion OH- tăng), nhờ đó đã kích hoạt các tính chất thủy lực tiềm ẩn trong tro bay

để tạo ra các phản ứng puzơlan

1.3.1.2 Quá trình phản ứng puzơlan

Các phản ứng puzơlan được xảy ra giữa các thành phần hoạt tính trong trobay (SiO2, Al2O3) với Ca(OH)2 và nước [67]:

2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O (C3S2H3) (1.6)

Al2O3 + CaSO4.2H2O + 3Ca(OH)2 + 7H2O = 4CaO.Al2O3.SO3.12H2O

Al2O3 + 4Ca(OH)2 + 9H2O = 4CaO.Al2O3.13H2O (C4AH13) (1.8)Quá trình phản ứng trong hỗn hợp bê tông xi măng thông thường được mô tảtóm tắt theo sơ đồ Hình 1.1 và trong hỗn hợp bê tông xi măng - tro bay theo sơ đồHình 1.2

Kết quả của quá trình phản ứng puzơlan đã chuyển hóa thành phần Ca(OH)2

thành các sản phẩm CSH (C3S2H3, C4ASH12,C4AH13) bền vững, có tác dụng tăngkhả năng chống thấm, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ và tăng thêm cường độ cho bêtông Điều này cho thấy rằng nhiều loại BTXM khi sử dụng tro bay hợp lý có thểcải thiện các đặc tính cơ lý tốt hơn so với bê tông xi măng thông thường Do quá

trình phản ứng puzơlan, các hạt tro bay mất dạng hình cầu ban đầu và dần dần đượcbao phủ bởi một lớp sản phẩm mới và sau sáu tháng thì không còn xác định đượchình dạng ban đầu [67].

Quá trình phản ứng thủy hóa xi măng đã bao gồm các chuỗi phản ứng phứctạp, khi có thêm tro bay thì các quá trình phản ứng lại càng diễn ra phức tạp hơn.Hoạt động của các hạt tro bay làm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng nhưngkhông phải tất cả các hạt tro bay đều tham gia phản ứng, mà chỉ một phần hoạt tínhnhất định

Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay

Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay

1.3.2 Mức độ phản ứng puzơlan tro bay

Theo nghiên cứu của L.Lam [78], các phản ứng puzơlan bắt đầu xảy ra ởngày thứ 3 đến ngày thứ 7 và tiếp tục được diễn ra sau đó; L.Lam cũng cho rằngtrong giai đoạn đầu, tro bay chủ yếu có tác dụng vật lý lấp đầy lỗ rỗng và tham giavào sự hình thành sản phẩm phức hợp Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O

Theo Zhang [103] với BTXM nhiều tro bay, chỉ một phần tro bay tham giaphản ứng, còn lại phần lớn không phản ứng, ngay cả sau thời gian dài hỗn hợp đượcbảo dưỡng Hỗn hợp BTXM nhiều tro bay được coi như là một vật liệu compositevới hạt tro bay có tác dụng như là hạt siêu nhỏ lấp đầy lỗ rỗng trong hỗn hợp

Trong hỗn hợp BTXM poóc lăng thông thường, để phản ứng thủy hóa diễn

ra đầy đủ, với lượng C3S và C2S điển hình thì cần khoảng 20 ÷ 25 % lượng nước vàtạo ra 20 ÷ 25 % lượng Ca(OH)2 [52] Trong nghiên cứu của L.Lam [78], với hỗnhợp BTXM tro bay, lượng Ca(OH)2 giảm đi theo việc tăng lượng tro bay và tuổi bêtông; điều này chứng tỏ quá trình phản ứng puzơlan đã hấp thụ Ca(OH)2 như trongbiểu đồ Hình 1.3

Hình 1.3 – Hàm lượng Ca(OH)2 trong bê tông

Tuổi bê tông

Theo Zhang [103], đến ngày thứ 7 chỉ có khoảng 5 % tro bay tham gia phảnứng puzơlan với Ca(OH)2, đến ngày thứ 28 mức độ phản ứng tro bay tăng lên đáng

kể (gấp khoảng 2 lần so với ở 7 ngày) và tiếp tục tăng sau 90 ngày (gấp 3 ÷ 4 lần)

và có thể đạt được khoảng 30 % như trong biểu đồ Hình 1.4

1.3.3 Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng

Đối với BTXM tro bay thì không thể xác định trực tiếp mức độ thủy hóa ximăng vì quá trình phản ứng puzơlan hấp thụ một phần Ca(OH)2 và H2O Vì vậyBabu [50] đã xây dựng công thức xác định mức độ thủy hóa xi măng có xét đến ảnhhưởng của tro bay như sau:

k – hệ số hiệu quả tro bay (được trình bày ở mục 1.5.1).

1.4 Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bê tông xi măng

1.4.1 Lịch sử nghiên cứu tro bay trong bê tông xi măng

Năm 1932, lần đầu tiên các nghiên cứu về tro bay được thực hiện bởi Công

ty Cleveland và Công ty Detroit Edison Đến năm 1937, David và các cộng sự tạitrường Đại học California đã nghiên cứu sử dụng tro bay để chế tạo bê tông [35]

Theo Giaccio và Malhotra [68], BTXM tro bay lần đầu tiên được sử dụngcho các đập thủy điện Hoover và Horse ở Mỹ vào những năm 1940 đã đem lạinhững bước đột phá lớn làm giảm đáng kể khối lượng xi măng sử dụng

Năm 1968, M Kohubu [77], đã có bước đột phá lớn trong việc nghiên cứu

sử dụng tro bay trong bê tông do nhận thấy tro bay có tính chất của vật liệu puzơlan.Hình dạng cầu của các hạt làm giảm nội ma sát, do đó làm tăng độ đặc và linh độngcủa hỗn hợp bê tông

Năm 1987, Helmuth [70] đã có những nghiên cứu về tro bay dùng trong sảnxuất xi măng và bê tông công nghiệp; khuyến nghị dùng trong xây dựng đường ô tôthì sẽ đem lại các lợi ích to lớn về kinh tế và môi trường

Năm 1988, Adams [48] đã có những nghiên cứu ứng dụng tro bay trong bêtông mặt đường ô tô và đưa ra các khuyến nghị nên sử dụng bởi các đặc tính kỹthuật của loại bê tông này là hoàn toàn phù hợp

Giaccio và Malhotra [68] đã phát triển loại BTXM có hàm lượng tro bay cao.Malhotra và Mehta [81] đã phát triển loại bê tông có cường độ tuổi sớm ở mức vừa

đủ, có tính công tác tốt, nhiệt độ thủy hóa tỏa ra giảm, đạt cường độ cao ở tuổimuộn, co ngót thấp và độ bền tốt

1.4.2 Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của hỗn hợp bê tông

1.4.2.1 Tính công tác

Theo Michael [86], hạt tro nhỏ, tròn và mịn hơn hạt xi măng nên nếu cùnglượng nước như nhau thì BTXM tro bay có độ sụt lớn hơn BTXM thông thườngnhờ đó làm tăng tính công tác cho thi công Bên cạnh đó, khi kết cấu không yêu cầu

độ sụt cao thì có thể giảm lượng nước yêu cầu: cứ thêm 10 % tro bay thì sẽ giảm đi

ít nhất 3 % lượng nước Còn theo FHWA [63], khi tro bay được sử dụng trên 20 %chất kết dính, lượng nước có thể giảm đi 10 % do đó góp phần làm giảm co ngótkhô và rạn nứt mặt đường

Khi so sánh cùng một độ sụt nhất định giữa BTXM tro bay và BTXM thôngthường, theo Owen [80] độ mịn của hạt tro bay làm giảm lượng nước yêu cầu (Hình1.5); trong khi đó theo Sturrup [98], tro bay có lượng tổn thất càng bé thì lượngnước yêu cầu càng nhỏ (Hình 1.6)

Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro

bay đến lượng nước yêu cầu

đầu trong bê tông vì lượng nước yêu cầu giảm; đặc biệt quá trình tách nước kết thúcsau quá trình bảo dưỡng bê tông.

1.4.2.3 Hàm lượng cuốn khí

Theo Pistilli [93], BTXM tro bay loại C hàm lượng cuốn khí nhỏ hơn so vớiBTXM tro bay loại F

1.4.2.4 Thời gian đông kết của bê tông

Theo Hiệp hội bê tông quốc tế [57], với các loại bê tông có cùng cường độ

và tính công tác thì tro bay loại F làm chậm thời gian bắt đầu và kéo dài thời giankết thúc đông kết bê tông (Hình 1.7)

Hình 1.7 – Ảnh hưởng củahàm lượng tro bay đến thờigian đông kết bê tông

1.4.2.5 Nhiệt độ tỏa ra trong quá trình đóng rắn bê tông

Các nghiên cứu đầu tiên về nhiệt độ tỏa ra trong BTXM tro bay được thựchiện bởi Mustard năm 1959 [89] cho thấy: khi thay thế 30 % xi măng bằng tro bayloại F đã làm giảm nhiệt thủy hóa lớn nhất từ 47 0C xuống 32 0C (Hình 1.8)

Hình 1.8 – Ảnh hưởng củatro bay đến nhiệt độ thủyhóa trong bê tông

1.4.2.6 Thời gian kết thúc đóng rắn bê tông

Theo Mahotra và Mehat [81], sử dụng tro bay trong bê tông làm chậm thờigian kết thúc đông kết Ở nhiệt độ bình thường tốc độ phản ứng puzơlan chậm hơn

so với tốc độ phản ứng thủy hóa xi măng

1.4.3 Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng bê tông

1.4.3.1 Sự phát triển cường độ nén

Theo Michael [86] khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, thì cường độ tuổi sớm giảm;tuy nhiên cường độ ở tuổi muộn (sau 28 ngày) tăng, ở 56 ngày xấp xỉ bằng và tới 90ngày có thể cao hơn so với BTXM poóc lăng thông thường (Hình 1.9)

Hình 1.9 – Ảnh hưởng củatro bay đến sự phát triểncường độ nén bê tông

1.4.3.2 Tính năng cơ học khác của bê tông

Theo Mahotra và Mehta [81], khi tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng vừa và thấp thìảnh hưởng không đáng kể đến giá trị mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọctrục Trong khi đó với bê tông có hàm lượng tro bay cao thì ở tuổi muộn, mô đunđàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọc trục tiếp tục được cải thiện so với ở 28 ngàynhờ phản ứng pozolan tiếp tục diễn ra và các hạt tro bay không phản ứng thì đóngvai trò là hạt mịn lấp đầy các lỗ rỗng

1.4.3.3 Từ biến bê tông

Theo nghiên cứu của Lane và cộng sự [79]; của Yuan và cộng sự [102], ởtuổi sớm thì từ biến BTXM tro bay cao hơn so với BTXM thông thường bởi lúc nàycường độ thấp hơn Tuy nhiên sau 28 ngày, cường độ hai loại bê tông đạt được bằngnhau và sau đó cường độ BTXM tro bay tiếp tục phát triển thì từ biến sẽ nhỏ hơn

1.4.3.4 Co ngót khô

Theo Mahotra và Mehta [81], Atis [49] thì co ngót khô trong BTXM tro bay

là thấp hơn so với BTXM thông thường khi lượng nước yêu cầu nhỏ hơn

1.4.4 Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền bê tông

1.4.4.1 Độ mài mòn

Theo các nghiên cứu của Gebler [66], thì khả năng chịu mài mòn của bê tôngchủ yếu phụ thuộc vào tính chất của cốt liệu và cường độ bê tông Với BTXM trobay thì độ mài mòn còn phụ thuộc vào độ đặc của hỗn hợp

1.4.4.2 Độ chống thấm nước và ion clo

Theo nghiên cứu của Sujjavanich và cộng sự [94], Ozkan Sengul [95],Thomas [100], có chung kết luận rằng tro bay cải thiện khả năng chống thấm nước

và ion clo do thành phần hạt mịn làm cho cấu trúc bê tông trở nên đặc chắc hơn

Theo các dữ liệu trong ASTM C1202 [46], với bê tông có tỷ lệ nước / CKD

là 0,4 và được dưỡng ẩm liên tục cho thấy ở 28 ngày độ thấm ion clo của BTXM trobay bắt đầu thấp hơn BTXM không tro bay và sau 7 năm thì thấp hơn từ 4 đến 29lần (Hình 1.10)

Hình 1.10 – Ảnh hưởngcủa hàm lượng tro bayđến độ thấm ion clo

1.4.4.3 Phản ứng kiềm-silicat

Theo các nghiên cứu của Shehata [96], khi BTXM tro bay loại F có tỷ lệ từ

20 ÷ 30 % chất kết dính sẽ có tác động lớn đến việc kiểm soát phản ứng kiềm-silicat

và làm giảm lượng hydroxit kiềm Bê tông xi măng tro bay loại C thì ảnh hưởngnày rất thấp

1.4.4.4 Độ bền sunphat

Theo các nghiên cứu của Dunstan [61], Mehta [85] và Tikalsky [99] cho thấyBTXM tro bay loại F có hàm lượng CaO thấp làm tăng khả năng chống ăn mònsunphat khi tấm bê tông tiếp xúc với môi trường đất và nước

1.4.4.5 Tốc độ cacbon hóa

Theo các nghiên cứu của Dhir [60], Hobbs [71], Matthews [88] đều cho thấykhi so sánh ở cùng cường độ nén 28 ngày thì tốc độ cacbon hóa của BTXM tro baytương tự như BTXM không tro bay

1.4.4.6 Khả năng chống nứt do nhiệt độ và do co ngót

Theo Mehta [84], với bê tông có 50 % tro bay loại F thì sự gia tăng nhiệt độtrong bê tông chỉ bằng 30 ÷ 35 0C

1.5 Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay

1.5.1 Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay

Để xác định mức độ ảnh hưởng của tro bay trong bê tông, Smith [97] đãnghiên cứu sự phát triển cường độ theo phản ứng puzơlan thông qua hệ số hiệu quả

- ký hiệu (k) Smith là người đầu tiên đề xuất khái niệm “Hệ số hiệu quả tro bay –

k” là hệ số dùng để tính đổi tương đương một lượng tro bay có khối lượng (F) ra

thành một lượng xi măng poóclăng có khối lượng (k.F) và trong công thức cường

độ nén bê tông theo Bolomey, tỷ lệ nước / xi măng (N / X) được chuyển thành tỷ lệ

nước / xi măng quy đổi – N / (X + k.F) Theo Smith [97], mối quan hệ giữa cường

độ nén với tỷ lệ N / X của bê tông thông thường cũng phù hợp đối với BTXM tro

bay, có nghĩa là cường độ của BTXM tro bay có quan hệ với tỷ lệ nước / xi măng

quy đổi – N / (X + k.F).

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số hiệu quả tro bay

Hệ số hiệu quả tro bay chịu ảnh hưởng bởi các tính chất vật lý và hoá họccủa loại tro bay, tỷ lệ tro bay / CKD trong hỗn hợp, tỷ lệ nước / CKD, tuổi bê tông

và loại xi măng Một số nghiên cứu đã phân chia các yếu tố tác động thành các

nhóm riêng rẽ Theo nghiên cứu của Munday [87], hệ số k phụ thuộc vào loại tro

bay, tuổi bê tông và loại xi măng Hassaballah [69] nghiên cứu thấy rằng hệ số k

còn chịu ảnh hưởng của các thông số hỗn hợp, cường độ, tỷ lệ tro bay / CKD vàtuổi bê tông J.Bijen [53] cho rằng ảnh hưởng của loại xi măng lại có ảnh hưởng

đáng kể Đối với xi măng poóclăng thông thường, hệ số k còn phụ thuộc vào tuổi,

thời gian bảo dưỡng và nhiệt độ của hỗn hợp chế tạo Hwang [72] đã nghiên cứuảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD, độ mịn và tuổi bê tông đến sự phát triển cường

độ của BTXM tro bay Papadakis [92] đã có các nghiên cứu cơ bản xác định hệ sốhiệu quả tro bay trong bê tông, trong đó ảnh hưởng của loại tro bay (thành phầnkhoáng vật) và tỷ lệ tro bay / CKD có ảnh hưởng quan trọng

Babu [50] đã nghiên cứu trên 70 loại BTXM tro bay với xi măng poóclăng

và bảo dưỡng trong điều kiện thông thường, với các tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75

% ở các tuổi khác nhau và với các tỷ lệ N / CKD khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay / CKD và tuổi dưỡng mẫu Vì vậy, Babu đã phân hệ số k theo hai loại là k e và k p ; trong đó k e phụ thuộc vào tuổi bê

tông; k p phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ N / CKD.

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, năm 1967 Smith [97] đề xuất

giá trị k p bằng 0,25 khi tro bay thay thế đến 25 % xi măng Sau đó, tiêu chuẩn củaĐức đã sử dụng giá trị là 0,3 với sự thay thế 10 ÷ 25 %; tiêu chuẩn Anh đề nghị mộtgiá trị là 0,3 với tỷ lệ phần trăm thay thế lên đến 50 %; tiêu chuẩn CEB-FIP đã đềxuất hệ số hiệu quả 0,4 để thay thế giữa 15 ÷ 40 %; tiêu chuẩn Đan Mạch quy định

hệ số hiệu quả là 0,5 và cho phép lấy cao hơn nếu chứng minh được bằng cácnghiên cứu thích hợp [54] Bijen [53] đã báo cáo rằng bê tông với các loại xi măng

và tro bay khác nhau (thay thế đến 28 % và tỷ lệ N / X trong khoảng 0,5 ÷ 0,65) thì

hệ số hiệu quả xi măng có giá trị bằng 0,5 là thích hợp Các nghiên cứu trên đều cóchung nhận xét rằng với tỷ lệ tro bay / CKD càng nhiều thì hiệu quả càng thấp

Ngày nay chất lượng của tro bay đã được cải thiện rất đáng kể do việc sửdụng các nhiên liệu than đã được nghiền thành bột và các công nghệ thu lọc, xử lýtro bay đã có rất nhiều cải thiện Theo kết quả nghiên cứu năm 2012 của Cho HB

[56], k p có thể lên tới 1,24 khi nghiên cứu các tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 đến 70 % và

tỷ lệ nước / chất kết dính từ 0,35 đến 0,6

Nhiều nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng hiệu quả tro bay trong bê tôngphụ thuộc vào tuổi bê tông và có hiệu quả rất thấp khi bê tông ở độ tuổi sớm, khi đóhoạt động chủ yếu của tro bay đóng vai trò như là cốt liệu mịn Ở các độ tuổi sau đóhiệu quả tro bay tăng lên đáng kể do tác dụng của phản ứng puzơlan

Theo các nghiên cứu Babu [50], cường độ nén của BTXM tro bay thay đổitheo tuổi và thông qua các kết quả thí nghiệm đã đề xuất các giá trị là 0,3; 0,5 và 0,6

tương ứng với cường độ bê tông ở các ngày thứ 7, 28 và 90 Babu cho rằng k e tăngtheo tuổi nhưng tăng chậm lại ở các ngày tuổi cao (90 ngày) Trong khi đó, khi thay

thế tro bay ở các tỷ lệ khác nhau thì giá trị k p là gần như nhau ở tất cả các tuổi

nghiên cứu, ví dụ ở cùng tỷ lệ thay thế 25 % thì k p là bằng nhau ở các tuổi 7, 28 và

90 ngày

Theo kết luận cuối cùng của Babu [50] thì với tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75

%, hệ số k thay đổi từ 0,13 ÷ 0,95; 0,33 ÷ 1,15 và 0,43 ÷ 1,25 tương ứng với các

tuổi bê tông là 7 ngày, 28 ngày và 90 ngày

1.5.3 Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông xi măng tro bay

1.5.3.1 Công thức cường độ bê tông xi măng tro bay

Theo De Larrard [59], cường độ nén bê tông ở 28 ngày có thành phần tro bay

được tính theo công thức như sau:

trong đó: R n , R X – tương ứng là cường độ nén bê tông và xi măng ở 28 ngày;

k CL – hệ số phụ thuộc loại cốt liệu;

N / X , (F+S) / X – tỷ lệ nước / xi măng và (tro bay + muội silic) / xi măng.

Qua các kết quả thí nghiệm, De Larrard đã định hướng thành phần bê tông

⎦

⎣

tối ưu sử dụng phụ gia khoáng tro bay gồm xi măng poóc lăng khoảng 75 %, tro baykhoảng 20 % và muội silic khoảng 5 % Sau khi lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ giakhoáng với xi măng, cường độ bê tông được tính theo công thức Feret với nhiều tỷ

lệ thành phần khác nhau; chế tạo bê tông và hiệu chỉnh thành phần cấp phối để cóđược tính công tác và đạt được cường độ yêu cầu

1.5.3.2 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Viện bê tông Mỹ

Phương pháp tính thành phần bê tông của Viện bê tông Mỹ ACI 211.4R [36]được áp dụng cho BTXM sử dụng tro bay có cường độ nén từ 42 ÷ 83 MPa, tuổi thínghiệm thường là 28 ngày Chất kết dính được sử dụng gồm xi măng và tro bay /hoặc muội silic Phương pháp này yêu cầu để chế tạo được bê tông thì cần phải đảmbảo việc lựa chọn các thành phần một cách tối ưu nhất bao gồm tính chất của ximăng và tro bay; chất lượng cốt liệu và tỷ lệ phối trộn

Các thành phần chất kết dính khác được sử dụng chủ yếu là tro bay nhằm

làm giảm bớt khối lượng xi măng quá cao và giảm tỷ lệ N / CKD Tro bay được sử

dụng có thể là loại C hoặc loại F có lượng tổn thất khi nung không quá 6 % và có độmịn cao đáp ứng theo yêu cầu tiêu chuẩn ASTM C618 Tỷ lệ tro bay / CKD sử dụngđược khuyến cáo lựa chọn phụ thuộc vào loại tro bay, với tro bay loại F là 15 ÷ 25

% và tro bay loại C là 20 ÷ 35 % (theo khối lượng) Theo phương pháp này, tỷ lệ

nước / xi măng (N / X) được thay thế bằng tỷ lệ nước / chất kết dính (N / CKD) và

được khuyến cáo sử dụng từ 0,2 ÷ 0,5

Phương pháp này được tiến hành theo 11 bước để chọn ra thành phần hỗnhợp tối ưu nhất Đầu tiên phải tiến hành thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông thông

thường với chất kết dính chỉ gồm xi măng poóc lăng (X 0) Tiếp theo, lựa chọn loạitro bay F hoặc C, căn cứ vào khoảng tỷ lệ được khuyến cáo sử dụng, lựa chọn với 4

loại tỷ lệ thay thế f = 20, 25, 30 và 35 % Với mỗi loại tỷ lệ được sử dụng, tiến hành tính khối lượng tro bay (F) và khối lượng xi măng (X) trong hỗn hợp chất kết dính là: F = f × X 0 và X FC = X 0 - F (kg).

Kết quả tính có được khối lượng của các thành phần cốt liệu, nước và cát chotừng loại bê tông Sau đó tiến hành thí nghiệm về độ sụt và cường độ, kết quả thí

nghiệm để chọn ra tỷ lệ tro bay / CKD thích hợp Tùy vào mục đích sử dụng, có thểphải tiến hành thêm một số các chỉ tiêu khác (tỏa nhiệt, chống ăn mòn, ) để so sánhlựa chọn thành phần vật liệu phù hợp.

1.5.3.3 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

Phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 10306:2014[22] về cơ bản dựa trên nền tảng từ các tiêu chuẩn ACI 211.4R [36] Cường độtrung bình yêu cầu được sử dụng để lựa chọn thành phần bê tông Trong thành phầnvật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông thì phụ gia khoáng đóng vai trò quan trọng đượcquy định sử dụng là muội silic hoặc tro bay Tro bay có thể là loại F hoặc loại C.Trong đó hàm lượng tro bay kiến nghị nên sử dụng với tro bay loại F khoảng 15 ÷

25 %, với tro bay loại C khoảng 20 ÷ 35 % thay thế xi măng Lượng nước trong hỗnhợp bị giảm đi bằng cách sử dụng các chất giảm nước mạnh đó là phụ gia siêu dẻo

1.5.3.4 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu

Trong nội dung thiết kế phần hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn Châu ÂuEN206 [62], bên cạnh chất kết dính xi măng poóc lăng thì tro bay (hoặc muội silic)được xem như là vật liệu khoáng siêu mịn có tính xi măng hóa Vì vậy nó được xemnhư một thành phần của chất kết dính Trong đó ảnh hưởng của tro bay đến cường

độ bê tông được thể hiện bằng hệ số hiệu quả (k); khối lượng tro bay (F) được quy đổi thành khối lượng xi măng tương đương là kF Khi đó khối lượng xi măng quy đổi trong hỗn hợp bê tông là (X + k.F) Trong tiêu chuẩn EN206 [62], hệ số k được

lấy mặc định bằng 0,4 cho cả hai loại xi măng là CEM I và CEM II/A Tuy nhiên,với loại xi măng CEM I thì tỷ lệ tro bay / CKD không vượt quá 33 % khối lượng;còn với xi măng CEM II/A thì tỷ lệ này không vượt quá 25 % khối lượng

Tương tự như phương pháp Bolomay – Skramtaep hoặc tiêu chuẩn ACI211.4R [36], việc tính thành phần vật liệu của hỗn hợp bê tông theo EN206 [62] dựatrên nguyên lý thể tích đặc tuyệt đối Trong đó tỷ lệ nước / xi măng được lấy theocường độ nén yêu cầu của bê tông và loại xi măng sử dụng Tuy nhiên tiêu chuẩnEN206 [62] chủ yếu đưa ra các khuyến nghị về việc lựa chọn áp dụng các loại vậtliệu thành phần cho phù hợp Trong đó đã đưa ra 18 loại thành phần hỗn hợp bê

tông khác nhau (từ X0 đến XA3) tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện môitrường, đồng thời cũng đưa ra các quy định về giới hạn tỷ lệ nước / xi măng lớnnhất hay loại xi măng và hàm lượng xi măng tối thiểu sử dụng.

1.5.3.5 Nhận xét

Các công thức cường độ bê tông của De Larrard [59], ACI 211.4R [36] và

TCVN 10306:2014 [22] đã nêu ở trên xem tro bay như một loại chất kết dính được

sử dụng để thay thế một phần xi măng một cách thuần túy về mặt khối lượng màchưa xét đến hiệu quả tro bay trong bê tông bởi tro bay và xi măng có những ảnhhưởng khác nhau đến sự phát triển cường độ và các tính năng cơ học khác

Trong của tiêu chuẩn EN206 [62] đã đề cập đến hệ số hiệu quả tro bay trong

bê tông, tuy nhiên việc lựa chọn thành phần vật liệu bê tông dựa trên kinh nghiệmgồm 18 loại hỗn hợp có sẵn theo các điều kiện sử dụng và môi trường, điều này đãlàm hạn chế việc áp dụng cho các khu vực khác trên thế giới và ở nước ta

Trên cơ sở phân tích nêu trên, cần phải thiết lập phương pháp thiết kế thànhphần vật liệu BTXM tro bay trên cơ sở vận dụng nội dung tiêu chuẩn ACI 211.4R

[36] và có xét đến ảnh hưởng của tro bay theo hệ số hiệu quả k.

1.6 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô

1.6.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trên thế giới

Trên thế giới, BTXM tro bay được sử dụng đa dạng cho nhiều loại côngtrình Trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô, một số các kết quả nghiên cứu tiêu biểunhư sau:

(1) Theo các báo cáo tại Hội nghị tro bay thế giới năm 2015 được tổ chứcbởi Hiệp hội tro bay Mỹ (ACAA) [47], ở nhiều nước trên thế giới khối lượng trobay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn lên tới hàng triệu tấn mỗi năm.Trong khi đó lượng tiêu thụ tro bay trung bình ở các nước chưa tới 50 % Theo Hiệphội tro bay Mỹ (ACAA) [47], năm 2014 sản lượng tro bay ở Mỹ đạt 50,4 triệu tấn

và đã tái sử dụng lại 23,2 triệu tấn chiếm 46 % Trong đó sử dụng cho bê tông 13,1triệu tấn chủ yếu cho xây dựng mặt đường ô tô

(2) Theo báo cáo nghiên cứu của Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ

(FHWA) [63], tro bay bắt đầu được sử dụng trong xây dựng trong các công trìnhnền móng đường bộ và đường cao tốc từ những năm 1950 Đến năm 1974, FHWAbắt đầu đưa ra các khuyến khích sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măngtrong bê tông nếu có thể để làm mặt đường ô tô Năm 1983, Cơ quan bảo vệ Môitrường Mỹ đã đưa ra các chỉ dẫn cho BTXM tro bay nhằm khuyến khích sử dụngtro bay với khối lượng lớn trong xây dựng đường Theo báo cáo mới nhất củaFHWA [63], các ứng dụng của tro bay trong xây dựng đường bao gồm:

(a) Sử dụng tro bay trong bê tông mặt đường mang lại nhiều lợi ích và cảithiện tính năng của bê tông tươi cũng như bê tông đã đóng rắn: cải thiện tính côngtác và độ bền của bê tông; giảm giá thành và giảm khối lượng xi măng Trong hỗnhợp thì tỷ lệ tro bay / CKD thường dùng 15 ÷ 30 %; khối lượng tro bay / khối lượng

xi măng được thay thế từ 1 ÷ 1,5 lần

(b) Sử dụng tro bay làm nền đường Tro bay được trộn với đất theo một tỷ lệnhất định và được đầm nén đến một độ chặt tốt nhất Thường sử dụng tro bay loại

C, chứa tối thiểu 25 % CaO

(c) Sử dụng tro bay làm lớp móng trên và lớp móng dưới kết cấu áo đường.Tro bay loại C có thể sử dụng như một vật liệu độc lập Tro bay loại F có thể sửdụng bằng cách phối trộn với vôi, xi măng poóc lăng, hoặc bụi lò nung xi măng Tỷ

lệ thông thường cho hỗn hợp tro bay loại F với vôi là (2 ÷ 8 %), vôi trộn với (10 ÷

15 %) tro bay loại F

(d) Sử dụng tro bay trong bê tông đầm lăn (RCC) làm mặt đường ô tô Năm

2001, bê tông đầm lăn đã được dùng để xây dựng mặt đường ô tô trong khu côngnghiệp sản xuất ô tô ở Alabama (Mỹ)

(3) Theo báo cáo của Chương trình hợp tác nghiên cứu đường cao tốc Mỹ(NCHRP-749) [35] thì từ năm 1962, Hiệp hội những người làm đường và vận tải

Mỹ (AASHTO) đã đưa vào chương trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong xâydựng mặt đường cao tốc và xem đây như là một loại vật liệu mới đáp ứng được cácyêu cầu kỹ thuật khắt khe của đường cao tốc và giá thành rẻ Để việc sử dụng trobay trong bê tông được rộng rãi, AASHTO đã xây dựng tiêu chuẩn AASHTO M

295 [34] trong đó đặc biệt chú trọng đến việc quy định các thành phần khoáng vậttro bay (loại C và F) và hàm lượng tổn thất khi nung (LOI), chỉ những tro bay đượclấy trực tiếp từ ống khói qua lọc tĩnh điện hoặc sau khi đã tuyển chọn lại đáp ứngđược các yêu cầu kỹ thuật thì mới được sử dụng cho bê tông.

Tro bay làm tăng tính công tác, giảm nhiệt thủy hóa, giảm giá thành và tăng

độ bền chống ăn mòn sun phát; giảm nứt gãy và tăng khả năng chống thấm Tuynhiên tro bay làm giảm sự phát triển cường độ ở tuổi sớm và giảm hiệu quả của phụgia cuốn khí (AEA) bởi tác động hấp thụ của các bon có trong tro bay và sự suygiảm phản ứng alkali-silica

(4) Về các tiêu chuẩn thi công mặt đường BTXM sử dụng tro bay, một sốcác tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật thi công mặt đường BTXM sử dụng tro bay(FHWA-IF-03-019 của Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ [63]; IRD:15-2011của Cơ quan quản lí đường bộ Ấn Độ [73]; JSCE-SSCS của Hiệp hội kỹ sư xâydựng Nhật Bản [75] đã đưa ra các hướng dẫn về chế tạo hỗn hợp và thi công mặtđường BTXM trong đó tro bay được sử dụng như là một thành phần của hỗn hợpchất kết dính bên cạnh xi măng poóc lăng thông thường Quá trình chế tạo hỗn hợpphải được thực hiện trong các nhà máy hoặc trạm trộn, tro bay phải được đựngtrong các si lô khô riêng biệt, sau đó đưa vào trộn cùng với xi măng trước khi đượctrộn cùng với cốt liệu và nước Quá trình vận chuyển, thi công và bảo dưỡng mặtđường BTXM sử dụng tro bay được thực hiện như đối với mặt đường BTXM poóclăng thông thường

Ngoài các Chương trình nghiên cứu lớn do các cơ quan, tổ chức tiến hành đãnêu, còn có các công trình nghiên cứu độc lập rất đáng quan tâm như sau:

(5) Theo báo cáo nghiên cứu về độ bền của BTXM tro bay do V.M.Malhotra và P.K Mehta [81] thực hiện:

Công nghiệp sản xuất xi măng đã tạo ra những tác động to lớn ảnh hưởngđến môi trường như thải ra không khí CO2, làm tăng nhiệt độ trái đất và gây ra hiệuứng nhà kính Tro bay có thể thay thế lên tới 30 % ÷ 50 % khối lượng xi măng tronghỗn hợp vẫn đảm bảo cường độ và tăng độ bền (Bảng 1.5)

Bảng 1.5 So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường

9 Tác động tới môi trường, đặc biệt là sự phát sinh khí

Mehta và các cộng sự [84] đã nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệmhỗn hợp bê tông lên tới 50 % tro bay Mehta đã đưa ra các thảo luận về cơ chế kếthợp với khối lượng lớn tro bay trong bê tông để giảm lượng nước yêu cầu, cải thiệnkhả năng chống co ngót do nhiệt và làm tăng độ bền Các nghiên cứu này hiện nay

là cơ sở cho việc ứng dụng vào mục đích xây dựng mặt đường ô tô ở Ấn Độ [84]

Từ năm 2002 đến 2005 dự án đường ở Ropar, Ấn Độ được xây dựng rộng 7m dày

300 mm làm bằng bê tông với lượng tro bay là 50 % so với chất kết dính, tỷ lệ N/X

bằng 0,32; cường độ nén ở 28 ngày đạt 41,6 MPa, cường độ kéo uốn đạt 7,6 MPa

1.6.2 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay ở Việt Nam

Ở Việt Nam, bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ XX, tro bay bắt đầu đượcnghiên cứu và sử dụng làm phụ gia để sản xuất xi măng Sau đó, tro bay được sửdụng nhiều cho bê tông khối lớn trong các đập thủy lợi, thủy điện, sản xuất vật liệuxây dựng như vữa xây trộn sẵn và gạch không nung [7],[33] Trong lĩnh vực côngtrình giao thông, tro bay và tro xỉ đã có những ứng dụng để làm vật liệu cho móng

và mặt đường Tiêu biểu có các nghiên cứu và công trình ứng dụng như sau:

* Năm 1991, giải pháp hữu ích “Với mục đích tiết kiệm xi măng hạ giá thànhsản phẩm trong sản xuất bê tông đã đề xuất một loại bê tông trong đó tro bay Phả