ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN KHI LÀM VẬT LIỆU SAN LẤP THAY THẾ VẬT LIỆU TRUYỀN THỐNG

TIỂU BAN ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH SESSION: GEOTECHNICAL AND SURVEYING ENGINEERING Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN KHI LÀM VẬT LIỆU SAN LẤP THAY THẾ VẬT LIỆU TRUYỀN THỐNG TECHNICAL PROPERTIES OF THERMAL POWER PLANT COAL ASH FOR TRADITIONAL BACKFILL MATERIAL REPLACEMENT Đinh Quốc Dân1, Đoàn Thế Tường, Đỗ Ngọc Sơn, Nguyễn Thị Thanh Thủy Viện Khoa học cơng nghệ Xây dựng, Email: dida.ibst@gmail.com TĨM TẮT: Việc tiêu thụ xử lý tro xỉ phát thải từ nhà máy nhiệt điện nhiệm vụ cần thiết nay, việc sử dụng tro xỉ làm vật liệu san lấp hướng giải pháp khả thi cho phép tiêu thụ khối lượng lớn tro xỉ tồn chứa phát thải từ nhà máy nhiệt điện đốt than Trong khuôn khổ báo nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu đặc trưng kỹ thuật, tiêu lí tro xỉ số nhà máy nhiệt điện đốt than sở đánh giá khả sử dụng tro xỉ vào san lấp Các kết nghiên cứu tập trung vào đặc trưng tính chất địa kỹ thuật để đánh giá mặt kỹ thuật khả sử dụng vật liệu vật liệu san lấp giải pháp kỹ thuật nâng cao tính kỹ thuật mở rộng phạm vi áp dụng thể đắp sử dụng vật liệu tro xỉ với điều kiện tro xỉ đáp ứng yêu cầu an tồn mơi trường theo quy định TỪ KHĨA: Sản phẩm đốt than, tro xỉ nhiệt điện, tro xỉ phối trộn, vật liệu san lấp, đặc trưng lý ABSTRACTS: Nowadays, the consumption and handling with coal ash from thermal power plants are becoming an essential task, using thermal power plant coal ash as a backfill material is a possible solution for the mass volume of coal ash inventory consumption Within the framework of the paper, the authors have carried out a study on technical characteristics and mechanical properties of ash of some coal-fired thermal power plants on the basis of their assessment of the using coal ash The results of the study focused on geo-technical features to assess the technical feasibility of using this material as backfill material as well as technical solutions that enhance technical and open specifications The scope of application of backfill material is as wide as the ash condition that meets the required environmental safety requirements KEYWORDS: CCPs, coal ash, mixing coal ash, filling material, mechanical property VẬT LIỆU SAN LẤP TRUYỀN THỐNG Cát xây dựng từ lâu đóng vai trị quan trọng vật liệu thiết yếu phát triển ngành xây dựng nói chung Cát san lấp loại cát xây dựng khai thác từ nguồn sông biển thường lẫn tạp chất dùng phổ biến san lấp cơng trình với nhiều ưu điểm đặc tính kỹ thuật Tuy nhiên, nhu cầu nguồn cung chỗ khác nhau, việc khai thác mức cát từ nguồn tự nhiên dẫn đến việc suy kiệt tài nguyên gây tác động tiêu cực đến mơi trường sạt lở thay đổi dịng chảy sông [1] Tiếp theo, đất tự nhiên vật liệu dùng nhiều san lấp Đất san lấp khai thác từ đất tự nhiên, mỏ đất khai thác từ trình bóc lớp đất tự nhiên khai thác khống sản Đất san lấp có nhiều ưu điểm san lấp tận dụng tốt yếu tố địa phương sử dụng vật liệu với khối lượng lớn Những năm gần việc khai thác mức dẫn tới việc phải kiểm soát nguồn tài nguyên Các loại phế phẩm xây dựng thường sử dụng san lấp, nhiên lại vật liệu có tính chất khơng đồng nguồn cung không thường xuyên Việc phụ thuộc nhiều vào loại vật liệu san lấp cát đất từ tự nhiên dẫn đến suy kiệt tài nguyên gây hậu xấu đến môi trường hệ sinh thái Chính nhiều chủ trương năm gần nhấn mạnh việc tìm vật liệu góp phần mở hướng cho vật liệu san lấp Tro xỉ nhiệt điện sản phẩm thải loại nhà máy nhiệt điện đốt than, với khối lượng sẵn có tương đối lớn thay phần vật liệu san lấp truyền thống, tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên đồng thời góp phần giảm nhiễm mơi trường, giảm diện tích đất tồn chứa [2] TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN Quá trình vận hành nhà máy nhiệt điện đốt than thải sản phẩm cháy từ than bao gồm tro bay xỉ đáy Về thành phần vật chất, tro bay chất vô không cháy có sẵn than, sau q trình đốt biến thành vật chất cấu trúc dạng thủy tinh vô định hình dạng vơ định hình có ý nghĩa lớn đánh giá hoạt tính vật liệu Tro bay thường có dạng hạt hình cầu kích thước từ 0.5 μm đến 300 μm, khối lượng thể tích trạng thái khô xốp 450 kg/m3 đến 700 kg/m3 trọng lượng riêng 1.800 kg/m3 đến 2.300 kg/m3 Xỉ đáy hạt thô 321 Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng to tro bay, thành phần khơng cháy thu phần đáy lị thường dạng cục hạt có kích thước từ 0.125 mm đến mm, khối lượng thể tích trạng thái khô xốp 700kg/m3 đến 900kg/m3 trọng lượng riêng 2.000kg/m3 đến 2.600kg/m3 Thông thường lượng tro bay chiếm khoảng 80% - 90%, xỉ chiếm khoảng 10% - 20% Cùng với phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu tiêu thụ điện ngày tăng dẫn đến khối lượng tro xỉ hồ chứa nhà máy nhiệt điện ngày tăng thêm, tạo sức ép lớn diện tích tồn chứa môi trường Khối lượng tro xỉ phát thải nước khoảng 14 triệu tấn/năm [3] số tăng theo thời gian Tổng lượng tro xỉ nhiệt điện phát thải pham vi toàn cầu vào khoảng 780 triệu vào năm 2011 Mức độ tái sử dụng hiệu tro xỉ 415 triệu (53 % tổng sản lượng) mức độ khác quốc gia [4] Tỉ lệ sử dụng hiệu lớn 96,4 % tỉ lệ thấp khoảng 10,6 % Sản lượng tro xỉ dự báo tăng năm tới ngành lượng giới phụ thuộc nhiều vào sản lượng điện sản xuất việc đốt than Tại Mỹ liên Minh châu Âu EU tổng sản lượng tro xỉ hàng năm ước tính vào khoảng 115 triệu tấn, Ấn Độ khoảng 140 triệu năm Sản lượng tro xỉ Trung Quốc tăng nhanh hàng năm dự báo đạt 580 triệu vào năm 2015 [5] Hình Tái sử dụng tro xỉ nhiệt điện số quốc gia [6] Tại số quốc gia có kinh tế phát triển hay có mức độ phát thải tro xỉ nhiệt điện lớn tro xỉ nhiệt điện tái sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực để tận thu tài nguyên làm phụ gia cho xi măng, bê tông, làm vật liệu cho gạch, vữa xây không nung, cải tạo đất nông nghiệp phần lớn phục vụ làm vật liệu xử lý nền, san lấp cơng trình hồn ngun mỏ Theo số liệu từ hội thảo tro than giới năm 2013 đưa [6] Hình 1, lĩnh vực san lấp mức độ sử dụng mức châu Âu với 18,98 %, Ấn Độ với 6,4 % cho đắp đường giao thông 12,6 % cho san Ở Hoa Kỳ 11% sử dụng để san lấp thấp Nhật Bản với 5,6 % Tuy nhiên mức độ định, chắn tro xỉ nhiệt điện sử dụng với khối lượng không nhỏ san lấp nước Việc thúc đẩy tiêu thụ xử lý tro xỉ đặt ra, khn khổ báo nhóm tác giả trình bày nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt điện san lấp sở nghiên cứu xác định đặc trưng lý tro xỉ để đánh giá khả sử dụng loại tro xỉ nhiệt điện san lấp, đánh giá độ bền hỗn hợp tro xỉ xi măng với tỷ lệ xi măng khác mẫu tro xỉ, mẫu tro, mẫu xỉ lấy nhà máy nhiệt điện Việt Nam CÁC ĐẶC TRƯNG VỀ TÍNH CHẤT ĐỊA KỸ THUẬT CỦA TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN Vật liệu tro xỉ nhiệt điện làm vật liệu san lấp trước tiên phải đáp ứng điều kiện vật liệu an tồn mơi trường theo quy định 322 Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng Các đặc trưng tính chất địa kỹ thuật đánh giá khả yêu cầu kỹ thuật sử dụng vật liệu tro xỉ nhiệt điện làm vật liệu san lấp xét sở đặc trưng tính chất vật lý, đặc trưng tính chất học đặc trưng khả đầm chặt 3.1 Các đặc trưng tính chất vật lý Kết thí nghiệm phịng xác định đặc trưng vật lý theo tiêu chuẩn hành mẫu tro, xỉ tro xỉ hỗn hợp lấy từ nhà máy nhiệt điện tổng hợp trình bày Bảng Đặc trưng vật lý Tro Xỉ Tro xỉ Thành phần hạt, % + Hạt sét 0,75 gọi đất vơ (inorganic soil) 2.2 Tiêu chuẩn BS 5930:1981 - Để phân loại đất lớn, đất hạt lớn đất cát người ta tính hàm lượng phần trăm hạt theo kích thước hạt: : 630 mm; 200 mm; 63 mm; 20 mm; 6,3 mm; 0,63 mm; 0,2 mm 0,063 mm Tên gọi ký hiệu xác định theo tổng hàm lượng phần trăm vcbcvb qua sàng 0.063 mm, theo hệ số cấp phối đường cong - Để phân loại đất hạt mịn, tên gọi ký hiệu xác định theo tổng hàm lượng phần trăm qua sàng 0.063 mm dựa vào biểu đồ dẻo theo gíá trị giới hạn chảy, số dẻo; - Đất hữu đất phân loại theo giới hạn chảy dẻo (thường đất hữu có giới hạn chảy cao, số dẻo thấp, màu sắc, mùi…) Tiêu chuẩn Anh Mỹ sử dụng cho đối tượng đất mềm rời, có ngun tắc thống nhất, khơng phù hợp với trang thiết bị phịng thí nghiệm, tiêu chuẩn thiết kế móng nước ta GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN TCVN ĐANG ĐƯỢC BIÊN SOẠN Hiện nay, dự án có quy định áp dụng tiêu chuẩn thí nghiệm tương ứng với hệ thống phân loại theo hệ tiêu chuẩn Với dự án theo tiêu chuẩn nước ngồi việc áp dụng hệ thống tiêu chuẩn khơng gặp khó khăn Tuy nhiên, với dự án thực theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam việc phân loại đất gặp khó khăn khơng có tiêu chuẩn áp dụng cách phù hợp Hiện tại, việc phân loại áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 - tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình Tiêu chuẩn biên soạn theo hệ thống tiêu chuẩn Nga, tiêu chuẩn có đề cập đến việc gọi tên phân loại đất hoàn toàn phù hợp với hệ thống thiết kế Vì cần phải có tiêu chuẩn phân loại phù hợp, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng thực nhiệm vụ soát xét lại tiêu chuẩn phân loại đất theo yêu cầu Bộ Khoa học Công Nghệ - Bộ Xây dựng Sau số nội dung dự thảo: - Tiêu chuẩn biên soạn dựa sở Nga ΓOCT 25100-2011, có tham khảo tiêu chuẩn liên quan khác hình thức trình bày theo quy định tiêu chuẩn TCVN; - Xác định rõ ràng đối tượng tiêu chuẩn Đất Xây dựng, bao gồm Đá Đất mềm rời; - Phân loại thành lập thành hệ thống với phân cấp theo tiêu chí thống phù hợp với giai đoạn khảo sát thăm dò phục vụ thiết kế từ sơ đến chi tiết; - Bổ sung thêm cách gọi tên biểu diễn đất đá tên chúng; - Phân loại đất lớn, đất hạt lớn đất cát người ta tính hàm lượng phần trăm hạt theo kích thước hạt: 800 mm; 400 mm; 200 mm; 100 mm; 60 mm; 40 mm; 20 mm; 10 mm; mm; 0,5 mm; 0,25 mm; 0,1 mm 0,05 mm; - Phân loại đất hạt mịn theo giới hạn chảy, chí số dẻo, tiêu tính chất vật lý, học khác; - Đất hữu than bùn phân loại riêng theo hàm lượng hữu độ phân hủy; - Nội dung phân loại có xu hướng hội nhập quốc tế, Quy định nhóm hạt sét nhóm hạt có đường kính < 0.002 mm; - Đưa Thuật ngữ định nghĩa sử dụng tiêu chuẩn quốc tế; - Đưa Phụ lục so sánh tiêu chuẩn: tương ứng tên gọi đất phân tán tiêu chuẩn với tiêu chuẩn ISO 14688-2:2004 tiêu chuẩn ASTM D 2487 - 2000 Bảng thể so sánh nhóm hạt theo tiêu chuẩn TCVN biên soạn tiêu chuẩn ASTM, tiêu chuẩn ISO SO SÁNH CÁC TIÊU CHUẨN PHÂN LOẠI – ÁP DỤNG PHÂN LOẠI CHO MỘT SỐ LOẠI ĐẤT Áp dụng phân loại mẫu đất khu Công nghiệp Quang Minh theo Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn ASTM tiêu chuẩn BS Mẫu thí nghiệm thí nghiệm địa kỹ thuật Las XD 02, với tổng số mẫu đất nguyên trạng 18 mẫu, mẫu khơng ngun trạng 11 mẫu 4.1 Phương pháp thí nghiệm - Phân tích thành phần hạt mẫu đất, từ xác định hàm lượng phần trăm nhóm hạt theo 444 Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng tiêu chuẩn khác Kích thước nhóm hạt khác cho hệ thống tiêu chuẩn thả chùy Casagrander để phục vụ cho việc phân loại theo tiêu chuẩn phân loại khác nhau; - Thí nghiệm xác định giới hạn chảy dẻo đất dính Giới hạn chảy mẫu đất tiến hành thí nghiệm song song theo hai phương pháp - Tiến hành phân loại đất theo tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn ASTM tiêu chuẩn BS Bảng 1- So sánh kích thước cỡ hạt, xác định theo TCVN tiêu chuẩn khác d, mm 800 TCVN Tiêu chuẩn BS 630 400 300 200 100 76,2 63 Hòn lớn (tảng) Tiêu chuẩn ASTM Tảng Boulders 40 20 19 10 6,3 4,75 Cuội (dăm) Tảng Boulders Tảng lớn Large boulders 60 Cuội Cobbles Sỏi thô Coarse gravel Sỏi (sạn) Sỏi trung bình Medium gravel Sỏi nhỏ Fine gravel Sỏi Gravel Cuội Cobbles Cát Sand Thô Coarse Nhỏ Fine Thơ Coarse Bảng - So sánh kích thước cỡ hạt, xác định theo TCVN tiêu chuẩn khác (tiếp) d,mm TCVN Tiêu chuẩn BS Tiêu chuẩn ASTM 0,63 0,5 0,425 0,25 0,2 0,1 0,075 0,063 0,05 0,02 0,0063 0,005 0,002 10 L12 21.00 21.45 17.7 17.2 5.0-10 7.2 2.0-5.0 19.00 19.45 17.7 17.2 L11 Độ sâu - Depth (m) 0.5-0.25 0.1-0.05 9.0 9.0 7.9 9.8 9.7 9.9 9.8 11.0 9.9 11.0 10.1 7.4 7.4 17.8 17.6 2.0 449 SétClay Bụi - Silt 35.7 17.5 10.4 12.6 11.8 17.3 10.4 12.1 16.3 10.4 12.9 16.4 10.1 12.3 16.4 10.3 12.1 16.9 10.3 10.0 (%) 0.25-0.1 Cát - Sand 0.01-0.005 0.05-0.01 Cuội sỏi - Gravel 2.65 2.67 2.65 2.65 2.65 2.66 2.65 2.65 g/cm3 Khối lượng riêng - Specific gravity Cát hạt nhỏ Cát hạt nhỏ Cát hạt nhỏ Cát lẫn sỏi sạn Cát lẫn sỏi sạn Cát lẫn sỏi sạn Cát lẫn sỏi sạn Cát lẫn sỏi sạn Phân loại đất Classification of Soils Bảng Phân loại mẫu đất rời theo tiêu chuẩn khác < 0.005 Thành phần hạt - Partical size (mm) 0.5-1.0 SP - Poorly graded SAND SP - Poorly graded SAND SP - Poorly graded SAND SP-SM- Poorly graded sand with silt SP-SM- Poorly graded sand with silt SP-SM- Poorly graded sand with silt SM - Silty sand SM - Silty sand SML - Very silty SAND (silt of low) SML - Very silty SAND (silt of low) SML - Very silty SAND (silt of low) SP - Poorly graded SAND SP-SM- Poorly graded sand with silt SM - Silty sand SP - Poorly graded SAND Phân loại đất Classification of Soils (Theo TC BS) SP-SM- Poorly graded sand with silt Phân loại đất Classification of Soils (Theo TC ASTM) Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng Số hiệu mẫu - Symbol of sample 9.3 15.2 34.6 17.8 11.3 >10 L44 25.00 25.45 2.6 5.0-10 15.2 34.8 18.4 10.9 2.0-5.0 L43 23.00 23.45 2.5 1.0-2.0 13.5 31.4 0.5-0.25 450 8.3 8.0 10.7 (%) 3.0 3.1 9.9 0.25-0.1 Cát - Sand 0.1-0.05 7.2 7.1 7.5 17.7 450 SétClay Bụi - Silt 0.01-0.005 0.05-0.01 Cuội sỏi - Gravel < 0.005 Thành phần hạt - Partical size (mm) 0.5-1.0 25.00 25.45 L74 (m) Độ sâu - Depth Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng Khối lượng riêng - Specific gravity 2.65 2.65 2.65 g/cm3 Cát thô Cát thô Cát hạt nhỏ Phân loại đất Classification of Soils SML - Very silty SAND (silt of low) GP - Poorly graded GRAVEL GP - Poorly graded GRAVEL SW-SM- Well graded sand with silt and gravel SW-SM- Well graded sand with silt and gravel Phân loại đất Classification of Soils (Theo TC BS) SM - Silty sand Phân loại đất Classification of Soils (Theo TC ASTM) Hội nghị khoa học quốc tế Kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng