Khả năng sử dụng tro trấu thay thế một phần xi măng Portland trong bê tông được nghiên cứu và trình bày trong bài báo. Tro trấu được thu gom từ các bếp đun hộ gia đình trên địa bàn tỉnh Quảng Nam. Xi măng trong bê tông được thay thế lần lượt bởi 5 và 15% tro trấu. Cường độ nén của bê tông được theo dõi ở 7, 28 và 56 ngày. Khi sử dụng tro trấu thay thế xi măng, để đảm bảo khả năng công tác của bê tông mà không thay đổi hàm lượng nước, cần sử dụng thêm phụ gia hóa dẻo. Nhu cầu sử dụng phụ gia hóa dẻo tăng cùng hàm lượng tro trấu thay thế.
Ảnh hưởng tro trấu tới tính chất ma sát cường độ bê tông Trần Thu Hiềna,b, Phan Thanh Hảib, Huỳnh Quốc Minh Đứcb a : Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao, Đại học Duy Tân, Quang Trung, Đà Nẵng b : Khoa Xây dựng, Đại học Duy Tân, Quang Trung, Đà Nẵng Tóm tắt Khả sử dụng tro trấu thay phần xi măng Portland bê tông nghiên cứu trình bày báo Tro trấu thu gom từ bếp đun hộ gia đình địa bàn tỉnh Quảng Nam Xi măng bê tông thay 15% tro trấu Cường độ nén bê tông theo dõi 7, 28 56 ngày Khi sử dụng tro trấu thay xi măng, để đảm bảo khả công tác bê tông mà không thay đổi hàm lượng nước, cần sử dụng thêm phụ gia hóa dẻo Nhu cầu sử dụng phụ gia hóa dẻo tăng hàm lượng tro trấu thay Ngoài ra, với mẫu bê tông thực nghiên cứu này, thông số ma sát cải thiện tăng hàm lượng tro trấu phụ gia sử dụng Cường độ nén mẫu bê tông tăng theo thời gian, đặc biệt với mẫu chứa 15% tro Tất bê tơng chứa tro trấu có cường độ nén giảm so với mẫu chuẩn Tuy nhiên, mẫu chứa 5% tro trấu đạt mác bê tông 40 Abstract This paper presents the utilization potential of rice husk ash (RHA) as a supplementary cementing material in concrete RHA was collected from household stoves in the province of Quang Nam The Portland cement content in concrete is replaced with two different ratios, including 5% and 15% Compressive strength of concrete is monitored at 7, 28 and 56 days When using rice husk ash as a cement replacement material, to ensure the workability of concrete without changing the water content, the use of plasticizer is necessary The required plasticizer increases with RHA content In increasing RHA and plasticizer content, the friction parameters of concrete are improved The compressive strength of all the concrete samples increases with time, especially the samples containing 15% ash Concrete containing RHA has lower compressive strength than the standard sample However, samples containing 5% rice husk ash has reached concrete grade 40 Từ khóa: xi măng Portland, tro trấu, bê tông, cường độ, ma sát Cles: Portand cement, rice husk ash, concrete, strength, friction Mở đầu Nhu cầu xi măng giới không ngừng tăng nhiều thập kỷ qua dự báo tiếp tục tăng thập kỷ tới, đặc biệt nước phát triển Theo thống kê năm 2002, nhu cầu sử dụng xi măng giới 1.6 109 t/năm (Mehta 2002) Ngành sản xuất xi măng tiêu thụ nhiều lượng phát thải lượng lớn khí CO2 Để sản xuất xi măng, điều kiện tốt cần khoảng GJ lượng Và kg xi măng sản xuất thải khoảng 0.8-1 kg khí CO2 Khí CO2 phát thải có nguồn gốc từ phản ứng phân hủy đá vơi, từ nhiên liệu dùng, từ việc vận chuyển xi măng nơi sản xuất tiêu dùng, Một cách tổng thể, lượng khí cacbonic ngành xi măng thải chiếm từ – 7% tổng lượng khí thải toàn cầu từ tất lĩnh vực hoạt động (Hooton Bickley, 2014) Có nhiều biện pháp đặt nghiên cứu để giảm hàm lượng khí thải CO2 Và biện pháp hạn chế tối đa hàm lượng clinker sản phẩm cuối cách tối đa hàm lượng phụ gia khoáng sử dụng xi măng đẩy mạnh việc sử dụng xi măng hỗn hợp xây dựng nói chung Việc ứng dụng phụ gia khoáng phụ thuộc vào nguồn cung cấp kinh nghiệm sản xuất địa phương Cùng với lúa mì, lúa gạo loại trồng phổ biến giới, đóng vai trị quan trọng cung cấp lương thực cho dân số giới Trấu sản phẩm phụ q trình xay sát thóc gạo, chiếm khoảng 1/20 744.7 triệu thóc sản xuất hàng năm giới (FAO 2014) Vỏ trấu tích cồng kềnh khối lượng riêng thấp (90-150 kg/m3) Trong trình thu hoạch, vỏ trấu không xử lý cách, xả xuống ao hồ, sông suối gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Hoặc việc đốt trấu tràn lan không cách kéo theo vấn đề kích ứng mắt ảnh hưởng tới hệ hô hấp Tro trấu sử dụng bê tông từ sớm, với hai sáng chế người Đức đăng ký từ năm 1924 (Swamy, 1986) Tuy nhiên, việc sử dụng tro trấu phụ gia hoạt tính puzolan thực tiến triển từ đầu thập niên 70 (Mehta, 1994) Sử dụng tro trấu bê tông cho phép giảm giá thành vật liệu nhờ tiết kiệm xi măng Ngồi ra, cịn có ý nghĩa mơi trường quan trọng, tìm đầu giá trị cho nguồn phế thải nông nghiệp đồng thời giảm lượng khí CO2 phát thải gắn liền với trình sản xuất xi măng Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu sử dụng tro trấu thu thập bếp đun hộ gia đình để thay phần xi măng bê tơng Tính chất ma sát cường độ nén bê tông khảo sát Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thành phần vật liệu Thành phần cấp phối bê tông cho bảng Tỷ lệ Nước/Chất kết dính (N/CKD) giữ không đổi 0.37 Để cấp phối bê tông đạt độ sụt tương đối lớn, đảm bảo khả bơm phun, phụ gia hóa dẻo (Sika Plastiment 96) thêm vào Bảng Thành phần cấp phối bê tông Loại bê tông 0% 5% 15% Xi măng (kg/m3) 570 541.5 484.5 Tro trấu (kg/m3) 28.5 85.5 Cát (kg/m3) Đá (kg/m3) 633 933 Phụ gia (L/m3) 4.35 8.30 18.10 Độ sụt (cm) 11 10 Xi măng sử dụng xi măng Portland PCB40 Vincem Tro trấu thu gom từ bếp đun hộ gia đình thuộc tỉnh Quảng Nam Tro trấu thu sử dụng nguyên trạng, không qua khâu gia công nghiền mịn hay sàng lựa chọn cỡ hạt Thành phần hạt tro trấu phân tích nhờ sàng cát, xi măng tiêu chuẩn thu kết biểu diễn hình Lượng sót tích lũy Ai (%) Kích thước lỗ sàng (mm) 20 40 60 80 100 Hình Hành phần hạt tro trấu 2.2 Thí nghiệm xác định tính chất ma sát bê tông Các vật liệu dùng chế tạo bê tông xác định khối lượng nhờ cân điện tử xác đến g Hỗn hợp vật liệu sau trộn nhờ máy trộn bê tơng tự T-Tech, dung tích thùng 150 L Thí nghiệm xác định độ sụt thông số ma sát tiến hành với hỗn hợp bê tông thu sau trộn Độ sụt xác định Abram theo tiêu chuẩn TCVN 3106:1993 Hình Xác định độ sụt hỗn hợp bê tông Các thông số ma sát xác định thiết bị đo ma sát minh họa hình Bộ thiết bị gồm phận sau: thiết bị khuấy điện tử gắn giá đỡ, thùng chứa xi lanh thép Thiết bị khuấy truyền động qua máy tính sử dụng phần mềm Watch & Control Thùng chứa có đường kính đáy 30 cm, chiều cao 20 cm, mặt xung quanh thùng hàn thêm gờ thép nhằm tăng ma sát hỗn hợp bê tơng với bề mặt thùng chứa Xi lanh thép có bề mặt trơn, chiều cao 10.6 cm, đường kính 10 cm Xi lanh thép đảm bảo kẹp chặt vào thiết bị khuấy suốt trình vận hành Tốc độ quay xi lanh thép thiết lập điều khiển thông qua phần mềm Biểu đồ tốc độ quay minh họa hình 4, gồm giai đoạn, giai đoạn tăng tốc giai đoạn giảm tốc Xi lanh thép tăng tốc độ quay từ lên 1.6 vịng/giây 90 giây Sau đó, tốc độ giảm dần xuống theo bậc, bậc cách 0.2 vòng/giây Tại tốc độ, xi lanh giữ quay 18 giây, sau giảm xuống tốc độ 12 giây Thiết bị khuấy cho phép lưu lại mô men xoắn cần thiết làm quay xi lanh thép Với hỗn hợp bê tông, hai giai đoạn đo tiến hành Đầu tiên, hỗn hợp bê tông cho vào thùng chứa vừa đủ tiếp xúc với đáy xi lanh thép Mô men xoắn T1 làm quay trụ thép tốc độ ghi lại Mô men cần dùng thắng lực ma sát đáy trụ thép hỗn hợp bê tông Tiếp theo, hỗn hợp bê tông thêm vào vừa đến mặt trụ thép Mô men xoắn đo T2 Dữ liệu ghi tự động 0.1 giây Chênh lệch mô men xoắn T2 T1 thể lực ma sát bề mặt xung quanh xi lanh thép hỗn hợp bê tông Mối quan hệ mô men xoắn hiệu T tốc độ quay V thiết lập = + (1) T: mô men xoắn cần thiết thắng lực ma sát mặt xung quanh xi lanh thép hỗn hợp bê tông (N.m); T = T2 - T1 k: hệ số góc (N.m.s) V: tốc độ quay xi lanh (vòng/giây) Từ thông số trên, ngưỡng trượt 0 số nhớt hỗn hợp bê tơng tính theo công thức (2) (3) (Nguyen cộng 2015) = =( ) (Pa) (2) (Pa.s/m) (3) Trong đó, R h bán kính chiều cao xi lanh thép Tốc độ quay (vịng/giây) Hình Xác định thông số ma sát hỗn hợp bê tơng Thời gian (giây) Hình Biểu đồ tốc độ quay xi lanh thép 2.3 Chuẩn bị bảo dưỡng mẫu Hỗn hợp bê tông trộn đều, sau đo độ sụt thông số ma sát đúc mẫu để đánh giá cường độ nén Phương pháp chế tạo bảo dưỡng mẫu tuân theo tiêu chuẩn TCVN 3118-2012 Mẫu đúc khn thép, hình lập phương kích thước 15 cm Sau 24 giờ, tiến hành tháo khuôn tiếp tục bảo dưỡng mẫu độ ẩm tương đối 95-100% đến ngày thử nén mẫu Với loại vật liệu, cường độ nén xác định tổ ba mẫu tuân theo TCVN 3118-2012 Kết thảo luận Khi sử dụng tro trấu để thay xi măng, muốn giữ nguyên hàm lượng nước sử dụng mà độ sụt không giảm cần phải sử dụng phụ gia hóa dẻo Thật vậy, tro trấu loại vật liệu hút nước Đặc tính đặc điểm cấu trúc tro trấu Chúng có cấu trúc dạng tổ ong khiến diện tích riêng bề mặt lớn Hàm lượng tro trấu sử dụng nhiều lượng phụ gia yêu cầu để đảm bảo khả công tác bê tơng cao Ngồi ra, tro trấu sử dụng nghiên cứu thu hoạch từ bếp đun hộ gia đình, khơng qua khâu sơ chế Tro trấu có màu đen, kích thước hạt lớn, chứng tỏ hàm lượng cacbon chưa cháy hết cao Chính điều làm tăng nhu cầu nước hay phụ gia hóa dẻo tro trấu Hình thể mối quan hệ mô men xoắn tốc độ quay loại bê tông chứa hàm lượng tro trấu khác Với ba loại bê tông nghiên cứu, mơ men xoắn tốc độ quay có mối quan hệ tuyến tính, với hệ số R2 gần Như hồn tồn áp dụng mơ hình dịng chảy Bingham với loại bê tơng Từ thông số T k, sử dụng hai công thức (2) (3) trên, ta tính ngưỡng trượt số nhớt Hai thông số ma sát ba loại bê tông cho Bảng Mô men xoắn (N.m) Nhận thấy rằng, ngưỡng trượt số nhớt bê tơng có xu hướng giảm xuống tăng hàm lượng tro trấu sử dụng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, ba loại bê tông sử dụng hàm lượng phụ gia khác Như thay đổi tính chất ma sát hệ phần từ việc sử dụng phụ gia hóa dẻo phần việc sử dụng tro trấu Để kết luận xác tác động tro trấu tới thông số ma sát bê tơng, cần khảo sát nhiều mẫu Có thể cố định hàm lượng phụ gia dùng mẫu bê tơng để đánh giá cụ thể ảnh hưởng thành phần (phụ gia, tro trấu) Điều thực đề tài nghiên cứu 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 y = 0.5171x + 0.035 R² = 0.9989 0% tro 5% tro y = 0.4417x + 0.0357 R² = 0.9979 15% tro y = 0.2646x + 0.0144 R² = 0.9681 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Tốc độ quay (vịng/giây) 1.6 1.8 Hình Ảnh hưởng hàm lượng tro sử dụng tới tính chất ma sát bê tông Bả ̉ ng Thông số ma sát loại bêtông Mẫu bê tông Độ sụt (cm) 0% 5% 15% 11 16 Ngưỡng trượt 0 (Pa) 19.8 20.2 8.2 Hằng số nhớt (Pa.s/m) 880.7 761.5 450.7 Cường độ nén (MPa) 60 50 40 30 20 10 28 56 Tuổi bê tơng (ngày) Hình Ảnh hưởng hàm lượng tro sử dụng tới cường độ nén bê tông Sự phát triển cường độ nén mẫu bê tơng theo thời gian thể Hình Cường độ nén bê tông tăng theo thời gian bảo dưỡng Với mẫu chuẩn, cường độ ngày 28 ngày đạt 73% 79% cường độ mẫu 56 ngày tuổi Thật vậy, ta biết bảo dưỡng tốt, nước ln sẵn sàng để xi măng thủy hóa, cường độ bê tông tiếp tục tăng tới hàng năm sau Riêng với loại bê tông chứa hàm lượng tro trấu 15%, cường độ tăng vọt từ đến 28 ngày Cường độ ngày tuổi đạt 5% 28 ngày tuổi đạt 72% so với cường độ 56 ngày tuổi Có vẻ như, cường độ bê tông không phát triển ngày đầu Nguyên nhân hàm lượng phụ gia hóa dẻo sử dụng lớn, vượt ngưỡng dẫn nhà sản xuất Riêng với mẫu bê tơng chứa tro (5%) tăng cường độ theo thời gian không quan sát thấy rõ Ngoài 28 ngày, ta thấy mẫu bê tông không chứa tro trấu mẫu bê tơng chứa 5% tro trấu có cường độ tương đương Trong cường độ mẫu chứa 15% tro trấu đạt khoảng 45% cường độ hai mẫu bê tơng cịn lại Ở 56 ngày tuổi, cường độ mẫu bê tông 5% mẫu bê tông 15% đạt 77% 50% so với mẫu chuẩn Tuy nhiên, mẫu bê tông chứa 5% tro đạt mác 40 Kết luận Bài báo trình bày khả sử dụng tro trấu, loại phế thải nông nghiệp địa bàn địa phương sản phẩm để thay xi măng Kết cho thấy, sử dụng tro trấu thay xi măng, để đảm bảo khả công tác bê tông mà không thay đổi hàm lượng nước, cần sử dụng thêm phụ gia hóa dẻo Nhu cầu sử dụng phụ gia hóa dẻo tăng hàm lượng tro trấu thay Ngồi ra, với mẫu bê tơng thực nghiên cứu này, thông số ma sát cải thiện tro trấu phụ gia sử dụng Cường độ nén mẫu bê tông tăng theo thời gian, đặc biệt với mẫu chứa 15% tro Tất bê tơng chứa tro trấu có cường độ nén giảm so với mẫu chuẩn Tuy nhiên, mẫu chứa 5% tro trấu đạt bê tông mac 40 Nhiều nghiên cứu cần thực để hiểu rõ ảnh hưởng tro trấu đến tính chất khác bê tông Đồng thời, nhiều biện pháp khác áp dụng để nâng cao hoạt tính tro trấu (như tăng độ mịn, giảm hàm lượng cacbon dư, …) Tài liệu tham khảo Mehta, P.K., 2002 Greening of the Concrete Industry for Sustainable Development Concrete International 24(7), 23-28 Mehta, P.K., 1994 Rice husk ash - a unique supplementary cementing material In: Advances in Concrete Technology (2nd edition), 419-444 Hooton R.D., Bickley J.A., 2014 Design for durability: The key to improving concrete sustainability Construction & Building Materials 67 part C, 422-430 Swamy, R.N., 1986 Cement Replacement Materials In: Concrete Technology and Design, Vol FAO, 2014 Rice market monitor, http://www.fao.org/3/a-i4294e.pdf Nguyễn Thế Dương, Phạm Quang Nhật, Vũ Văn Nhân, , 2015 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng phụ gia, tỷ lệ C/(C+Đ) thời gian đến tính chất ma sát lưu biến số bê tông thương phẩm Báo cáo đề tài NCKH cấp trường, 12/2015, Đại học Duy Tân ... Tất bê tơng chứa tro trấu có cường độ nén giảm so với mẫu chuẩn Tuy nhiên, mẫu chứa 5% tro trấu đạt bê tông mac 40 Nhiều nghiên cứu cần thực để hiểu rõ ảnh hưởng tro trấu đến tính chất khác bê tông. .. mẫu bê tơng chứa tro (5%) tăng cường độ theo thời gian không quan sát thấy rõ Ngoài 28 ngày, ta thấy mẫu bê tông không chứa tro trấu mẫu bê tông chứa 5% tro trấu có cường độ tương đương Trong cường. .. 20 10 28 56 Tuổi bê tơng (ngày) Hình Ảnh hưởng hàm lượng tro sử dụng tới cường độ nén bê tông Sự phát triển cường độ nén mẫu bê tông theo thời gian thể Hình Cường độ nén bê tông tăng theo thời