Nghiên cứu sử dụng tro bã mía để thay thế một phần xi măng trong sản xuất bê tông

Trong bài báo này, chúng tôi muốn đề cập đến việc sử dụng tro bã mía để thay thế xi măng trong quá trình sản xuất bê tông nhằm nâng cao chất lượng bê tông và giảm ô nhiễm môi trường. Bã mía sau khi được làm sạch sấy khô và nung ở 750o C trong khoảng thời gian 3h thì tạo thành tro bã mía.

Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 77-83 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO BÃ MÍA ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG TRONG SẢN XUẤT BÊ TÔNG Nguyễn Đức Minh Khoa Khoa học bản, Trường Đại học Quảng Bình Tác giả liên hệ: minhnd@quangbinhuni.edu.vn Lịch sử báo Ngày nhận: 17/09/2020; Ngày nhận chỉnh sửa: 08/10/2020; Ngày duyệt đăng: 22/04/2021 Tóm tắt Trong báo này, muốn đề cập đến việc sử dụng tro bã mía để thay xi măng q trình sản xuất bê tơng nhằm nâng cao chất lượng bê tông giảm ô nhiễm môi trường Bã mía sau làm sấy khơ nung 750oC khoảng thời gian 3h tạo thành tro bã mía Kết phân tích tro bã mía phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) cho thấy số chất có hàm lượng cao SiO2 24,4%, K2O 36,18% CaO 14,98% Trong nghiên cứu này, tỉ lệ thay xi măng tro bã mía 0%, 2,0%, 4,5%, 6,5%, 9,0%, 11,5% 13,5% Kết cho thấy với tỉ lệ thay xi măng tro bã mía khác làm tăng cường độ nén bê tơng sau 28 ngày, tỉ lệ 4,5% cho cường độ nén cao (74 N/mm2) tăng 3,5 lần so với mẫu khơng sử dụng tro bã mía để thay xi măng Từ khóa: Bê tơng, cường độ nén, tro bã mía STUDYING THE USE OF BAGASSE ASH AS PARTIAL REPLACEMENT OF CEMENT IN CONCRETE PRODUCTION Nguyen Duc Minh Faculty of General sciences, Quang Binh University Corresponding author: minhnd@quangbinhuni.edu.vn Article history Received: 17/09/2020; Received in revised from: 08/10/2020; Accepted: 22/04/2021 Abstract In this study, we present the use of bagasse ash to partially replace cement in concrete production to improve concrete quality and reduce environmental pollution Sugar cane bagasse was cleaned and dried at 750oC for hours for bagasse ash afterwards On analysing bagasse ash by X-ray fluorescence method (XRF), it showed that the high contents of SiO2, K2O and CaO were 24.4%, 36.18% and 14.98%, respectively This study replaced cement with bagasse ash of 0.0, 2.0, 4.5, 6.5, 9.0, 11.5 and 13.5 %, respectively The results indicate that the compressive strength of concrete after 28 days increased with different rates of bagasse ash replacement, of which the 4.5% replacement gave the highest compressive strength (74 N/mm2), i.e increasing 3.5 times compared with 100% cement concrete Keywords: Concrete, compressive strength, bagasse ash DOI: https://doi.org/10.52714/dthu.10.3.2021.870 Trích dẫn: Nguyễn Đức Minh (2021) Nghiên cứu sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tơng Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, 10(3), 77-83 77 Chuyên san Khoa học Tự nhiên Giới thiệu Ngày nay, nhu cầu sử dụng xi măng ngày phổ biến tăng mạnh Trong năm 2018, lượng xi măng sản xuất nước ta ước khoảng 80 triệu Trong trình sản xuất xi măng, lượng lớn khí CO2 thải mơi trường, gây nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính tượng nóng lên tồn cầu Một số báo cáo cho khoảng 5% tổng phát thải khí nhà kính tồn cầu q trình sản xuất xi măng (Shafiq cs., 2016) Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm vật liệu thay cho xi măng khơng làm thay đổi tính chất ưu tiên hàng đầu nước Một số loại vật liệu được đề xuất để thay phần xi măng tro bay, tro trấu, xỉ, cao lanh (Nguyễn Công Thắng, 2013; Ngọ Văn Toản, 2014) Bên cạnh đó, xi măng lại thành phần bê tơng góp phần tạo đơng kết cho bê tơng Do đó, q trình sản xuất bê tơng ta thay phần xi măng loại vật liệu khác không làm thay đổi khả chịu lực, độ nén bê tông không gây ảnh hưởng đến môi trường xu hướng mà nhiều nhà khoa học quan tâm Bã mía chất thải phổ biến, có giá trị thấp thường sử dụng để làm chất đốt, sản xuất lượng nhỏ ancol, lên men làm thức ăn chăn nuôi gia súc hay để phân hủy tự nhiên (Nguyễn Thị Thu Phương, 2018; Phương Thanh Vũ cs., 2015) Trong bã mía chứa lượng lớn cacbohydrat số chất vơ Khi nung nóng từ 700 - 900oC, bã mía chuyển thành tro với thành phần chủ yếu gồm SiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, SO3 thành phần SiO2 chiếm khoảng 75% Với thành phần vậy, chúng tương đồng với thành phần xi măng làm nguyên liệu thay tốt cho xi măng Tại Việt Nam, sản lượng mía hàng năm đạt khoảng 20 triệu thải lượng bã mía lớn Tuy nhiên cịn cơng trình nghiên cứu việc sử dụng tro bã mía Nguyễn Thị Thu Phương (2018) nghiên cứu sử dụng 78 tro bã mía sản xuất gạch Ceramic cho rằng, thay felspat (20%) tro bã mía khơng thay đổi tiêu nghiên cứu gạch Ceramic Bên cạnh đó, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu tro bã mía việc sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng (Lathamaheswari cs., 2017; Gopi, 2017) Lathamaheswari cs (2017) nghiên cứu để sử dụng tro bã mía thay phần xi măng bê tông kết cho thấy tỉ lệ tro bã mía thay cho xi măng với 7,5% cho chất lượng bê tông tốt Tuy nhiên, Otoko (2014) lại cho tỉ lệ thay tro bã mía xi măng 2% cho cường độ nén cao Như vậy, thành phần tro bã mía định đến tỉ lệ thay xi măng % phù hợp Do đó, cần xem xét việc sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tông nhằm đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ tro bã mía thay chất lượng bê tông Vật liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu - Tro bã mía: Bã mía sau thu gom quán nước mía địa bàn thành phố Đồng Hới nung lị nung để thu tro bã mía Thành phần hóa học tro bã mía thể Bảng Bảng Thành phần hóa học tro bã mía STT 10 11 Thành phần SiO2 Fe2O3 MnO MgO CaO K2O P2O5 SO3 PbO ZnO CuO Hàm lượng % 24,4 2,42 0,75 4,24 14,98 36,18 3,4 8,25 0,3 0,68 0,075 - Xi măng: Xi măng sử dụng đề tài xi măng Pooc lăng sơng Gianh PCB 40 Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 77-83 mua cửa hàng bán vật liệu xây dựng thành phố Đồng Hới Xi măng sơng Gianh PCB 40 có số tiêu lý như: Cường độ nén sau 72h ± 45 phút ≥ 20 N/mm2 sau 28 ngày ± 45 phút ≥ 44 N/mm2; Thời gian đông kết bắt đầu ≥ 100 phút kết thúc ≥ 360 phút; Độ nghiền mịn phần lại sàn 0,09 mm ≤ 4,0 bề mặt riêng ≥ 3200 Bảng Thành phần hóa học xi măng sông Gianh PCB 40 STT Thành phần SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 K 2O Na2O Hàm lượng % 19-25 % 2-9 % 62-67 % 1-5 % 0-3 % 1-3 % 0,6 % 0,2% - Đá dăm: Sử dụng loại đá dăm Quảng Bình theo TCVN với kích thước đá 10 mm - 20 mm khối lượng riêng 2,67 g/cm3 - Cát: Sử dụng loại cát tự nhiên có modun độ lớn từ đến Đây loại cát vàng lấy từ sông khe suối Quảng Bình có khối lượng riêng cát 2,65 g/cm3 - Nước: Sử dụng nước máy sinh hoạt Các nguyên liệu phối trộn theo tỉ lệ thể Bảng Bảng Tỉ lệ thành phần bê tông Mẫu Tro bã Xi mía măng (cm3) (cm3) Cát (cm3) Đá dăm (cm3) Nước (ml) 1100 2200 3300 700 25 1075 2200 3300 700 50 1050 2200 3300 700 75 1025 2200 3300 700 100 1000 2200 3300 700 125 975 2200 3300 700 150 950 2200 3300 700 - Khuôn đúc: Khuôn đúc có dạng hình lập phương với kích thước khn 150x150x150 mm - Máy phân tích huỳnh quang tia X S4 -Piooner hãng Bruker - Đức Viện Địa chất thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam - Máy thử nghiệm bê tông: Cường độ nén bê tông đo Trung tâm Kỹ thuật đo lường thử nghiệm Quảng Bình 2.2 Phương pháp nghiên cứu Q trình sử dụng tro bã mía để thay xi măng sản xuất bê tông tiến hành sau: Bã mía Băm nhỏ, phơi khơ Nung 750 oC, 3h Tro bã mía Bê tơng Khn gỗ 150x150x150 mm Trộn xi măng + tro + cát + đá dăm + nước Thay xi măng theo tỉ lệ Hình Quy trình chế tạo bê tơng tro bã mía thay phần xi măng Trong phạm vi báo này, tiến hành làm thực nghiệm qua giai đoạn Giai đoạn (Q trình nung bã mía thành tro): Bã mía sau thu gom quanh khu vực Đồng Hới rửa sạch, băm nhỏ phơi khơ Sau tham khảo điều kiện nhiệt độ 79 Chuyên san Khoa học Tự nhiên thời gian nung từ báo cơng bố cho bã mía phơi khơ vào lị nung nung Hình Bã mía với nhiệt độ 750oC khoảng thời gian 3h để thu tro bã mía Hình Tro bã mía Giai đoạn (Q trình tạo bê tơng): Tiến hành định lượng tro bã mía trộn với xi măng theo tỉ lệ thể tích thay xi măng tro bã mía là: 0%, 2% , 4,5%, 6,5%, 9%, 11,5% 13,5% Sau chuẩn bị xong hỗn hợp xi măng tro bã mía, chúng tơi phối trộn ngun liệu (xi măng + tro bã mía, cát, đá dăm, nước) theo tỉ lệ sau: (hỗn hợp xi măng tro): cát: đá dăm: nước = 1: : : 0,64 Hỗn hợp sau trộn cho vào khn đúc có kích thước 150x150x150 mm bảo dưỡng mẫu bê tông thời gian tuần cách phủ lên bề mặt mẫu bê tông lớp bạt làm ẩm, không tác động lực học lên mẫu mẫu khô tưới nước hàng ngày Sau nung bã mía thành tro tiến hành xác định thành phần hóa học Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Đối với mẫu bê tông, sau khoảng thời gian 28 ngày, mẫu bê tông đánh giá cường độ nén Trung tâm Kỹ thuật đo lường thử nghiệm Quảng Bình thơng qua việc xác định diện tích chịu lực mẫu xác định tải trọng mẫu theo TCVN 3118:1993 Kết thảo luận 3.1 Thành phần tro bã mía Hình Phổ XRF tro bã mía 80 Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 77-83 Bã mía sau nung thành tro khoảng 19-25% xi măng, CaO chiếm tỉ lệ điều kiện nhiệt độ 750oC thời gian 3h cao 14,98% (thấp so với tỉ lệ CaO tiến hành xác định thành phần chất tro xi măng: 62-67%) tỉ lệ K2O 36,18% cao bã mía phương pháp huỳnh quang tia X nhiều so với tỉ lệ K2O xi măng (0,6%) (XRF) Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa K2O chất có khả tạo kết dính tốt cho học Cơng nghệ Việt Nam Kết phân tích bê tông nên với thành phần chiếm tỉ lệ cao thể Hình biểu diễn phổ huỳnh thuận lợi cho việc thay xi măng quang tia X (XRF) tro bã mía để xác định tro bã mía (Castaldelli cs., 2016) Như hàm lượng chất nhằm xem xét khả thay vậy, thấy tro bã mía phù hợp cho việc thay phần xi măng để sản xuất bê tông phần xi măng tro bã mía 3.3 Sản xuất mẫu bê tơng Dựa kết phân tích phổ huỳnh quang tia X, xác định thành phần chất có Chúng tiến hành sản xuất bê tông theo tro bã mía thể Bảng Tro bã tỉ lệ (Xi măng + tro bã mía): cát: đá dăm: nước mía có chứa 11 loại oxit khác nhau, hàm = : : : 0,64 Trong đó, tỉ lệ tro bã mía thay lượng K2O cao nhất, chiếm 36,18%, hàm lượng cho xi măng 0,0 %; 2,0 % ; 4,5 %; SiO2 24,4 % hàm lượng CaO 14,98% So 6,5 %; 9,0 %; 11,5 %; 13,5 % sánh với kết phân tích hàm lượng chất Hỗn hợp gồm xi măng, tro bã mía, cát, đá tro bã mía số báo quốc tế dăm nước sau trộn cho vào cơng bố hàm lượng SiO2 nhỏ hàm khn gỗ có kích thước 150x150x150 mm Các lượng K2O lại lớn nhiều (Lathamaheswari mẫu bê tơng sau tháo khn tưới cs., 2017) Điều cho thấy, với điều kiện nước bão dưỡng thời gian tuần Trong khí hậu thổ nhưỡng khác ảnh hưởng Hình hình ảnh mẫu bê tơng với tỷ đến thành phần chất tro bã mía lệ thay xing tro bã mía khác thu 3.2 Khảo sát điều kiện để thay xi sau 28 ngày Khi bê tông đông kết hồn măng sản xuất bê tơng tồn sau 28 ngày mang kiểm tra độ Sau xác định hàm lượng nén độ chịu lực chất tro bã mía (Bảng 1) so sánh với hàm lượng chất xi măng để đánh giá xem khả thay phần xi măng tro bã mía có phù hợp khơng Dựa vào thành phần hóa học chất có xi măng Pooclăng sông Gianh theo số liệu báo cáo Công ty Xi măng sông Gianh (Bảng 2) Tiến hành so sánh thành phần hàm lượng chất Bảng với Bảng cho thấy: tỉ lệ SiO Hình Các mẫu bê tơng tương ứng với tỉ lệ xi măng thay 24,4% nằm tro bã mía 81 Chuyên san Khoa học Tự nhiên 3.4 Ảnh hưởng tro bã mía đến chất lượng bê tông Sau 28 ngày, mẫu bê tông kiểm tra độ nén Trung tâm Kĩ thuật đo lường thử nghiệm Quảng Bình Cường độ nén bê tông đo lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu kết thể Bảng Hình tỏ chất lượng bê tơng tăng lên thay phần xi măng tro bã mía Ngun nhân cấu trúc hạt tro bã mía có tính xốp nên hút nước trình nhào trộn cung cấp nước để q trình thủy hóa xi măng xảy triệt để Bên cạnh đó, độ nén bê tơng đạt giá trị cao 74,33 N/mm2 tương ứng với tỷ lệ thay xi măng tro bã mía 4,5% Giá trị độ nén Bảng Độ nén bê tông tăng 3,5 lần so với Độ nén ( N/mm2) Tỉ lệ tro mẫu không sử dụng tro Mẫu bã mía RSD Trung Lần Lần Lần bã mía để thay xi (%) bình măng (20,83 N/mm 2) 0,0 21,0 20,5 21,0 20,83 1,39 Như vậy, tỉ lệ tro bã mía 2,0 46,0 46,0 46,5 46,17 0,63 thay xi măng tối ưu 4,5 74,0 74,5 74,5 74,33 0,39 4,5% 6,5 53,0 53,5 52,5 53,00 0,94 So sánh với kết 9,0 34,5 34,0 34,0 34,17 0,84 số đề tài 11,5 25,0 25,5 24,5 25,00 2,00 công bố tạp 13,5 26,5 27,0 26,0 26,50 1,88 chí uy tín quốc tế cho thấy độ chịu nén mẫu bê tông mà chúng tơi nghiên cứu có biến đổi lớn giá trị độ chịu nén cao hẳn Theo tác giả Otoko (2014) cường độ chịu nén mẫu bê tông đạt giá trị cao 59,75 N/mm2 tương ứng với tỷ lệ tro bã mía thay xi măng 2,0% Gopi (2017) lại cho độ nén đạt giá trị cao 57,64 N/ mm2 tương ứng với tỷ lệ thay tro bã mía xi măng 5% Nguyên nhân khác Hình Ảnh hưởng tỉ lệ % tro bã mía đến độ nén bê tơng kết nói có Từ kết thu Bảng Hình thể nói thành phần tro bã mía có cho thấy cường độ nén mẫu bê tơng có khác Bên cạnh đó, hàm lượng sử dụng tro bã mía có giá trị lớn so với K2O tro bã mía lớn ảnh hưởng đến chất mẫu khơng sử dụng tro bã mía Điều chứng lượng bê tông, làm tăng giá trị độ nén 82 Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 77-83 Với tỉ lệ SiO2/K2O tro bã mía 0,67 làm cho khả kết dính vật liệu tăng cao tăng độ nén cho bê tông Điều phù hợp với kết nghiên cứu Castaldelli cs (2016) cho tỉ lệ SiO2/K2O 0,75 tối ưu để làm tăng khả kết dính độ nén bê tơng Kết luận Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay phần xi măng tro bã mía sản xuất bê tông thu số kết luận sau: - Nung bã mía thành tro với điều kiện nhiệt độ 750oC thời gian 3h - Xác định thành phần hóa học có tro bã mía phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF) với hàm lượng K2O cao nhất, chiếm 36,18%, hàm lượng SiO2 24,4%, hàm lượng CaO 14,98% Với thành phần sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tơng - Sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tông tạo mẫu bê tông với tỉ lệ tro bã mía thay cho xi măng 0,0%; 2,0%; 4,5 %; 6,5%; 9,0%; 11,5%; 13,5% nhận thấy tỉ lệ thay để làm tăng độ nén bê tơng, với tỉ lệ tro bã mía thay xi măng 4,5% độ nén bê tơng đạt giá trị cao (74,33 N/ mm2) tăng 3,5 lần so với mẫu bê tơng khơng sử dụng tro bã mía để thay Như vậy, tỉ lệ tối ưu để thay xi măng ứng dụng sản xuất bê tông./ Tài liệu tham khảo Castaldelli, V N., Moraes, J C B., Akasaki, J L., Melges, J L P., Monzó, J., Borrachero, M V., Soriano, L., Payá, J and Tashima, M M (2016) Study of the binary system fly ash/sugarcane bagasse ash (FA/SCBA) in SiO2/K2O alkali-activated binders, Fuel, 174, 307-316 Gopi, T (2017) Effect of bagasse as concrete used as par, Technology, 8(1), 821-825 Lathamaheswari, R., Kalaiyarasan, V and Mohankumar, G (2017) Study on Bagasse Ash As Partial Replacement of Cement in Concrete, International Journal of Engineering Research and Developmentv, 13(1), 1-6 Ngọ Văn Toản (2014) Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn phụ gia khống hỗn hợp từ xỉ lị cao hoạt hóa tro trấu, Tạp chí Khoa học Công nghệ xây dựng, 4, 36-45 Nguyễn Công Thắng (2013) Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume tro bay sẵn có Việt Nam, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 15(3), 24-31 Nguyễn Thị Thu Phương (2018) Đặc tính tro bã mía sử dụng tro bã mía sản xuất gạch Ceramit, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, 45, 19-22 Otoko, G R (2014) Use of Bagasse Ash as Partial Replacement of Cement in Concrete, International Journal of Innovative Research and Development, 3, 285-289 Phương Thanh Vũ, Võ Vĩnh Trà Võ Thanh Lăm (2015) Nghiên cứu ứng dụng bã mía chế tạo vật liệu Boicomposite, Hội thảo KHCN trường đại học kỹ thuật lần thứ 46, 149-160 Shafiq, N., Hussein, A A E., Nuruddin, M F., and Al Mattarneh, H (2016) Effects of sugarcane bagasse ash on the properties of concrete, In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Engineering Sustainability, 171(3), 123-132 83 ... phần sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tơng - Sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tông tạo mẫu bê tông với tỉ lệ tro bã mía thay cho xi măng 0,0%; 2,0%; 4,5 %;... vậy, thành phần tro bã mía định đến tỉ lệ thay xi măng % phù hợp Do đó, cần xem xét việc sử dụng tro bã mía để thay phần xi măng sản xuất bê tông nhằm đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ tro bã mía thay chất... trình nghiên cứu việc sử dụng tro bã mía Nguyễn Thị Thu Phương (2018) nghiên cứu sử dụng 78 tro bã mía sản xuất gạch Ceramic cho rằng, thay felspat (20%) tro bã mía khơng thay đổi tiêu nghiên cứu