II. Cơ sở khoa học của việc thay thế Cát bằng Tro bay
2.3.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng Tro bay ở Việt Nam
Ở Việt Nam chỉ tính riêng các nhà máy nhiệt điện của miền Bắc mỗi năm đã thải ra khoảng 800.000 tấn tro xỉ, trong đó nhà máy nhiệt điện Phả Lại thải ra khối lượng lớn nhất khoảng 500÷550 tấn/năm. Nhiên liệu chủ yếu là than anthracite. Thành phần hạt của tro bay chủ yếu là cỡ hạt từ 13,5÷80µm. Tổng hàm lượng các ôxít SiO2, Al2O3, Fe2O3 khoảng 70÷75%, trong đó:SiO2 (48÷50%), Al2O3 (16÷
18%) và Fe2O3 (6÷8%). Theo các kết quả đã nghiên cứu, tro bay ở Việt Nam thuộc loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, qua kính hiển vi thấy có hơn 90% là các hạt nhỏ hình cầu. Tuy nhiên, lượng than chưa cháy còn rất lớn, lượng MKN còn tới 25
khoảng 12 - 15%. Qua một số thử nghiệm cho thấy tro bay Phả Lại sau khi tuyển nổi có lượng mất khi nung nhỏ hơn 6%, chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng từ 85 - 90%. Tại gần nhà máy nhiệt điện Phả Lại đã có một dây chuyền tuyển tro bay theo phương pháp thủ công với công suất 100.000 tấn/năm. Tuy nhiên do nhu cầu sử dụng còn rất ít, nên chưa phát huy hết công suất.
Đối với nước ta, hiện nay hàng năm các nhà máy nhiệt điện thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay và dự kiến vào năm 2020 là khoảng 2,3 triệu tấn. Phần lớn lượng tro bay thải ra hiện vẫn còn nằm ở các bãi chứa, lấp các hồ nước, bãi sông, đất ruộng, chiếm nhiều diện tích và gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu, áp dụng các giải pháp xử lý và sử dụng tro bay nhiệt điện để giảm tối đa khối lượng cần phải tồn chứa và những ảnh hưởng xấu của chúng đến môi trường đất, nước, không khí và sức khoẻ con người là rất cần thiết. Với mục đích là tận dụng phế thải, bảo vệ môi trường, đến nay, các nhà khoa học nước ta đã đạt được những kết quả nhất định trong nghiên cứu sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng, bê tông,vật liệu xây dựng, v.v... nhưng việc ứng dụng còn rất hạn chế. Tro bay của Việt Nam có nhược điểm là hàm lượng than chưa cháy cao, hoạt tính thuỷ lực thấp nên trên thực tế chưa có nhà máy nào sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng trừ các nhà máy xi măng liên doanh, nhưng lại sử dụng tro bay nhập ngoại. Hiện nay, tro bay của các nhà máy nhiệt điện dùng than trừ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại được khai thác, xử lý chủ yếu là để làm nhiên liệu nung vôi, gạch với khối lượng không lớn. Riêng tro bay Phả Lại, do hàm lượng than chưa cháy thấp hơn, khó sử dụng làm nhiên liệu đốt nên tồn đọng càng nhiều.[7], [15]
Trong những năm qua đã có một số cơ quan đơn vị nghiên cứu sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam để sản xuất vật liệu xây dựng trong đó có Bê tông khí chưng áp. Tuy nhiên kết quả vẫn chỉ dừng lại ở mức sản xuất thử nghiệm, ví dụ như Cty CP Bê tông khí Viglacera đã sản xuất thử vào năm 2011.
PHẦN II: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG
3.1. Các phương pháp nghiên cứu dùng trong thực nghiệm 3.1.1. Các phương pháp tiêu chuẩn
a. Xác định khối lượng thể tích theo TCVN 7959-2011
Xác định tỷ số giữa khối lượng và thể tích đo của chính mẫu đó.
Mẫu thử bao gồm 3 viên mẫu được cắt ở 3 vị trí khác nhau. Trên, giữa, đáy cùng một viên gạch. Sấy mẫu thử ở nhiệt độ (105±5)0C đến khối lượng không đổi. Dùng thước lá đo kích thước từng viên mẫu ở 3 vị trí khác nhau: Đầu, giữa và cuối. Kích thước mỗi chiều là giá trị trung bình cộng của 3 lần đo kích thước theo chiều đó. Kích thước được tính chính xác tới 0,5 mm và thể tích (V) được xác định chính xác đến 1 cm3. Cân khối lượng từng viên mẫu sau sấy khô (m), chính xác tới 1 g. Khối lượng thể tích khô của từng viên mẫu (γv), tính bằng kg/m3, là tỷ số giữa khối lượng viên mẫu sau khi sấy khô (m) và thể tích tính được của viên mẫu đó (V). Kết quả cuối cùng là giá trị trung bình cộng của 3 viên mẫu, chính xác tới 1 kg/m3.
b. Xác định cường độ nén theo TCVN 7959-2011
Xác định tải trọng phá hủy một đơn vị diện tích chịu lực của viên mẫu. Mẫu thử bao gồm 3 viên mẫu được cắt ở 3 vị trí khác nhau: Trên, giữa, đáy của mỗi viên gạch.
Mẫu thử có độ ẩm phải nhở hơn 15% nếu độ ẩm lớn hơn phải sấy ở nhiệt độ (70±5)0C.
Đo kích thước từng viên mẫu chinhs xác tới 1mm. Đặt từng viên mẫu lên thớt nén được truyền theo phương vuông góc và với phương trương nở khi chế tạo gạch.
Cấp độ chụ nén, tốc độ gia tải đối với mẫu với cấp cường độ nén B4 là: 0,10 Mpa trong một giây.
Cường độ nén (R) của mẫu lập phương cạnh 100 mm, được tính bằng Mpa theo công thức sau:
R = α.F/A Trong đó:
F là tải trọng lớn nhất ghi được khi bị mẫu phá hủy, tính bằng Niuton. A là diện tích bề mặt chịu nén, tính bằng milimet vuông.
α là hệ số tính đổi kết quả thử cường độ nén của các viên mẫu bê tông có độ ẩm chuẩn (10%).
c. Xác định độ co khô theo TCVN 7959-2011
Độ co khô của bê tông khí chưng áp là hiệu số thay đổi chiều dài của mẫu thử bê tông khí chưng áp ở trạng thái độ ẩm 30% và 6% được xác định theo TCVN 7959 – 2011. Trình tự tiến hành như sau:
- Mẫu thử có kích thước 40x40x160mm được sấy khô ở nhiệt độ 105 ± 5o C đến khối lượng không đổi. Xác định khối lượng viên mẫu (mo).
- Dùng keo gắn chặt đầu đo vào hai đầu chiều dài viên mẫu. Xác định khối lượng của viên mẫu khô có hai đầu đo và keo gắn (m1).
- Mẫu thử được làm ẩm trước đến độ ẩm lớn hơn 30%. Sau đó mẫu thử được bảo quản trong túi nilon kín ở nhiệt độ 27 ± 2o
C ít nhất 24 giờ để có được độ ẩm đồng đều.
- Tháo mẫu ra khỏi túi nilon và xác định khối lượng ở trạng thái ẩm (m2). Nếu độ ẩm của mẫu nhỏ hơn 30% thì phải làm ẩm lại mẫu thử.
- Làm sạch đầu đo và đưa từng viên mẫu vào dụng cụ để xác định chiều dài ban đầu (lo). Cần thao tác nhanh để hạn chế mất ẩm của mẫu khi đo.
- Đặt mẫu thử vào tủ khí hậu có nhiệt độ 27 ± 2oC và độ ẩm tối thiểu của không khí là 45%. Sau mỗi khoảng thời gian nhất định (khoảng 5 giờ) lấy mẫu ra để xác định thay đổi chiều dài và độ ẩm của mẫu thử. Lần đo cuối cùng, mẫu phải có độ ẩm dưới 4%. Ít nhất có 5 lần xác định thay đổi chiều dài và độ ẩm như vậy.
1 Wi i .100 o m m m − = Trong đó:
Wilà độ ẩm của viên mẫu, (%)
mo là khối lượng viên mẫu ở trạng thái khô, (g)
m1 là khối lượng viên mẫu khô có 2 đầu đo và keo gắn, (g)
mi là khối lượng viên mẫu thử ở trạng thái ẩm thứ i ( i= 2; 3; 4; 5; 6…) có cả 2 đầu đo và keo gắn, (g)
Tính thay đổi chiều dài viên mẫu ở mỗi lần đo thứ i theo công thức sau:
.100 o i i o l l l ε = − Trong đó:
εilà thay đổi chiều dài viên mẫu ở lần đo thứ i, (%)
lo là chiều dài ban đầu của mẫu ngay sau khi lấy ra khỏi túi nilon, (mm) lilà chiều dài mẫu ở lần đo thứ i, (mm)
Độ co khô: ε = ε6 – ε30
3.1.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn
a. Xác định thành phần khoáng bằng nhiễu xạ tia X (XRD)
a1. Mục đích, ý nghĩa phương pháp
Phương pháp này cho phép xác định thành phần khoáng có trong mẫu bê tông khí, để kiểm chứng cường độ của mẫu bê tông khí.
a2. Nguyên lý phép đo
Xét một chùm tia X có bước song λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới λ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn λ, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là: λ
Ở đây, λ là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,. . .
Đây là định luật Vulf - Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.
Hình 3.1: Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể
Khi hai sóng rọi vào nguyên tử (có nhiều điện tử) mà chúng bị tán xạ bởi điện tử theo hướng tới. Hai sóng phản xạ theo hướng tới cùng pha tại mặt phẳng tới vì chúng có cùng quãng đường đi trước và sau tán xạ. Nếu cộng hai sóng này sẽ được một sóng có cùng bước sóng nhưng có biên độ gấp đôi. Các sóng tán xạ theo các hướng khác sẽ không cùng pha tại mặt sóng nếu hiệu quang trình không bằng một số nguyên lần bước sóng. Nếu ta cộng hai sóng này thì biên độ sẽ nhỏ hơn biên độ sóng tán xạ theo hướng tới.
Như vậy, các sóng tán xạ từ mỗi nguyên tử sẽ giao thoa với nhau, nếu cácsóng cùng pha thì xuất hiện giao thoa tăng cường, nếu lệch pha 1800
thì giao thoa triệt tiêu.
b. Chụp ảnh cấu trúc bằng máy ảnh kỹ thuật số D700
Phương pháp chụp cấu trúc nhằm mục đích quan sát cấu trúc lỗ xốp, hình dạng và sự phân bố lỗ xốp.
Máy ảnh D700 xuất sứ Thái Lan có độ nét và độ phân giải cao. Mẫu bê tông khí được phá vỡ một cách tự nhiên sau đó dùng khối vỡ đó đem chụp và điều chỉnh máy ảnh sao cho cấu trúc được hình ảnh rõ nét nhất.
3.2. Đặc điểm, tính chất các nguyên vật liệu sử dụng
3.2.1. Xi măng
Xi măng sử dụng trong đề tài là xi măng PC40 Xuân Thành. Xi măng là vật liệu đóng vai trò chất kết dính trong hỗn hợp bê tông cùng với phụ gia khoáng hoạt tính.
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm xi măng STT Đặc tính Phương pháp thử Đơn vị Quy định theo tiêu chuẩn Kết quả 1 Độ nghiền mịn TCVN 4030:2003 % ≤ 15 2.6 2 Tỷ diện tích Phương pháp Blaine cm 2 /g ≥ 2700 3458
3 Lượng nước tiêu
chuẩn TCVN 4031:1985 % 29
4 Độ ổn định thể tích TCVN 6017:1995 Mm ≤ 10 1.5
5
Thời gian đông kết
TCVN 6017:1995 - Bắt đầu Phút ≥ 45 120 - Kết thúc Phút ≤ 375 165 6 Giới hạn bền nén TCVN 6016:1995 N/mm2 - Sau 3 ngày ≥ 21 26.56 - Sau 28 ngày ≥ 40 42.12
7 Khối lượng riêng TCVN 4030:2003 g/cm3 3.12
8 Khối lượng thể tích TCVN 4030:2003 kg/m3 1030
Nhận xét:
Tính chất kỹ thuật của xi măng đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật theo TCVN làm chất kết dính để chế tạo vữa trong bê tông khí.
3.2.2. Vôi
Vôi sử dụng cho đề tài được lấy tại nhà máy Viglacera - Yên Phong Bắc Ninh. ết quả thí nghiệm tốc độ và nhiệt thủy hóa của vôi như sau:
Bảng 3.2: Quan hệ giữa tốc độ tôi vôi và nhiệt độ tôi vôi
Thời gian
(phút) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Nhiệt độ
(OC) 25 35 42 50 55 60 65 68 72 76 78 79 80 81
Bảng 3.3: Tính chất kỹ thuật của vôi
STT Thông số Tiêu chuẩn Thực tế Kết quả
1 Màu sắc Trắng Trắng Đạt
2 Lượng CaO hoạt tính >85% 87 Đạt
3 Tốc độ tôi, phút 5 – 8 phút 5,5 Đạt
4 Nhiệt độ tôi, 0
C 65 – 80 0C 79 Đạt
5 Độ mịn, % trên sàng 0,0075 8
6 Khối lượng riêng, g/cm3
2,78 7 Khối lượng thể tích, kg/m3
700
3.2.3. Cát
Cát nghiền mà đề tài sử dụng nghiên cứu được lấy từ Công ty CP Bê tông khí Viglacera – Yên Phong – Bắc Ninh ở dạng hồ có thành phần hóa như sau:
Bảng 3.4: Thành phần hóa của cát
SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O TiO2 MKN
3.2.4. Tro bay
Đề tài sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại.Tro bay SCL – FLY ASH được cung cấp bởi công ty Cổ phần Sông Đà Cao Cường, là tro bay loại F, có độ ẩm ≤ 3%, độ mịn 3000 – 4000 cm2
/g.
Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay như sau:
Bảng 3.5: Thành phần hóa của tro bay Phả Lại
Thành phần SiO 2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 MKN Yêu cầu (%) ≥ 45 10÷30 < 10 < 5 < 2 < 2 < 2 < 3 < 5 Thực tế (%) 58,4 25,1 7,2 0,7 1,2 0,4 4,4 0,05 6,1 3.2.5. Thạch cao
Thạch cao sử dụng cho đề tài được lấy tại nhà máy Viglacera - Yên Phong – Bắc Ninh (thạch cao Việt - Lào).
Thạch cao có các đặc tính và thông số như bảng 3.6:
Bảng 3.6: Kết quả thông số của thạch cao.
STT Thông số Tiêu chuẩn Thực tế
1 CaSO4 >70% 92% 2 SO3 >40% 46% 3 MgO <2% 1,6% 4 Ion Cl- <0,05% 0,02% 5 Độ ẩm <5% 3,8% 5 Sót sàng No009 <10 - 15% 8%
3.2.6. Nước
− Độ pH từ 5-7.
− Hàm lượng Na2O và K2O < 0,5%.
3.2.7. Bột nhôm
Đề tài sử dụng bột nhôm của Nhật lấy tại Công ty Cổ phần bê tông khí Viglacera có các thông số kĩ thuật như sau:
Bảng 3.7: Các thông số kĩ thuật của bột nhôm
Thành phần Yêu cầu Thực tế
Hàm lượng Al hoạt tính ≥ 90%. 95%
Sót sàng No008 < 3% 1,4%
Tốc độ phản ứng ≤ 30 phút 21 phút
3.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông khí chưng áp
Mục đích của việc thiết kế cấp phối bê tông khí là phải chọn được tỷ lệ phối hợp các vật liệu thành phần để chế tạo được bê tông có khối lượng thể tích và cường độ đã định.
Trên cơ sở tham khảo các phương pháp thiết kế cấp phối và cấp phối bê tông khí được sử dụng phổ biến cùng với việc tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Nước/Rắn (N/R) đến độ chảy của vữa bê tông khí, từ đó xác định được cấp phối hợp lý theo các mác bê tông khí cần thiết kế.
3.3.1. Phương pháp thiết kế cấp phối
3.3.1.1. Tính toán lượng dùng vật liệu cho 1m3
a. Xác định tỷ lệ cấu tử C = SiO2/CKD (tính theo khối lượng) của hỗn hợp bê tông
Bảng 3.8: Xác định tỷ lệ C = SiO2/CKD của hỗn hợp bê tông
Chất kết dính
Tỷ lệ C Bê tông gia công nhiệt
avtoclav
Bê tông không gia công nhiệt
Xi măng và XM-Vôi 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2 0,75; 1; 1,25
Vôi 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6 -
Vôi – Belit 1; 1,25; 1,5; 2 -
Vôi - xỉ 0,6; 0,8; 1 0,6; 0,8; 1
Tro kiềm cao 0,75; 1; 1,25 -
Xỉ kiềm 0,1; 0,15; 2 -
b. Xác định lượng nước với tổng lượng dùng vật liệu khô
Tỷ lệ N/R được xác định sao cho hỗn hợp vữa có độ chảy thích hợp được thể hiện qua độ chảy của vữa xác định bằng nhớt kế suttard. Nhớt kế Suttard gồm một ống trụ thép mạ niken cao 100mm đường kính 5mm. Hỗn hợp cần tạo rỗng được đổ đầy ống trụ, sau đó nhấc lên. Vữa sẽ chảy thành hình bánh đa có đường kính trung bình phụ thuộc vào độ chảy của vữa. Dùng thước đo hai đường kính vuông góc với nhau lấy giá trị trung bình dtb = 1 2
2
d +d
gọi là độ chảy của vữa. Có thể chọn theo bảng 3.9:
Bảng 3.9: Độ chảy của hỗn hợp vữa
c. Xác định lượng dùng chất tạo rỗng PCTR:
- Tính độ rỗng hay thể tích rỗng trong đơn vị thể tích hỗn hợp bê tông khí theo công thức:
Trong đó: Là KLTT ở trạng thái khô (tấn/m3 )
kc: Hệ số kể đến lượng nước liên kết hóa học với tổng thành phần rắn ở trạng thái