7. Những đóng góp khoa học mới của tác giả luận án
2.1. Cơ sở khoa học của việc sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than làm vật liệu xây
2.1.4. Lợi ích của việc sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than làm vật liệu xây dựng
dựng
Các lợi ích của việc sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm VLXD có thể được phân thành 3 loại lợi ích, đó là lợi ích kinh tế, lợi ích mơi trường và lợi ích xã hội.
- Lợi ích kinh tế:
Tro, xỉ NMNĐT có các đặc điểm tương tự như các vật liệu như xi măng, cát. Do đó tro, xỉ NMNĐT có thể được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm xây dựng (như tạo ra kết cấu bê tơng, đường, đập...). Tro, xỉ hiện nay có khối lượng lớn chưa sử dụng, chúng không nguy hại và không bị coi là phế thải khi được sử dụng trong các ứng dụng có lợi [100]. Tro bay là vật liệu có thành phần hóa học tương tự như xi măng portland và có thể thay thế một phần xi măng trong bê tông. Bê tông chứa tro bay được sử dụng rộng rãi trong nhà ở, cao ốc văn phòng, cầu, đường và đường cao tốc, các khối xây dựng và đường ống bê tông... Xỉ được sử dụng thay thế cho cát, sỏi hoặc cốt liệu đá vôi cho một số sản phẩm xây dựng và xây dựng, bao gồm khối bê tông, gạch đất sét và bê tơng nhựa. Việc thay thế một phần có thể sẽ làm giá thành sản phẩm.
Việc tái chế tro, xỉ NMNĐT thành các sản phẩm hữu ích có thể tiết kiệm hàng tỷ đồng mỗi năm, ví dụ như tro bay đáp ứng chất lượng bê tông theo tiêu chuẩn kỹ thuật, không chỉ có thể hạ giá thành xây dựng mà cịn thực sự cải thiện chất lượng
của thành phẩm. Khi không được tái chế, tro, xỉ phải được chôn lấp theo đúng quy định và các chi phí xử lý liên quan do đơn vị phát thải chịu. Tái chế tro, xỉ NMNĐT cũng tiết kiệm năng lượng vì tro, xỉ thay thế các sản phẩm cần năng lượng đáng kể để sản xuất (mỗi tấn tro bay có thể thay thế một tấn xi măng tiết kiệm được tương đương với gần một thùng dầu nhập khẩu). Việc thay thế tro, xỉ cho các sản phẩm như đá vôi, đất sét, cát và sỏi vừa làm giảm sự cạn kiệt, vừa làm giảm chi phí khai thác các nguồn tài nguyên tự nhiên (không vô hạn) này.
- Lợi ích mơi trường – Xã hội:
Tro, xỉ NMNĐT được tái chế dẫn đến giảm diện tích đất sử dụng cho việc làm bãi chôn lấp. Tái chế tro bay cũng có nghĩa là giảm phát thải các chất ơ nhiễm khơng khí do tạo ra các sản phẩm cạnh tranh như vôi và xi măng. Mỗi tấn tro bay được sử dụng để thay thế xi măng giúp tiết kiệm một lượng khí thải carbon dioxide (khí nhà kính). Điều đó cũng có nghĩa là ít các vấn đề mơi trường hơn, chẳng hạn như các vấn đề về nước mặt và nước ngầm, liên quan đến việc khai thác các vật liệu thô và khai hoang đất.
Ngoài việc cung cấp các phẩm chất kỹ thuật tốt, cũng như lợi ích kinh tế, việc tái chế tro, xỉ cịn mang lại nhiều lợi ích về mơi trường. Tro, xỉ là kết quả của việc sản xuất điện bằng cách đốt than làm nhiên liệu trong các nhà máy điện. Việc sản xuất tro than chỉ có thể tránh được bằng cách chuyển đổi các nguồn năng lượng điện sạch chính này sang các nhiên liệu thay thế đắt tiền hơn. Việc tăng cường sử dụng tro, xỉ với khối lượng lên tới hơn 13 triệu tấn ở nước ta mỗi năm [11], sẽ bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá đồng thời giảm bớt căng thẳng cho mơi trường.
- Năng lượng có thể được tiết kiệm bằng cách giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch cần thiết để sản xuất các sản phẩm cạnh tranh như xi măng, vôi và đá nghiền, và để khai thác các sản phẩm như thạch cao, đá vơi, cát, đất sét và sỏi. Ví dụ, tro bay được sử dụng để thay thế một tấn xi măng sẽ tiết kiệm nguyên liệu hóa thạch (như dầu) cần thiết để sản xuất xi măng. Xi măng và vôi là những vật liệu sử dụng nhiều năng lượng thứ ba được sản xuất trên cơ sở mỗi tấn, sau thép và nhôm.
và vôi. Đối với mỗi tấn tro bay được tái chế để thay thế xi măng và vôi, một tấn khí CO2 được tiết kiệm bằng cách giảm nhu cầu sản xuất xi măng và vôi [100].
- Ở nước ta hiện nay bãi thải của các nhà máy nhiệt điện đang hoạt động chiếm diện tích trên 700 hecta, dự kiến sau năm 2020 khi hầu hết các NMNĐT đi vào vận hành, tổng diện tích bãi thải theo thiết kế khoảng 1.900 hecta [67]. Việc sử dụng có ích tro, xỉ có thể giảm bớt việc sử dụng hàng nghìn hec-ta đất sản xuất bổ sung cho mục đích để xây dựng các bãi chơn lấp. Các tiện ích và những đơn vị phát thải cũng sẽ được hưởng lợi từ việc giảm chi phí khi khơng phát triển thêm bãi chơn lấp và cơ sở vật chất cho các bãi chôn lấp. Những lợi ích này bao gồm giảm yêu cầu về năng lượng và chi phí vận hành của vận tải đường bộ, nhiên liệu, vật liệu, thiết bị để làm lớp lót và vật liệu làm lớp phủ để xử lý tro, xỉ khơng tái chế.
- Có thể giảm bớt sự suy giảm các nguồn tài nguyên thiên nhiên có giá trị như đá vơi, lớp đất mặt (có thể là đất nơng, lâm nghiệp), đất sét và cát cũng như các biến dạng mặt đất khi việc khai thác chúng diễn ra.
- Ô nhiễm cơng nghiệp có thể được ngăn chặn bằng cách giảm lượng khí thải liên quan đến các ngành sản xuất năng lượng, nhiên liệu và thiết bị cần thiết để vận hành các cơ sở sản xuất hoặc khai thác các sản phẩm có cùng tính năng.
- Có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng các nguồn tro, xỉ địa phương thay vì sử dụng các nguồn cung cấp vật liệu và cốt liệu tương đương ở xa hơn.
Như vậy, việc thúc đẩy sử dụng tro, xỉ NMNĐT làm vật liệu xây dựng sẽ mang lại lợi ích tổng thể kinh tế - môi trường - xã hội.
2.1.5. Khả năng sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện than vào lĩnh vực xây dựng tại
Việt Nam
Trên thế giới tro, xỉ được tạo ra và được sử dụng suốt 80 năm qua trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau [75]. Nhiều kế hoạch/chiến lược sử dụng CCPs đã được thực hiện nhằm xác định các phương án sử dụng khác nhau để tận dụng và phân loại theo giá trị. Các chiến lược cụ thể có thể được phân loại thành ba nhóm chính dựa theo mức độ hữu ích và giá trị kinh tế của chúng, đó là khơng mang lại lợi ích, đơn giản và nâng cao (Hình 2.7):
- Việc sử dụng khơng mang lại lợi ích hoặc lưu trữ ở bãi thải được coi là mang lại gánh nặng kinh tế cho nhà sản xuất và có nguy cơ ảnh hưởng đến mơi trường.
- Sản xuất biến đổi đơn giản (STM) hay chiến lược sử dụng đơn giản có thể yêu cầu xử lý đơn giản hoặc pha trộn đơn giản với vật liệu truyền thống hoặc trực tiếp làm ra thành phẩm hoặc đưa vào xây lắp.
- Sản xuất biến đổi nâng cao (ETM) hay chiến lược sử dụng nâng cao thường sẽ yêu cầu xử lý đáng kể trước khi có thể tạo ra sản phẩm có giá trị cao hơn.
Hình 2.7. Các lựa chọn sử dụng sản phẩm đốt than STM và ETM (nguồn [75])
Trong đó:
+ Geopolymers là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ được tổng hợp từ Aluminosilicate. Vật liệu Geopolymers được nghiên cứu nhằm tạo ra quy trình thân thiện với mơi trường, giảm lượng phát thải CO2;
+ Cenosphere là một loại cốt liệu nhẹ, loại hạt này có dạng hình cầu với bề mặt nhẵn. Cenosphere được ứng dụng trong công nghiệp xây dựng như: xi măng đặc biệt, vữa, vật liệu mái, panel cách âm- cách nhiệt, sơn,…
Qua tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước, khả năng sử dụng tro, xỉ NMNĐT vào lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong sử dụng làm vật liệu xây dựng tại Việt Nam như sau:
(1) Ứng dụng cơng trình dân dụng, thi cơng đường bộ và trong đắp đê:
Tro, xỉ có thể được sử dụng làm vật liệu san lấp đất, giúp cải thiện các đặc tính của đất và cũng như một chất ổn định. Tro bay chưa được xử lý trộn với xỉ được sử dụng để hỗ trợ nền của thiết bị lọc bụi tĩnh điện trong nhà máy nhiệt điện than. Tro bay cũng được sử dụng làm vật liệu san lấp kết cấu. Bùn tro than bay có thể được sử dụng như một vật liệu san lấp hiệu quả trong các ứng dụng cơng trình dân dụng như san lấp dưới nước, san lấp nhẹ.
Hỗn hợp tro bay và xỉ có thể là chất phụ gia hữu ích trong đất mềm để cải thiện các đặc tính kỹ thuật của nó như cường độ, khả năng chịu lực và giảm độ xê dịch. Việc sử dụng tro than bay với tỷ lệ xỉ thấp đã được thực hiện rộng rãi như một vật liệu xây dựng phục vụ trong thi công đường cao tốc. Tro bay loại F trộn với xi măng (2 - 10% khối lượng) có thể được sử dụng làm vật liệu nền trong thi công đường bộ rất hiệu quả [76].
(2) Vật liệu kết dính, xi măng OPC, vật liệu thay thế cát và geopolymer:
Xi măng OPC là chất kết dính được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp xây dựng. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng OPC có thể được thay thế một phần bởi tro bay và xỉ (McCarthy và Dhir 1999; Kula và cộng sự 2002). OPC trộn với tro bay khi được sử dụng trong thi công cho thấy sự cải thiện một số tính chất của sản phẩm như giảm chiều rộng vết nứt và chỉ số co ngót tự do (Yang và cộng sự 2007). Tro than bay có thể được sử dụng làm vật liệu thô để sản xuất vữa geopolymer (Chindaprarist và cộng sự 2009; Izquierdo và cộng sự 2009). Tro bay với tỷ lệ vôi thấp (CaO) chưa qua xử lý cũng có thể được sử dụng thành cơng trong bê tơng để thay thế cho cát (Jones và MacCarthy 2005).
(3) Gạch, ngói và vật liệu xi măng tổng hợp
Tro bay hoặc hỗn hợp tro bay trộn với xỉ, cát và vôi đã được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu để phát triển gạch rắn, gạch ngói gốm và các khối bê tông. Các nhà
nghiên cứu cũng xác nhận rằng gạch tro bay cho cường độ chịu nén cao hơn trong khi khối lượng lại nhẹ hơn và cho thấy độ hút nước thấp hơn so sánh với gạch đất sét thông thường.
(4) Các sản phẩm chống cháy
Các sản phẩm chống cháy có thể được phát triển bằng cách sử dụng tro, xỉ trộn với các loại chất thải khác. Tro bay được sử dụng làm thành phần chính trộn với rác thải giấy dư và chất thải công nghiệp khác, chất thải RTi (chất thải sau phản ứng đầu tiên vào ilmenit trong sản xuất titan đioxit) và vermiculite (lên dến 10%) để tạo ra các tấm có khả năng cách nhiệt cao hơn. Những tấm và đĩa này có thể được sử dụng để sản xuất cửa chống cháy, cửa sổ chống cháy và cho các sản phẩm chống cháy khác. Người ta thấy rằng cả tro bay và tro, xỉ đều làm tăng khả năng chống cháy của sản phẩm làm bằng tro bay, nhờ vào đặc tính bốc hơi của tro. Từ đó, nó sẽ tạo ra các hạt nhỏ chống cháy [76].
(5) Gốm thủy tinh
Gốm thuỷ tinh có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ ngành công nghiệp xây dựng đến sản xuất các sản phẩm chuyên dụng như gương kính viễn vọng. Tro than bitum được sử dụng để tổng hợp thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh, những thứ sử dụng Anorthite (CaAl2Si2O8) làm pha gốm thuỷ tinh chính. Thuỷ tinh hố tro than bay bằng cách sử dụng Na2O + CaO và BaO + CaO làm chất phụ gia được thực hiện để tạo các hạt tinh thể gốm thuỷ tinh nano với kích thước trung bình dưới 300 nm: pha chính của gốm thuỷ tinh này được xác định là Wollastonite (Ca-SiO3). Gốm thuỷ tinh vơ định hình được sản xuất bằng cách sử dụng tro than (40 - 50% khối lượng) trộn với các chất thải khác như đá thuỷ tinh, đá dolomit nổi [77].
Gốm thuỷ tinh có các đặc tính cơ học rất đặc biệt, chẳng hạn như khả năng chống mài mòn, độ bền cơ học cao và khả năng ổn định trong nhiều ứng dụng. Gốm thuỷ tinh làm từ tro bay được thử nghiệm về các tính chất cơ lý, hệ số giãn nở nhiệt, mật độ, độ cứng và độ bền uốn và thu được kết quả rất khả quan, đảm bảo đạt đủ điều kiện trong nhiều ứng dụng ngành xây dựng [77].
gốm thuỷ tinh thu được [77].
(6) Sử dụng tro, xỉ làm vật liệu san lấp
Nghiên cứu của Viện Khoa học công nghệ xây dựng về tro, xỉ NMNĐT tại Việt Nam cho thấy:
Tro, xỉ là vật liệu rời, có thành phần và kích cỡ hạt bụi thô, nhẹ về trọng lượng, đáp ứng yêu cầu về tính trương nở (trừ tro, xỉ của NMNĐ Na Dương) và có khả năng nén chặt, hồn tồn đáp ứng với các yêu cầu làm vật liệu san lấp. Khi sử dụng vật liệu tro, xỉ làm vật liệu san lấp, để đảm bảo độ ổn định lún của thể đắp cần đầm nén tới độ chặt ít nhất 0,95, cịn để đảm bảo ổn định độ bền, ổn định tự thân mái dốc thể đắp cần gia cường mái dốc bằng các vật liệu khác có độ bền cao hơn, chống được xói lở hoặc bằng hỗn hợp vật liệu tro, xỉ gia cường với chất liên kết như xi măng với hàm lượng khơng ít hơn 5% đến 10% trọng lượng.
Các địa điểm phù hợp để san lấp bằng tro, xỉ là các mỏ đã khai thác, các vùng đất trũng, san nền xây dựng khu công nghiệp hoặc bến cảng và nền đường giao thông. Thi cơng san lấp bằng tro, xỉ khơng địi hỏi sử dụng trang thiết bị đặc biệt, quy trình thi cơng tương tự quy trình áp dụng cho cơng tác đất nói chung.