SỬ DỤNG CHẤT THẢI TRO BAY CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỂ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

USING FLY ASH IN CONCRETE MIX DESIGN FOR ROAD CONSTRUCTION

PGS.TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH – Khoa kỹ thuật XD, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCMTRƯƠNG NAM SƠN – Khoa kỹ thuật XD, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCMNGUYỄN HỮU THẮNG – Khoa kỹ thuật XD, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

1. GIỚI THIỆU

Hệ thống đường bộ ở nước ta hiện nay đang được xây dựng bằng cách sử dụng mặt đường mềm thông thường với nguyên liệu chủ yếu là nhựa đường. Ở Việt Nam, nhựa đường chủ yếu được nhập khẩu. Trong khi đó xi măng là sản phẩm ở nước ta có thể tự sản xuất và khai thác được, luôn đảm bảo cung cấp đầy đủ cho thi công nên sẽ là rất hiệu quả về mặt kinh tế, nguyên vật liệu, giá thành… trong thi công xây dựng công trình giao thông. Hơn nữa, việc tăng cường sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông là triển khai thực hiện Nghị quyết của Chính phủ với mục tiêu ưu tiên sử dụng sản phẩm hàng hóa sản xuất trong nước, thúc đẩy sản xuất kinh doanh, kiềm chế nhập siêu và tiết kiệm năng lượng.. Mặt khác, mặt đường bê tông nhựa 5-10 năm là phải sửa chữa, cải tạo còn bê tông xi măng có tuổi thọ lên tới 30 năm cho thấy chất lượng đường bê tông xi măng tốt hơn nhiều. Khả năng sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông ở Việt Nam hiện nay là rất lớn, đặc biệt phù hợp với các tuyến đường giao thông nông thôn có chất lượng và tuổi thọ tốt.

Để sản xuất được 1 tấn xi măng Portland, cần thải ra 1 tấn CO 2

vào khí quyển. Vì vậy, dùng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông vừa giúp giảm đáng kể chi phí cho bê tông vừa giúp giảm khí nhà kính. Tro bay là phế thải của các nhà máy nhiệt điện, có thể được cho vào bê tông như là một hỗn hơp xi măng - tro bay hoặc thay thế một phần cốt liệu mịn trong tỷ lệ cấp phối bê tông.

Tro bay có thể ứng xử như một cốt liệu mịn và đồng thời cũng như một hợp chất kết dính nhờ hoạt động pozzolan của nó. Đã có rất nhiều nghiên cứu về bê tông có chứa hàm lượng lớn tro bay như độ sụt của bê tông tươi hay cường độ, độ bền, bề mặt hoàn thiện của bê tông cứng. Ta hoàn toàn có thể sản xuất một loại bê tông chất lượng tốt với 25% tro bay trong xi măng Portland.

Theo số liệu thống kê, hiện nay cả nước có 19 nhà máy nhiệt điện đang vận hành với tổng công suất phát điện 14.480 MW và thải ra khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ hàng năm. Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, còn lại là xỉ. Dự kiến sau năm 2020, con số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công suất 39.020 MW, lượng tro

xỉ thải ra dự kiến hơn 30 triệu tấn/năm. Ô nhiễm môi trường do tro bay cũng đang là vấn đề nhức nhối của tỉnh Bình Thuận trong thời gian vừa qua. Vĩnh Tân 2 chạy hết công suất sẽ thải khoảng 0,9 triệu tấn tro xỉ/năm. Nếu tính cả Trung tâm Điện lực Vĩnh Tân gồm 4 nhà máy với công suất 5.600MW sẽ thải ra khoảng 4 triệu tấn tro xỉ/năm.

2. CHẤT LƯỢNG TRO XỈ Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VĨNH TÂN

2.1. Hydrat hóa xi măng và tro bay

Tro bay làm cho bê tông ít thấm hơn và đặc hơn so với xi măng Portland thông thường. Cường độ dài hạn (90 ngày trở lên) của bê tông tro bay tốt hơn so với bê tông thường. Vật liệu pozzolanic trong tro bay phản ứng với canxi hydroxit tạo ra bởi xi măng Portland và tạo ra hợp chất kết dính thủy hóa thường được biết đến là gel C-S-H, do đó làm tăng tính chất của bê tông. Phản ứng có thể viết dưới dạng:

Hình 1 – Vận chuyển tro xỉ ra bãi chứa của Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 2

TÓM TẮTCác công trình đường bộ ở nước ta hiện nay thường sử dụng công nghệ xây dựng áo đường bằng bê tông nhựa, công nghệ này

tỏ ra kém bền vững và chi phí bảo trì cao so với áo đường bằng bê tông xi măng. Vì vậy, xây dựng đường bằng bê tông xi măng có chứa hàm lượng lớn tro bay là một giải pháp hiệu quả giúp nâng cao chất lượng đường, giảm thiểu lượng xi măng, tiêu thụ phế thải tro bay và góp phần bảo vệ môi trường.

ABSTRACTThe road construction in our country today has been using asphalt concrete pavement, which is unsustainable and higher

maintenance charge than concrete pavement. Therefore, construction of concrete road containing large amounts of fly ash is an effective solution to improve road quality, reduce using of cement, consume fly ash and environmentally friendly.

2.2. Thực nghiệm thành phần tro bay ở nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân

Bảng 1 – Kết quả phân tích XRF của mẫu tro bay từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân

Công thức Hàm lượng Sai số ±

SiO2 55.71% 0.188%

Al2O3 27.51% 0.136%

Fe2O3 7.02% 0.014%

K2O 5.31% 0.031%

MgO 1.17% 0.033%

TiO2 0.99% 0.013%

CaO 0.93% 0.013%

SO3 0.44% 0.012%

Na2O 0.25% 0.037%

P2O5 0.24% 0.012%

BaO 0.15% 0.010%

MnO 0.05% 0.002%

Rb2O 0.04% 0.001%

ZrO2 0.04% 0.001%

Cr2O3 0.03% 0.002%

Cl 0.02% 0.003%

ZnO 0.02% 0.001%

CuO 0.02% 0.001%

SrO 0.02% 0.001%

NiO 73 PPM 10 PPM

PbO 72 PPM 11 PPM

Ga2O3 63 PPM 5 PPM

As2O3 39 PPM 3 PPM

Nb2O5 30 PM 4 PPM

2.3. Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông

Bảng 2 – Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông [4]

Chỉ tiêuLoại tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức

a b c d

1. Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn

F

C

70

45

2. Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khối lượng, không lớn hơn

F

C

3

5

5

5

3

6

3

3

3. Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn

F

C

-

2

-

4

-

4

-

2

4. Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn

F

C

12

5

15

9

8*

7

5*

5

5. Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, không lớn hơn

F

C1,5

6. Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn

F

C3

7. Lượng sót sàng 45m, % khối lượng, không lớn hơn

F

C25 34 40 18

8. Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn

F

C105 105 100 105

9. Hàm lượng ion Cl-, % khối lượng, không lớn hơn

F

C0,1 - - 0,1

10. Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn 370

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn

740

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: - lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận.

Qua phân tích chất lượng của mẫu tro xỉ của nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân có tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, %

khối lượng, không nhỏ hơn 70% và không chứa những thành phần ôxit độc hại nên có thể sử dụng để sản xuất bê tông cho đường bê tông xi măng.

3. THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY ĐỂ LÀM ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

3.1. Yêu cầu kỹ thuật

Để thiết kế cấp phối bê tông cho thi công đường, yêu cầu kỹ thuật thiết kế của bê tông là cường độ chịu uốn.

Bài toán được thiết kế với cường độ chịu uốn là 4.5MPa

Bảng 3 – Yêu cầu kỹ thuật các nguyên vật liệu theo [1]

Cường độ chịu uốn của bê tông ở 28 ngày

4.5 MPa

Xi măng Xi măng Portland có cường độ chịu nén 43Mpa, cường độ chịu nén ở 7

ngày tuổi là 40.5MPa. Tỉ trọng: 3.15Lượng xi măng tối thiểu nên dùng

350 kg/m3

Lượng xi măng tối đa nên dùng

425 kg/m3

Tro bay Thay thế 25% xi măng theo khối lượngĐá dăm Kích thước phù hợp với bảng 4Cát Kích thước phù hợp với bảng 4Độ sụt 30mmPhụ gia siêu dẻo Nếu thêm 10g/1kg bê tông sẽ giảm

15% lượng nướcTỉ lệ nước/xi măng tối đa

0.5

Bảng 4 – Yêu cầu về kích thước cốt liệu theo [1]

Kích thước lỗ rây

Phần trăm lọt quaCát Đá dăm

10mm 20mm40mm - - 10020mm - - 10012.5mm - 100 -10mm 100 89 04.75mm 98 62.36mm 86 01.18mm 71600 micro 40300 micro 21150 micro 5

3.2. Thiết kế cấp phối hỗn hợp

Theo [1], Do nhiều yếu tố ngoài thực tế khó kiểm soát được nên để đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt được cường độ chịu uốn là 4.5MPa, cường độ chịu uốn thiết kế sẽ được tính như sau: R’ = R + Z x

Trong đó: R’ là cường độ chịu uốn thiết kế ở 28 ngày (MPa).

R là cường độ chịu uốn mong muốn.Z là hệ số phụ thuộc vào mức độ quan trọng của công trình

đường. Z = 2.33 đối với đường cao tốc, Z = 1.96 đối với đường quốc lộ, Z = 1.65 đối với đường nội thành và đường nông thôn.

được lấy theo bảng 5.

Bảng 5 – Bảng tra giá trị [1]

Cường độ chịu uốn

Đường cao tốc

Đường quốc lộ

Đường nội thành và đường nông thôn

3.0 0.38 0.55 0.603.5 0.35 0.50 0.554.0 0.32 0.45 0.504.5 0.29 0.40 0.455.0 0.26 0.35 0.4

Bài báo này hướng đến thiết kế cấp phối cho đường nội thành và đường nông thôn nên cường độ chịu uốn thiết kế là:

R’ = 4.5 + 1.65 x 0.45 = 5.3 (MPa)

Tỉ lệ nước/xi măngTheo [3] Tỉ lệ nước/xi măng được cho trong biểu đồ ở hình 2

với đường A, B, C, D, E tương ứng với xi măng có cường độ chịu nén ở 7 ngày lần lượt là 21-25 (MPa), 25-29 (MPa), 29-35 (MPa), 35-41 (MPa), 41-48 (MPa).

Với loại xi măng như mục III.1 và cường độ chịu uốn thiết kế là 5.3MPa, tra biểu đồ ta có được tỉ lệ nước/xi măng là 0.42.

Lượng nước yêu cầuBảng 6 – bảng tra lượng nước yêu cầu theo [1]

Kích thước cốt liệu tối đa (mm)

Loại cốt liệu

Lượng nước ứng với độ sụt 15-45mm (kg/m3)

10 Cát 185Đá dăm 215

20 Cát 165Đá dăm 195

Đối với cốt liệu gồm cát và đá dăm, theo [1] ta tính như sau:

Hình 2 – Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ nước/xi măng và cường độ chịu uốn ở 28 ngày

Sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lượng 10g/1kg xi măng,

lượng nước yêu cầu được giảm 15% nên:

Khối lượng xi măng cần dùng

Lượng xi măng cần dùng là 149/0.42 = 355 (kg)

Khối lượng cốt liệu:Khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông tươi không có tro bay

được tính như sau:

Trong đó:UM, khối lượng riêng của bê tông tươi kg/m3.Ga, tỉ trọng trung bình của cốt liệu.Gc, tỉ trọng của xi măng.A, hàm lượng bọt khí, lấy 1.5% đối với cốt liệu có kích

thước tối đa 20mm và 2.5% đối với cốt liệu có kích thước tối đa 10mm.

Wm, lượng nước yêu cầuCm, lượng xi măng sử dụng

Khối lượng riêng của hỗn hợp thiết kế:

Hàm lượng cát trong tổng số cốt liệu được lấy dựa vào bảng 7. Ứng với tỉ lệ nước/xi măng là 0.42 và kích thước tối đa của cốt liệu là 20mm ta được hàm lượng cát chiếm khoảng 35% trong tổng khối lượng cốt liệu

Bảng 7 – Tỉ lệ cát trong tổng khối lượng cốt liệu ứng với độ sụt 15-45mm. Đơn vị (%)[3]

Tỉ lệ nước/xi măng Kích thước tối đa của cốt liệu10mm 20mm

0.3 39-48 30-370.4 41-50 32-390.5 43-52 34-41

Tổng khối lượng cốt liệu: 2420 – 355 – 149 = 1916 kg/m3

Khối lượng cát: 1916 x 0.35 = 670 kg/m3

Khối lượng đá dăm 1916 – 670 = 1246 kg/m3

Theo [2], Tỉ lệ khối lượng đá dăm có đường kính 10mm/khối lượng đá dăm có đường kính 20mm là 2/3. Từ đó có được khối lượng đá dăm 10mm là 498kg/m3, 20mm là 748kg/m3.

Khi thay thế xi măng bằng 25% tro bay, cấp phối bê tông được tính toán lại như sau:

Theo thực nghiệm tổng lượng xi măng – tro bay nên tăng lên 10.7% để đạt được cường độ yêu cầu. Tổng lượng vật liệu xi măng là 355 x 1.107 = 393 kg/m3. Đồng thời lượng nước yêu cầu được giảm đi 5%.Bảng 8 – Bảng tính toán thành phần cấp phối bê tông chứa 25%

tro bay thay thế xi măngVật liệu Khối lượng Khối lượng Thể tích (m3)

(kg) riêng (kg/m3)Xi măng 393 x 0.75

=2953150 0.0937

Tro bay 393 x 0.25 = 98

2200 0.0445

Nước 149 x 0.95 = 142

1000 0.142

Phụ gia siêu dẻo

6.2 1150 0.0054

Bọt khí 1.5%

0.015

Tổng 0.3006Tổng cốt liệu

1 - 0.3006 = 0.6994

Đá dăm 1246 2650 0.4702Cát 0.2292 x 2650

= 6072650 0.6994 - 0.4702

= 0.2292

Bảng 9 – So sánh thành phần cấp phối của bê tông có cường độ chịu uốn 4.5MPa khi dùng tro bay và không dùng tro bay

Vật liệu Bê tông không chứa tro bay

Bê tông chứa tro bay

Nước (kg/m3) 149 142Xi măng (kg/m3) 355 295Tro bay (kg/m3) 0 98Cát (kg/m3) 670 607Đá dăm 10mm (kg/m3) 498 498Đá dăm 20mm (kg/m3) 748 748Phụ gia siêu dẻo (kg/m3) 3.55 6.2Tỉ lệ nước/xi măng 0.42 0.361

4. KẾT LUẬN CHUNG

Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo giúp tiết kiệm được 60kg xi măng và tiêu thụ hết 98kg tro bay trong 1m3 bê tông. Vì vậy tận dụng tro bay để làm đường bê tông xi măng là một giải pháp vừa giúp tiết kiệm một lượng lớn xi măng vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải tro bay của các nhà máy nhiệt điện.

Tài liệu tham khảo:[1] IRC:15-2011, Standard specifications and code of practice

for construction of concrete roads.[2] IS 383-1970, Specification for coarse and fine aggregates

from natural sources for concrete.[3]Kaushal Kishore, Roorkee – Mix design for concrete roads

as per IRC-15-2002.[4] TCVN 10302:2014, Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê

tông, vữa xây và xi măng.