Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ vữa xi măng
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tro bay (tên tiếng Anh là fly ash), phần mịn nhất của tro xỉ than. Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy. Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần than (cacbon) chưa cháy hết. Thành phần của tro bay thường chứa các silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, sắt oxit, magie oxit và lưu huỳnh oxit, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy [1].
Vữa xi măng là loại vật liệu rất thông dụng, như chúng ta đã biết, hầu hết các công trình xây dựng đều sử dụng một lượng vữa xi măng rất lớn. Vữa xi măng được chế tạo từ các loại cốt liệu bé, chất kết dính, nước và có thể thêm phụ gia, nguyên liệu sản xuất hầu hết đến từ tự nhiên như xi măng (được sản xuất từ đá vôi, đá sét và dùng than đốt), cát, … đang dần cạn kiệt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống như: khí thải từ sản xuất xi măng gây hiệu ứng nhà kính. Việc khai thác cát ảnh hưởng dòng chảy gây sạt lở bờ sông…. Chúng ta không thể khai thác, sử dụng mãi các nguồn tài nguyên thiên nhiên được (như cát, đá vôi, …), mà phải tận dụng các loại phế thải công nghiệp trong xây dựng, nhằm mang lại hiệu quả kinh tế tối đa, vừa xử lý được rác thải công nghiệp, vừa tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên. Do đó, việc sử dụng tro bay là loại phế thải của công nghiệp điện (các nhà máy nhiệt điện) thải ra để dùng làm vật liệu xây dựng là vấn đề cấp bách mang lại hiệu quả kinh tế rất thiết thực và tro bay đã được sử dụng để thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp vữa xây dựng.
Một trong những vấn đề quan trọng là chúng ta sử dụng bao nhiêu phần trăm tro bay thay thế xi măng để mang lại hiệu quả sử dụng tốt nhất. Vì vậy, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ vữa xi măng. Nhằm mở rộng nghiên cứu vai trò của tro bay ảnh hưởng như thế nào đến hỗn hợp vữa xi măng đã thôi thúc tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ vữa xi măng”. Cường độ chịu uốn, cường độ chịu nén của vữa xi măng khi thay thế một phần xi măng bằng tro bay sẽ được nghiên cứu trong luận văn này.
Tro bay là một loại phế thải công nghiệp của nhà máy nhiệt điện, gần đây việc ứng dụng tro bay trong sản xuất bê tông nghiên cứu nhiều do ưu điểm thân thiện môi trường, đồng thời tạo ra bê tông có khả năng kháng sulfat cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng tro bay làm vật liệu thay thế xi măng làm chất kết dính trong vữa xi măng có ý nghĩa thực tiễn
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ của vữa xi măng khi được dưỡng hộ trong môi trường nước và môi trường không khí.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu: Vữa xi măng thông thường sử dụng các loại cốt liệu địa phương và xi măng được thay thế một phần tro bay.
– Các loại vật liệu địa phương: Cát Kỳ Lam (huyện Điện Bàn, tỉnh Quảng Nam), xi măng Sông Gianh, tro bay Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
– Phạm vi nghiên cứu: Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ vữa xi măng đến 90 ngày.
– Các mẫu vữa xi măng thí nghiệm có tỉ lệ thành phần tro bay thay thế xi măng 10%, 20% và 40%.
– Nghiên cứu lý thuyết các đặc tính cơ lý của tro bay và các ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực xây dựng.
– Thực hiện các thí nghiệm xác định cường độ vữa xi măng dựa trên tiêu chuẩn TCVN 3121-2003, ‘Phương pháp thí nghiệm vữa xi măng .
– Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm.
– Đánh giá sự ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần tro bay thay thế xi măng đến sự phát triển cường độ chịu uốn, chịu nén của vữa xi măng.
Xác định các ảnh Ý nghĩa của đề tàihưởng của tỷ lệ tro bay thay thế xi măng đến sự phát triển cường độ chịu uốn và nén của vữa xi măng, đưa ra kết luận sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng Đồng thời giúp các nhà máy nhiệt điện tìm giải pháp xử lý tro bay nếu được áp dụng trong việc thay thế một phần xi măng trong sản xuất vữa.
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài.
2. Mục tiêu đề tài.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu.
5. Ý nghĩa của đề tài
Chương 1: Tính chất cơ học của vữa xi măng và tổng quan về ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực xây dựng.
Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm.
Chương 3: Thí nghiệm xác định sự phát triển cường độ chịu uốn, cường độ chịu nén của vữa xi măng khi sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng.
Kết luận và kiến nghị chung.
.
CHƯƠNG 1:
TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VỮA XI MĂNG VÀ TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG LĨNH VỰC XÂY DỰNG
1.1. Tính chất cơ học của vữa xi măng
1.1.1. Thành phần, cấu trúc và phân loại vữa xi măng
Vữa xi măng là loại vật liệu nhân tạo từ các loại cốt liệu bé, chất kết dính, nước và có thể thêm phụ gia. Cốt liệu bé là cát, chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác.
Nguyên lý tạo ra vữa xi măng là dùng chất kết dính bằng xi măng trộn với nước để liên kết các hạt cốt liệu bé lại với nhau tạo ra một khối đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng …[2].
– Theo chất kết dính sử dụng, vữa được phân làm 4 loại chính sau:
+ Vữa xi măng – cát;
+ Vữa vôi – cát;
+ Vữa xi măng – vôi – cát;
+ Vữa đất sét – xi măng – cát.
– Theo khối lượng thể tích (pv) ở trạng thái đã đóng rắn, vữa được phân làm 2 loại:
+ Vữa thường: có khối lượng thể tích lớn hơn 1500 kg/m3;
+ Vữa nhẹ: có khối lượng thể tích không lớn hơn 1500 kg/m3.
– Theo mục đích sử dụng, vữa được phân làm 2 loại:
+ Vữa xây;
+ Vữa hoàn thiện thô và mịn.
1.1.2. Tính chất cơ học của vữa xi măng
– Theo TCVN 4314 : 2003: Vữa xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật các chỉ tiêu kỹ thuật của vữa tươi theo quy định tại bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của vữa tươi
| Tên chỉ tiêu | Loại vữa | ||
| Xây | hoàn thiện | ||
| thô | mịn | ||
| 1. Kích thước hạt cốt liệu lớn nhất (Dmax), không lớn hơn | 5 | 2,5 | 1,25 |
| 2. Độ lưu động (phương pháp bàn dằn), mm, – Vữa thường – Vữa nhẹ | 165 – 195 145 – 175 | 175 – 205 155 – 185 | 175 – 205 155 – 185 |
| 3. Khả năng giữ độ lưu động, % không nhỏ hơn – Vữa không có vôi và đất sét – Vữa có vôi hoặc đất sét | 65 75 | 65 75 | 65 75 |
| 4. Thời gian bắt đầu đông kết, phút, không nhỏ hơn | 150 | 150 | 150 |
| 5. Hàm lượng ion clo trong vữa, %, không lớn hơn | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
Bảng 1.2: Mác vữa và cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đêm dưỡng hộ ở điều kiện chuẩn (t=20oc, w>95%)
| Mác vữa | M 1,0 | M 2,5 | M 5,0 | M 7,5 | M 10 | M 15 | M 20 | M 30 |
| 1. Cường độ chịu nén trung bình, tính bằng MPa (N/mm2), không nhỏ hơn | 1,0 | 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10 | 15 | 20 | 30 |
– Cường độ của vữa xi măng là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. Cường độ của vữa xi măng phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Tính chất cơ học của vữa xi măng bao gồm cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén.
1.1.2.1 Cường độ chịu nén
Cường đô chịu nén của vữa xi măng là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu vữa xi măng. Mẫu để đo cường độ cường độ tại phòng thí nghiệm là các nữa mẫu gãy sau khi uốn thử (mẫu uốn có kích thước 40mm x 40mm x 160mm), được thực hiện theo điều kiện tiêu chuẩn trong thời gian 28 ngày
Vữa xi măng sử dụng thông thường có cường độ R = 5 ÷ 10 MPa (N/mm2).
1.1.2.2. Cường độ chịu uốn
Cường độ chịu uốn là một thông số đo cường độ chịu kéo của vữa xi măng. Nó được đo trên cơ sở uốn dầm vữa xi măng, kích thước mẫu vữa 40x40x160mm.
Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn của vữa xi măng có thể dựa trên tiêu chuẩn TCVN 3121-2003 để xác định. Mẫu sau khi được bảo dưỡng lắp vào bộ gá uốn như hình 1.2.
Hình 1.2: Sơ đồ thí nghiệm uốn mẫu
Cường độ uốn của mỗi mẫu thử (Ru), tính bằng N/mm2, chính xác đến 0,05N/mm2, theo công thức:
(N/mm2) 
+ Với F là lực lớn nhất làm phá hoại mẫu;
+ L: khoảng cách gối tựa (l=100mm);
+ b, h kích thước tiết diện ngang của mẫu (b=40mm, h=40mm).
1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ vữa xi măng
1.1.3.1 Thành phần và công nghệ chế tạo: Chất lượng và số lượng xi măng; Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu; Tỷ lệ giữa nước và xi măng; Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện bảo dưỡng BT.
1.2. Tổng quan về tro bay và ứng dụng của tro bay trong sản xuất vữa xi măng
1.2.1. Tổng quan về Tro bay
1.2.1.1. Khái niệm chung về tro bay
Tro bay là loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than.
Hình 1.3: Sơ đồ tách lọc tro bay
1.2.1.2 Phân loại Tro bay
a) Theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại
– Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây.
– Tro bay dùng cho xi măng, ký hiệu: Xm.
b) Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại
– Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F
– Tro bazơ: tro có hàm lượng canxioxit lớn hơn 10%, ký hiệu:C.
a) Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây
Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại Bảng 1.3.
b) Tro bay dùng cho xi măng
Tro bay dùng cho xi măng cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại Bảng 2 Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 – Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng.
1.2.1.4. Các đặc trưng của Tro bay
a) Thành phần hóa học trong Tro bay:
Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,… Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện.[3].
b) Các nguyên tố vi lượng Tro bay
Hàm lượng các nguyên tố vi lượng trong tro bay phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của chúng có trong nguyên liệu ban đầu [6].
1.2.2. Ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực xây dựng
Vữa xi măng đặc chắc do quá trình thủy hóa xi măng, lượng nước bốc hơi tạo ra các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu. Cường độ của Vữa xi măng bị ảnh hưởng rất lớn đến các lỗ rỗng và chất kết dính.
Muốn tăng cường độ vữa xi măng cần hạn chế các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu, tăng cường độ chất kết dính.
Như đã trình bày trên, tro bay có kích thước rất nhỏ (từ 1 – 10μm, trung bình 9 – 15μm), nên có thể lấp đầy các các lổ rỗng giữa các hạt cốt liệu, tạo nên khối vữa đặc chắc hơn, tăng diện tích tiếp xúc kết dính, dẫn đến tăng cường độ vữa xi măng.
1.2.2.1 Tăng mác vữa xi măng
Tro bay khi trộn với xi măng Portland và cát sạch sẽ tạo vữa xi măng có mác 10 hay 15 Mpa (N/mm2). [7].
1.2.2.2. Giảm khả năng xâm thực của nước, chống chua mặn
Trộn vữa tro bay với xi măng để trám các khe nứt, hạn chế lỗ châm kim. Đây là một giải pháp vừa hiệu quả, vừa kinh tế nhất cho các công trình ở vùng biển, vùng nước mặn.
1.2.2.3. Chống rạn nứt, giảm co gảy, cải thiện bề mặt sản phẩm và có tính chống thấm cao
Tính cực mịn của Tro bay có hàm lượng Silic cao hay silic nano tạo ra được tính dẻo của xi măng Portland trong quá trình tạo ra vữa xi măng. Ngoài ra tro bay còn trở thành chất xúc tác để tạo ra các sản phẩm cứng hơn và bền hơn [7].
1.2.2.4. Tính chịu lực cao của bê tông tự nén với Tro bay
Trộn thêm Tro bay vào vữa hồ thì bê tông sẽ có tính chịu lực cao. Điều này xảy ra vì các hạt silic nano đã len vào khe hổng của bê tông và cùng lúc tạo ra một SiO3 nhờ độ PH kiềm của xi măng. Đó là một kết quả vừa được công bố của của một công nghệ mới và tiên tiến của thế kỷ 21. Tro bay là một silic ưu việt, cần được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng [7].
1.2.2.5. Chống được sự xâm nhập của ACID SULFURIC của bê tông hiện đại
Dùng Tro bay trộn vào bê tông portland, các hạt nhỏ li ti sẽ lấp đầy các khe nứt và chống được sự xâm nhập của H2SO4 có thể phá hỏng cốt thép [7].
1.2.2.6. Tạo tính bền Sulfat cho bê tông của xi măng Portland
Muốn cho cơ cấu bê tông portland bền sulfat, cần pha tro bay nghèo vôi vào với một tỉ lệ rất thấp. Nhờ đó, có thể dùng nước mặn để trộn với xi măng Portland đề làm vữa hồ và khi bêtông đông cứng, có thể ngâm trong nước mặn vẫn được [7].
1.2.2.7. Tác dụng của Tro bay đến vấn đề hạ nhiệt cho bê tông
Việc sử dụng tro bay làm chất độn cho khối bê tông lơn đạt được 3 mục đích: Giảm được lượng nhiệt sinh ra trong lòng bê tông; giảm giá thành bê tông một cách đáng kể; đảm bảo tính dễ thi công và cường độ bê tông [7].
Qua kinh nghiệm của một số nước trên thế giới thì hàm lượng dùng tro bay thay thế xi măng trong bê tông đầm lăn có phạm vi từ 30 – 60% [7].
1.2.2.8. Một số ứng dụng khác của tro bay trong lĩnh vực xây dựng
– Giảm giá thành sản phẩm; tăng cường độ lên từ 1,5-2 lần; tăng độ trơn của vữa giúp giảm chi phí bơm bê tông lên các tầng cao của công trình và làm cho bê tông chui vào các khe lỗ dễ dàng hơn;
– “Khử vôi tự do CaO” trong xi măng (khoảng 6%); khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, giảm 10% nước trộn bê tông.
– Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sulfat, phụ gia cho bê tông tự lèn đối với công trình đòi hỏi chịu lực cao;
– Sản xuất gạch block có sử dụng tro bay còn có thể giảm lượng xi măng nhiều hơn nữa.
1.2.3 Vai trò của tro bay đối với sự phát triển bền vững
Những lợi ích của việc sử dụng tro bay trong bê tông và vữa xi măng hướng tới phát triển bền vững bao gồm:
+ Giảm lượng khí thải CO2 ra môi trường.
+ Giảm nguồn vật liệu xi măng poc lăng.
+ Tái sử dụng các sản phẩm thải công nghiệp.
+ Nâng cao độ bền của bê tông.
1.2.4. Phản ứng pozzolan của tro bay trong bê tông
1.2.5. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về sử dụng tro bay thay thế xi măng trong vữa xây dựng
– Amarnath Y, Rama C, Bhaskar D [13] đánh giá đặc tính cường độ của vữa xi măng thông qua chương trình thí nghiệm.
– P. Chindaprasirta, S. Homwuttiwongb, V. Sirivivatnanon [14] nghiên cứu ảnh hưởng của độ mịn của tro bay đối với tỉ lệ nước dùng và một số đặc tính của vữa xi măng. ………
1.3. Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam
Các công trình đập thuỷ điện áp dụng công nghệ đổ bê tông đầm lăn như nhà máy thuỷ điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2,… và một số công trình khác như đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập Lòng Sông (Bình Thuận),…sử dụng tro bay làm phụ gia bê tông khối lớn……
1.4 Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực công nghiệp trên thế giới
1.4.1. Tro bay sử dụng trong lĩnh vực xây dựng
Tro bay dùng làm vật liệu điền lấp, tro bay trong bê tông, tro bay làm đường xá, sản xuất gạch không nung từ tro bay, sản phẩm gạch ốp lát từ tro bay, làm vật liệu cốt liệu ……
1.4.2. Tro bay dùng trong nông nghiệp: cải tạo đất …..
1.4.3. Tro bay làm chất hấp phụ
1.4.4. Tro bay dùng công nghiệp gia công chất dẻo
1.4.5. Ứng dụng tro bay trong công nghệ nhựa nhiệt dẻo
CHƯƠNG 2:
TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT BỊ
THÍ NGHIỆM
2.1. Tiêu chuẩn áp dụng
– TCVN 4314 : 2003: Vữa xây dựng – Yêu cầu kỹ thuât [61].
– TCVN 3121-1 : 2003: Vữa xây dựng – Phương pháp thử [62].
– TCVN 7570 : 2006: Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử [63].
– TCVN 2682:2009: Xi măng póoc lăng – Yêu cầu kỹ thuât [64].
– TCVN 4506 : 2012: Nước cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuât [65].
– TCVN 141:2008: Xi măng – Phương pháp phân tích hóa học [66].
– TCVN 8825:2011, Phụ gia khoáng cho bê tông đầm lăn [67].
– TCVN 10302:2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông , vữa xi măng [68].
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\NGUYEN VAN VINH\TOM TAT
