Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông
Tro bay (fly ash FA), là những hạt tro rất nhỏ bị cuốn theo khí từ ống khói của các nhà máy nhiêt điện do đốt nhiên liệu than. Loại phế thải này nếu không được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn mà còn là mối hiểm họa đối với môi trường, nhất là trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ cả các ngành công nghiệp như hiện nay. Chính vì vậy việc nghiên cứu, xử lý và tận dụng tro bay trong các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đã và đang được các khoa học, công nghệ trong và ngoài nước quan tâm đặt biệt [1].
Nhìn chung, hỗn hợp bê tông bao gồm các thành phần: Cốt liệu và chất kết dính. Chất kết dính bao gồm: Xi măng + nước, phụ gia… Như vậy với hầu hết bê tông hiện đang sử dụng thì thành phần cơ bản là cốt liệu, xi măng và nước. Cường độ của cốt liệu là cố định, được quy định bởi sự hình thành của tự nhiên, trong qúa trình sử dụng vật liệu chúng ta đã chọn trước nguồn gốc sử dụng cốt liệu. Tuy nhiên, tính năng cơ lý của hỗn hợp bê tông cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chất kết dính và các lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau [4].
Vậy cường độ của bê tông chịu ảnh hưởng chủ yếu từ yếu tố chất kết dính và lỗ rỗng giữa các cốt liệu với nhau… nhằm mở rộng nghiên cứu vai trò của tro bay ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu kéo của bê tông đã thôi thúc tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông”.
– Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông:
– Đánh giá về vai trò và phạm vi ứng dụng của tro bay trong lĩnh vực xây dựng.
– Các loại vật liệu địa phương: Cát kỳ lam(huyện Điện Bàn tỉnh Quảng Nam), đá Phước Lý (tp Đà Nẵng), xi măng sông Gianh, tro bay Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
– Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tro bay phả lại đến khả năng chịu kéo của bê tông đến 90 ngày.
4. Phạm vi nghiên cứu
– Các mẫu bê tông thí nghiệm có thành phần tro bay thay thế xi măng là 0%, 10%, 20% và 40%.
– Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm.
– Đánh giá sự ảnh hưởng tỉ lệ của tro bay đến sự phát triển cường độ khả năng chịu kéo bê tông.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Xác định được tỉ lệ tối ưu của tro bay/ xi măng đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông, đưa ra kết luận sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng để bê tông làm việc hiệu quả.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan và phạm vı ứng dụng của tro bay trong xây dựng
Chương 2: Kháı nıệm, vật lıệu sử dụng và thıết bı̣ thı́ nghıệm xác đı̣nh cường độ chı̣u kéo của bê tông
Chương 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ của bê tông
Kết luận và kiến nghị.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY
Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần tro gồm các hạt rất mịn bay theo các khí ống khói được thu hồi bằng các hệ thống thu gom của các nhà máy nhiệt điện tiêu chuẩn ASTM – C618 của Mỹ.
Hình 1.1. Tro bay tại nhà máy Phả Lại
Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay theo các loại khác nhau. Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải, Trung Quốc, tro bay được phân làm hai loại là tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao. Tro bay có chứa hàm lượng canxi 8% hoặc cao hơn (hoặc CaO tự do trên 1%) là loại tro bay có hàm lượng canxi cao. Do đó, CaO trong tro bay hoặc CaO tự do được sử dụng để phân biệt tro bay có hàm lượng canxi cao với tro bay hàm lượng canxi thấp. Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám [6].
Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [7].
- Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%
- Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%
- Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%
Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [8].
Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618:
Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2+Al2O3+Fe2O3) lớn hơn70%.
Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2+Al2O3+Fe2O3) nhỏ hơn70%.
1.1.3.1. Thành phần hóa học trong tro bay
Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá. Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra. 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 [9].
1.1.3.2. Các nguyên tố vi lượng trong tro bay
Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ô nhiễm không khí và phát tán các kim loại các nguyên tố vi lượng độc hại. Hiểu được sự thay đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá cũng như hàm lượng của nó có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng trong vấn đề đánh giá tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện cũng như các ứng dụng 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.
1.1.3.3. Cấu trúc hình thái của tro bay
Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau.Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng. Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác [12].
Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản. Cấu trúc này bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong.
Sự vô cùng hỗn tạp của các hạt tro bay và cấu trúc được nhận thấy, bao gồm các hạt khác nhau trong cùng loại tro bay được thể hiện trong hình 1.4. Mẫu tro bay này được tiếp xúc nhẹ trong thời gian lâu hơn với quá trình xử lý bằng axit hydrofloric trong thời gian 1 giờ. Phần thủy tinh trong các hạt ở vùng giữa và trong của một số hạt khác được phân bố xung quanh phần đã bị hòa tan ở mức độ lớn.
1.2. Tİ́NH ƯU VİỆC VÀ ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG Lİ̃NH VỰC XÂY DỰNG
Bê tông 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 bê tông xi măng bị ảnh hưởng rất lớn đến các lỗ rỗng.
Muốn tăng cường độ bê tông xi măng cần hạn chế các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu, tăng cường độ chất kết dính ….
- Tăng mác bê tông: Bê tông là một loại đá nhân tạo được làm chủ yếu bằng xi măng.
- 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 bê tông.
- Tính chịu lực cao của bê tông tự kéo với tro bay: Xi măng portland được trộn với đá, cát và nước tạo ra được một bê tông ở cấp trung bình và tự kéo trong thời gian khoảng 03 ngày, đó là điều đang được thực hiện trong ngành công nghiệp xây dựng. Tuy nhiên, nếu trộn thêm Tro bay vào thì bê tông sẽ có tính chịu lực cao.
- Chống được sự xâm nhập của ACID SULFURIC của bê tông hiện đại: Khi khói của các nhà máy bay lên thì có lẫn cặn SO2 . Cặn này trộn lẫn với hơi nước của mây tạo thành H2SO4(Acid Sulfuric), khi mưa sẽ có một lượng nước mưa có vị chua, gọi là mưa acid. Mưa này làm cho bê tông portland bị rỗ mặt và sau đó bị rạn nứt theo thời gian. Nếu là bê tông cốt thép thì lượng thép nằm bên trong sẽ bị hen gỉ.
- Tạo tính bền Sulfat cho bê tông của xi măng portland: Xi măng Sông Gianh trộn với cát, đá và nước ngọt tạo ra một bê tông có độ bền đến 50 năm, nhưng khi trộn với nước mặn, độ bền lại không quá 5 năm. Vì khi nung xi măng bằng đá vôi và đất sét, bao giờ cũng có một lượng CaO tự do chiếm khoảng 6% trong xi măng. Đất vôi này gặp nước lợ hay nước mặn có gốc sulfat, gốc này kết hợp với vôi để tạo ra một muối thạch cao có cơ tính đặc biệt là hút nước và trương nở.
- Tác dụng của Tro bay đến vấn đề hạ nhiệt cho bê tông: Khi thi công các công trình bê tông khối lớn một vấn đề cấp thiết luôn được đặt ra là làm thế nào để giảm được nhiệt độ trong lòng bê tông. Nhiệt độ trong lòng bê tông có thể lớn hơn 400C gây nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt. Nên rất cần giảm xi măng và bổ xung một lượng chất độn mịn là tro bay để đảm bảo tính công tác, tính chống thấm và cường độ RCC.
“Khử vôi tự do CaO” trong xi măng (khoảng 6%) là thành phần gây “nổ” làm giảm chất lượng bê tông trong môi trường nước; đặc biệt trong việc đổ những khối bê tông cực lớn ở các công trình thủy điện, khi có phụ gia tro bay có thể đổ bê tông gián đoạn mà không phải đổ liên tục như bê tông thường;
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.
Để nâng cao vấn đề xây dựng phát triển bền vững, bê tông và vữa xây dựng được sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng. 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 poclang.
+ Tái sử dụng các sản phẩm thải công nghiệp.
+ Nâng cao độ bền của bê tông
Xi măng poclang là sản phẩm bao gồm 4 loại khoáng chất Tricalcium Silicate C3S (3CaO.SiO2), Dicalcium Silicate C2S (2CaO.SiO2), Tricalcium Aluminate C3A (3CaO.Al2O3)and Tetracalcium alumina-ferrite C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3). Những thành phần khoáng này phản ứng với nước để sản xuất ra hợp chất tạo cường độ cho bê tông (CSH- hydrated calcium silicate) và vôi. Tuy nhiên khi tro bay được thêm vào hỗn hợp bê tông, nó tiếp tục phản ứng với vôi để tiếp tục hình thành CSH giống như phản ứng của xi măng poclang vơi nước tạo ra và từ đó gia tang cường độ của bê tông giống như Hình 1.4. Vì thế có thể xem phản ứng pozzolan của tro bay thực chất là phản ứng với vôi để hình thành nên CSH.
Xi măng poc lăng + Nước:
Calciuin Silicate hydrate (CSH): tạo cường độ bê tông
Vôi tự do (CaOH): không tạo cường độ bê tông
Xi măng poc lăng + Nước + Tro bay:
Calciuin Silicate hydrate (CSH): tạo cường độ bê tông
Vôi tự do (CaOH) + tro bay
Hình 1.6: Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tông
1.2.55.1. Tro bay dùng làm vật liệu điền lấp
Tro bay có thể dùng để phục hồi và cải tạo các vùng đất yếu bởi các hoạt động khác. Tro bay được sử dụng cho phát triển các công trình công cộng như công viên, bãi đậu xe, sân chơi,… Tro bay có độ bền đầm nén tương đươnghoặc lớn hơn đất nên thường được sử dụng trong các lĩnh vực bồi đắp đất .
1.2.5.2. Tro bay trong bê tông
Tro bay cải thiện độ bền và kết cấu của bê tông dẫn đến tăng tuổi thọ của đường. Thông thường, tro bay có thể thay thế từ 15 đến 30% xi măng portland. Hiện nay, tro bay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho bê tông xi măng, làm độn cho bê tông asphalt. Một số công trình xây dựng nổi tiếng trên thế giới đã sử dụng tro bay trong bê tông như đập Puylaurent ở Pháp, cây cầu Great Belt East nối Copenhagen (Đan Mạch) với những vùng đất của trung tâm châu Âu [14].
1.2.5.3. Gạch không nung từ tro bay
Tro bay cũng là phế liệu thân thiện môi trường. Gạch tro bay được tạo thành từ tro bay, cát và xi măng, trong đó tro bay là chất độn chính và cát là chất độn thứ hai. Còn xi măng làm chất kết dính tất cả các nguyên liệu với nhau. Ở Đức, tro bay được ứng dụng để sản xuất gạch xây nhà. Các khối gạch này được tạo ra từ hỗn hợp của tro xỉ, tro bay, đá vôi và nước được ép thành khuôn [15].
1.2.5.4. Sản phẩm gạch ố p lát từ tro bay
Gạch ốp lát có thể được sản xuất từ tro bay. Gạch ốp lát gồm hai lớp: lớp măṭ và lớp nền. Lớp mặt là hỗn hợp gồm
nhựa men, xi măng, bôt tro bay và đôlômit . Lớp nêǹ là hỗn hợp gồm tro bay
bán khô, xi măng và bụi mỏ đá [14].
1.2.5.5. Làm vật liệu cốt nhẹ
Nhiều công nghệ đã được phát triển để sản xuất cốt liệu nhân tạo từ tro bay. Cốt liêu từ sản phẩm tro bay có thể được sử dụng cho một loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng, bao gồm thành phần xây dựng, thành phần bê tông đúc sẵn, bê tông trộn sẵn cho các tòa nhà cao tầng,… [14].
Tro bay có thể cải tao đất và nâng cao khả năng giữ ẩm, đô ̣phì nhiêu cho đất. Nó cải thiện sự hấp thu nước và chất dinh dưỡng của cây trồng, giúp sự phát triển của rễ cây và kết dính đất , dầu khoáng và cacbohydrat dự trữ để sử dụng khi cần thiết, bảo vệ thực vật các bệnh tật từ đất gây ra, và giải độc đất bị ô nhiễm. Năng suất cây trồng cũng tăng lên, như các thí nghiệm trên lạc, hướng dương, hạt lanh và hạt có dầu khác đã minh chứng.
Trong những năm gần đây, việc sử dụng tro bay đã thu hút rất nhiều trong công nghiệp, việc sử dụng này sẽ giảm bớt gánh nặng về môi trường và nâng cao lợi ích kinh tế. Tính khả thi kỹ thuật của việc sử dụng tro bay làm chất hấp phụ giá rẻ cho các quá trình hấp phụ khác nhau để loại bỏ các chất ô nhiễm trong không khí và nước đã được xem xét.
Ngành nhựa là một trong những ngành tăng trưởng ổn định trên thế giới, với tốc độ tăng trưởng trung bình là 9% trong vòng 50 năm qua. Hiện tại, Trung Quốc, Trung Đông và Nga sản xuất và xuất khẩu nguyên liệu nhựa nhiều nhất thế giới. Thị trường Trung Quốc có sức tăng trưởng mạnh nhất, 6 tháng đầu năm 2010, Trung Quốc đã sản xuất 21 triệu tấn hạt nhựa, tăng 23% so với cùng kỳ năm ngoái. Trong khi đó, Trung Đông là khu vực sản xuất polyetylen (PE) lớn nhất. Xuất khẩu PE ở Trung Đông theo ước tính tăng từ 4,3 triệu tấn lên 11,7 triệu tấn trong năm 2013, vượt châu Á và Tây Âu
Năm 1999 đã diễn ra Hội nghị quốc tế về ứng dụng tro bay (International Ash Utilization Symposium) tại Vương quốc Anh [48]. Nhiều công trình đã công bố các kết quả nghiên cứu ứng dụng rất đa dạng tro bay vào công nghiệp, chủ yếu làm phụ gia cho các vật liệu xi măng, cao su và nhựa tổng hợp. Nhóm nghiên cứu của Nam Phi đã sử dụng 2 loại tro bay thương phẩm plasfill 5 và plasfill 15 để nghiên cứu gia cường cho cao su thiên nhiên [49]. Qua khảo sát tính chất lưu biến (momen quay cực đại và cực tiểu, thời gian lưu hoá,…) thấy rằng độ nhớt của cao su giảm xuống và như vậy, tro bay đã giúp cho quá trình gia công tốn ít thời gian hơn. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất cơ lý của vật liệu không khác nhiều so với chất độn khác như CaCO3 ở các hàm lượng 50, 100 và 150%. Với các tính chất cơ lý nổi trội, chủ yếu là độ bền kéo đứt và modul đàn hồi của vật liệu có bột cao lanh gia cường, sự gia tăng độ dãn dài khi đứt của vật liệu có sử dụng plasfill, chứng tỏ tính ưu việt của tro bay cũng như cao lanh trong công nghiệp gia công cao su.
Nước ta hiện đang trong quá trình phát triển xây dựng cầu cống, các công trình thuỷ điện, các đê kè. Theo khảo sát thì các công ty bê tông cung cấp cho thị trường khoảng 15% là bê tông đúc sẵn, 85% còn lại là do các nhà máy xi măng bán thẳng cho chủ đầu tư xây dựng. Tro bay được dùng làm phụ gia bê tông khối lớn cho 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),… .Tro bay có hàm lượng mất khi nung nhỏ hơn 11% có thể dùng để trộn vào xi măng với tỷ lệ trung bình 10÷20%. Hiện tại, tro bay Phả Lại (SCL- FLY ASH) đã được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất tại Nhà máy xi măng Hoàng Thạch với tỷ lệ trộn 14%, tại nhà máy xi măng Sông Gianh với tỷ lệ trộn 18%.
KHÁI NIỆM, VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO CỦA
BÊ TÔNG
2.1. CƯỜNG ĐỘ CHỊ̇U KÉO CỦA BÊ TÔNG
Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia. Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn. Loại bé là cát có kích thước (1-5)mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5-40)mm. Chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác.
Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dạng kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một số ít nước thừa và lôc rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi).
2.1.2. Cường độ chịu kéo của bê tông
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\TA VO KA TO\SAU BAO VE\TOM TAT
Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông
