NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA VỮA SỬ DỤNG TRO TRẤU Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA VỮA SỬ DỤNG TRO TRẤU Ở NHIỆT ĐỘ CAO

1. Lý do chọn đề tài

Theo thống kê năm 2015, sản lượng lúa của nước ta đạt 45 triệu tấn. Tuy nhiên, bên cạnh sự tăng trưởng về sản lượng và kim ngạch xuất khẩu lúa gạo, còn tồn đọng các vấn đề về bãi chứa, biện pháp thu gom, xử lý phế phẩm sau thu hoạch như rơm rạ, vỏ trấu. Năm 2015, lượng trấu thải ra từ ngành xay xát ở mức hơn 9 triệu tấn. Nhưng chỉ có khoảng 150 nghìn tấn trấu được dùng để làm thức ăn gia súc, sản xuất phân bón, ván ép, nhiên liệu đốt trong các hộ gia đình nông thôn và trong nhiều cơ sở công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp như lò nung gạch truyền thống, nung vôi, nung gốm. Như vậy vẫn còn một lượng lớn trấu dư thừa. Trong đó, nhiều nơi đã xả thẳng trấu ra kênh rạch, sông ngòi. Quá trình phân hủy của vỏ trấu làm ô nhiễm nguồn nước, đồng thời phát sinh mùi hôi, làm ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân.

Mức độ tiêu thụ bê tông trung bình trên thế giới hiện nay là khoảng 1 m³ mỗi người một năm, tức là cần khoảng 450 kg xi măng để chế tạo lượng bê tông này. Trong khi đó, cứ sản xuất 1 kg xi măng thì phát thải từ 0.8-1 kg CO₂. Tổng quát, lượng khí phát thải này của ngành xi măng chiếm từ 5-7 % lượng khí CO₂ phát thải toàn cầu.

Nước ta đang trong quá trình đô thị hóa, cơ sở hạ tầng ngày càng phát triển, nhu cầu về vật liệu xi măng ngày càng tăng. Trong khi đó, tro trấu chứa hàm lượng lớn SiO₂ vô định hình và có đặc tính cấu trúc lỗ rỗng đặc biệt khiến nó có thể là một phụ gia hoạt tính pouzolan cao, có thể được sử dụng để thay thế xi măng.

Trong bối cảnh như vậy, nghiên cứu đánh giá khả năng và hiệu quả tận dụng nguồn tro trấu của ngành nông nghiệp để làm vật liệu xây dựng trở nên vô cùng ý nghĩa và cần thiết.

2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

– Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng ứng dụng tro trấu làm vật liệu thay thế xi măng trong vữa.

– Mục tiêu của đề tài: Khảo sát và xác định các đặc tính của tro trấu sử dụng. Đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng tro trấu làm chất kết dính tới các tính chất khác nhau của vữa gồm:

+ Cường độ chịu uốn, nén của vữa ở nhiệt độ thường

+ Cường độ chịu uốn, nén dư của vữa sau khi nung ở nhiệt độ cao

+ Mất mát khối lượng của vữa sau khi nung ở nhiệt độ cao

+ Tốc độ cacbonat của vữa

Xi măng sẽ được thay thế bởi bốn hàm lượng tro trấu khác nhau gồm 5%, 10%, 20%, 30%.

Rút ra kết luận và kiến nghị về việc ứng dụng tro trấu thay thế xi măng trong xây dựng công trình.

3. Nội dung nghiên cứu

– Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vật liệu và khả năng thay thế xi măng của tro trấu trong vật liệu vữa, bê tông.

– Đo đạc các tính chất lý, hóa, của các vật liệu dùng để chế tạo vữa.

– Đo đạc các tính chất lý, hóa, cơ của vữa sử dụng tro trấu thay thế xi măng

– Rút ra kết luận và kiến nghị về việc ứng dụng tro trấu thay thế xi măng trong xây dựng công trình.

4. Phương pháp nghiên cứu

– Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu qua tài liệu (sách chuyên ngành, bài báo khoa học,..) về vật liệu xây dựng.

– Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng vật liệu để chuẩn bị mẫu thí nghiệm và dùng các thiết bị phù hợp tiến hành phân tích các đặc tính khác nhau của vật liệu.

5. Đóng góp của đề tài

Quá trình sản xuất xi măng làm cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản và phát thải khí CO₂. Ngoài ra, vỏ trấu không được xử lý đúng cách cũng gây ô nhiễm môi trường.Việc nghiên cứu tận dụng tro trấu thay thế xi măng sẽ góp phần giảm lượng xi măng cần dùng đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu tro trấu sẵn có trong nông nghiệp. Từ đó, góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu ô nhiễm, giảm giá thành vật liệu.

6. Bố cục trình bày trong luận văn

Luận văn tốt nghiệp của tôi bao gồm phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận. Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục đích và mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và đóng góp của đề tài. Phần nội dung gồm chương 1 nêu tổng quan lý thuyết, chương 2 nêu phương pháp thực nghiệm, chương 3 nêu kết quả và thảo luận. Phần kết luận trình bày một số kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu và đề xuất một số kiến nghị nghiên cứu tiếp theo.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

• 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRO TRẤU

Từ xưa đến nay, nông nghiệp là một lợi thế to lớn của nước ta, với trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, trong đó có hai vùng đồng bằng phì nhiêu đó là vùng đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng. Chỉ tính riêng trong tỉnh Đồng Tháp, sản lượng lúa ước khoảng 2.544.392 tấn/năm. Như vậy, hàng năm lượng trấu và tro trấu thải ra môi trường là rất lớn. Cần có phương án sử dụng hợp lí và hiệu quả, tránh lãng phí và ô nhiễm môi trường.

Hình 1.1. Sản lượng lúa của Việt Nam qua các năm

(theo Viện lúa đồng bằng sông Cửu Long)

1.1.1. Sơ lược về silic đioxit

1.1.1.1 Đặc điểm cấu tạo của silic đioxit

Silic đioxit không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh thể, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ.

Ở điều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristobalit. Mỗi dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng bền ở nhiệt độ thấp, dạng bền ở nhiệt độ cao.

1.1.1.2. Tính chất Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit ngay cả khi đun nóng.

Ở điều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F₂ và HF :

SiO₂ + 2F₂ SiF₄ + O₂ (1.1)

SiO₂ + 4HF SiF₄ + 2H₂O (1.2)

1.1.3. Nguồn gốc của tro trấu và phương pháp đốt

Do muội silic có giá thành rất cao, tương đối hiếm, và ở nước ta không sản xuất được, nên việc nghiên cứu sản phẩm thay thế muội silic trong vữa và bê tông chất lượng cao là một vấn đề thiết thực.

1.1.4. Cấu trúc vi mô của tro trấu

Khi được đốt, cellulose và lignin trong tro trấu sẽ cháy để lại bộ xương silica rỗng, có cấu trúc dạng tổ ong [4].

1.1.5. Thành phần hóa học của tro trấu

Thành phần hóa học của tro trấu được tổng hợp trong bảng 2 dưới đây. Tro trấu có thành phần chủ yếu là silic dioxit (SiO₂), hàm lượng khoảng 80-90 % tùy thuộc vào phương pháp đốt.

GIỚI THIỆU VỀ XI MĂNG PORTLAND

1.2.1. Thành phần hóa học của clanhke

Bảng 1.2. Thành phần hóa học của xi măng Portland thường (%).

1.2.2. Thành phần khoáng của clanhke

Khi nung đến nhiệt độ kết khối thì các ôxít trong clanhke kết hợp lại với nhau tạo thành các khoáng trong clanhke. Do vậy, hàm lượng phần trăm các khoáng tạo thành được quyết định chủ yếu bởi thành phần hóa có trong clanhke.

1.2.3. Quá trình thủy hóa rắn chắc của xi măng

a. Quá trình thuỷ hóa rắn chắc của xi măng Portland khi tác dụng với nước

– Phản ứng thủy hóa rắn chắc của xi măng Portland:

2(3CaO.SiO₂) + 6H₂O = 3CaO.2SiO₂.3H₂O + 3Ca(OH)₂ (1.5)

b. Một số thuyết đóng rắn của xi măng portland khi tác dụng với nước

1.2.4. Cấu trúc của hồ và đá xi măng

Khi nhào trộn xi măng với nước tạo thành hồ xi măng là hỗn hợp dẻo của các hạt clanhke xi măng, nước và một lượng khí lẫn vào khi nhào trộn.

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO TRẤU LÀM PHỤ GIA KHOÁNG

1.3.1. Phản ứng thủy hóa của xi măng Portland khi có tro trấu

Nói chung, cơ chế thủy hóa xi măng Portland khi trộn thêm tro trấu có thể được mô tả bởi Hwang và Chandra [20] như minh họa ở Hình 1.2 sau.

1.3.2. Ảnh hưởng của tro trấu tới các tính chất khác nhau của vữa, bê tông

Tro trấu được sử dụng trong bê tông từ rất sớm, với hai bằng sáng chế của người Đức đăng ký từ năm 1924 [23]. Tuy nhiên ban đầu, tro trấu chỉ được thu hoạch từ các phương pháp đốt không kiểm soát. Và việc sử dụng tro trấu như một phụ gia hoạt tính pouzolan chỉ thực sự tiến triển từ đầu thập niên 70 [24].

1.4. HIỆN TƯỢNG CACBONAT HÓA VỮA

Cacbonat là một quá trình diễn ra tự nhiên, khí CO₂ và nước phản ứng với các hydrat làm thay đổi tính chất các thành phần trong vữa xi măng, biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu: giảm độ rỗng;

1.4.1. Quá trình cacbonat vữa xi măng

– Quá trình portlandite phản ứng với CO₂ tạo thành canxi cacbonat (CaCO₃) và nước Ca(OH)₂ + CO₂ ↔ CaCO₃ + H₂O  (1.11)

1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cacbonat

1.4.2.1 Thông số vật liệu

– Tỷ lệ nước/xi măng (N/X): Khi tỷ lệ N/X thấp, lượng hạt xi măng trong một đơn vị thể tích nhiều và gần nhau, làm giảm tổng độ rỗng mao mạch, giảm đường kính lỗ rỗng, bề mặt phản ứng bị thu hẹp, đây là điều kiện không thuận lợi cho quá trình cacbonat [2, 3] (Hình 1.3).

Hình 1.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X đến chiều sâu cacbonat của vữa xi măng [6]

1.4.2.2. Yếu tố môi trường

– Lượng CO₂ trong không khí: Chiều sâu cacbonat tăng nhanh trong điều kiện không khí giàu CO₂ (Hình 1.5). Ta thấy rằng trong điều kiện không khí có 10% CO₂, chiều sâu cacbonat tăng khoảng 3 đến 4 lần so với điều kiện môi trường thông thường (0,03%).

Hình 1.5. Chiều sâu cacbonat trong điều kiện áp suất CO2 khác nhau

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VẬT LIỆU

2.1.1. Nguyên vật liệu

a. Xi măng

Để đánh giá khả năng thay thế xi măng trong vữa bằng tro trấu một cách chính xác, xi măng Portland PC 50 (Sông Gianh – miền Trung), chỉ gồm clanhke và thạch cao được sử dụng.

b. Tro trấu

Khối lượng tro thu được sau khi đốt 85 kg vỏ trấu khoảng 15 kg. Tro trấu sau đó được sàng loại bỏ các hạt có kích thước trên 0,09 mm để sử dụng làm thí nghiệm. Sau khi tiến hành sàng 15 kg tro, thu được 3,3 kg tro để sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng.

c. Phụ gia hóa dẻo

Loại phụ gia được sử dụng trong thí nghiệm này là phụ gia siêu hóa dẻo Sika Viscocrete HE-10, gốc polycarboxylat, khối lượng riêng khoảng 1,07 g/mL. Theo phân loại tiêu chuẩn ASTM C494, phụ gia này thuộc loại F, có khả năng giảm nước cao, đồng thời thúc đẩy quá trình ninh kết.

d. Cát

Cát sử dụng trong nghiên cứu này là cát tiêu chuẩn được sản xuất bởi công ty Long Dật Minh, đạt tiêu chuẩn TCVN6227:1996, có khối lượng 1350±5g mỗi bịch.

Hình 2.1 Cát tiêu chuẩn

e. Nước

Nước dùng để trộn vữa thí nghiệm là nước máy lấy từ nguồn nước cấp của phòng thí nghiệm.

2.1.2. Thành phần cấp phối của vữa

Thành phần cấp phối của vữa được giữ không đổi như sau: Tỷ lệ cát/chất kết dính (CKD) là 3. Tỷ lệ nước/chất kết dính là 0.6.

Hàm lượng tro trấu được sử dụng thay thế cho xi măng lần lượt ở các tỷ lệ 5%, 10%, 20% và 30%. Để giữ cho độ sụt của tất cả các mẫu vữa không đổi và bằng khoảng 5-6 cm, phụ gia hóa dẻo được sử dụng. Bảng 2.1 thể hiện thành phần cấp phối vữa sử dụng phụ gia Sika Viscocrete HE-10.

Bảng 2.1. Thành phần cấp phối vữa

2.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG

2.2.1. Tro trấu

a. Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của tro trấu được xác định theo TCVN 141-2008 và cho trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Thành phần hóa học của tro trấu

MKN: Mất khi nung

Bảng 2.3. So sánh các chỉ tiêu tính chất của tro trấu sử dụng với tiêu chuẩn

b. Mức độ kết tinh

Để tro trấu có hoạt tính pouzolan, đòi hỏi silica phải ở dạng vô định hình. Các dạng kết tinh của silica không có hoạt tính pouzolan với vôi. Nói chung chất lượng của tro trấu gắn liền với hàm lượng SiO₂ hoạt tính.

Hình 2.3 biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X đo bằng máy Rigaku SmartLa, bức xạ Cu-Kα với bước sóng λ = 1.5405 Å, góc quét 2θ = 5-70^o, tốc độ quét 5^o/min, bước quét 0.01^o.

Hình 2.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của tro trấu

2.2.2. Xi măng

Xi măng sử dụng là xi măng PC50 sông Gianh miền Trung.

.

Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của xi măng

2.3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO, BẢO DƯỠNG MẪU VỮA

2.3.1 Thiết bị và dụng cụ

Thiết bị thí nghiệm để chế tạo vữa gồm những dụng cụ chính như sau:

– Máy trộn vữa và máy nén, uốn để xác định cường độ (Hình 2.5).

(a)	(b)

Hình 2.5 Máy trộn vữa (a) và máy nén, uốn mẫu vữa (b)

– Khuôn bằng kim loại hình lăng trụ (Hình 2.6) gồm có 3 ngăn, có thể tháo lắp rời từng thanh, kích thước trong mỗi ngăn của khuôn là 160×40×40 mm³.

2.3.2 Phương pháp chế tạo

Các vật liệu chế tạo vữa gồm xi măng, cát, tro trấu và nước được cân chính xác đến 1g. Phụ gia cần dùng được định lượng bằng pipette.

2.3.3 Bảo dưỡng mẫu

2.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, CHỊU UỐN CỦA MẪU VỮA Ở NHIỆT ĐỘ THƯỜNG

2.4.1. Xác định cường độ chịu uốn

Cường độ uốn của mẫu được xác định tại 3, 7, 21, 28, 56 ngày tuổi. Quy trình uốn và xử lý số liệu được tiến hành theo TCVN 3121-11:2003.

Cường độ uốn R_u của mỗi mẫu thí nghiệm (N/mm²) được tính theo công thức:

(2.1)

Trong đó:

P_u: lực uốn gãy, N;

l: khoảng cách giữa hai gối uốn, l = 100 mm;

b, h: chiều rộng, chiều cao mẫu thí nghiệm, b = h = 40 mm.

Kết quả mẫu thí nghiệm là giá trị trung bình cộng của 3 mẫu thí nghiệm, chính xác đến 0,1 N/mm². Nếu có một kết quả sai lệch lớn hơn 10 % so với giá trị trung bình thì loại bỏ kết quả đó. Khi đó kết quả thí nghiệm là giá trị trung bình cộng của hai mẫu còn lại.

2.4.2. Xác định cường độ chịu nén

Mẫu thử nén là 6 viên mẫu gãy sau khi đã thí nghiệm uốn. Thí nghiệm nén mẫu vữa cũng được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 3121-11:2003. Cường độ nén R_n của mỗi mẫu thử (N/mm²) xác định theo công thức:

(2.2)

Trong đó

P_n: lực nén phá hủy mẫu, N;

A: diện tích tiết diện mẫu, mm².

Kết quả thử là giá trị trung bình của 6 mẫu thử, chính xác đến 0,1 N/mm². Nếu kết quả của viên mẫu nào sai lệch lớn hơn 15% so với giá trị trung bình của các viên mẫu thì loại bỏ kết quả của viên mẫu đó. Khi đó, kết quả thử là giá trị trung bình cộng của các viên mẫu còn lại.

2.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ DƯ CỦA MẪU VỮA SAU KHI NUNG

Khi được 56 ngày tuổi, các mẫu vữa với hàm lượng tro trấu thay thế lần lượt là 0%, 5%, 10%, 20% và 30% được đem nung đến 150ºC, 300ºC, 450ºC, 750ºC trong lò nung (Hình 2.9). Các mẫu vữa được cân xác định khối lượng trước và sau khi nung. Quy trình nung được minh họa trên hình 2.8.

Hình 2.8. Nhiệt độ thiết lập trong lò nung theo thời gian

(a)	(b)

Hình 2.9 Lò nung vữa

2.6. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TỐC ĐỘ CACBONAT CỦA MẪU VỮA

(a)	(b)

Hình 2.10. Bình khí CO₂ (a) và thùng thép bảo quản mẫu vữa (b)

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRO TRẤU TỚI CƯỜNG ĐỘ UỐN, NÉN CỦA MẪU VỮA Ở NHIỆT ĐỘ THƯỜNG

Cường độ uốn, nén của 5 loại vữa được thể hiện trên các Hình 3.1 và 3.2.

Hình 3.1. Cường độ uốn của vữa theo thời gian

Hình 3.2. Cường độ nén của vữa theo thời gian

3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG TRO TRẤU TỚI ỨNG XỬ CỦA MẪU VỮA SAU KHI NUNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO

3.2.1. Hao hụt khối lượng, sự xuất hiện vết nứt trên bề mặt mẫu chịu nhiệt độ cao

Nhìn bằng mắt thường ta có thể thấy sau khi nung ở nhiệt độ 150 ^oC, 300 ^oC, 450^oC thì các mẫu vữa có bề mặt trắng sạch hơn, ở mức nung 450^oC thì có thấy xuất hiện một số vết bong tróc rất nhỏ. Khi nung đến mức 750 ^oC thì các mẫu vữa xuất hiện các vết nứt ở khắp bề mặt. Riêng mẫu vữa chứa 30% tro bị nứt vỡ làm nhiều mảnh (Hình 3.3).

(A) 150^oC

(B) 300^oC

(C) 450^oC

Hình 3.3. Mẫu vữa sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 3.4. Sự thay đổi khối lượng sau khi nung

3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu tới cường độ nén dư

Cường độ nén của năm loại vữa được trình bày Hình 3.3.

Hình 3.5. Cường độ nén của vữa theo nhiệt độ

Hình 3.6. Cường độ nén tương đối của các mẫu vữa sau khi nung

3.3. ĐÁNH GIÁ TỐC ĐỘ CACBONAT CỦA VỮA

Ngày thí nghiệm	Loại vữa
	0% tro	5% tro	10% tro	20% tro	30% tro
11/3/2017
20/3/2017
01/4/2017
08/4/2017
15/4/2017
22/4/2017

Hình 3.7. Tổng hợp hình ảnh minh họa mặt cắt ngang của các mẫu vữa có dung dịch phenolphthalein theo thời gian

Hình 3.8. Cường độ nén của các mẫu vữa trước và sau khi cacbonat

3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA VIỆC THAY THẾ XI MĂNG BẰNG TRO TRẤU

Ta có bảng cấp phối 1m³ vữa cần lượng xi măng, tro trấu, cát như sau:

Tham khảo Công bố giá vật liệu xây dựng tháng 06/2017 của Sở Xây dựng Quảng Ngãi và Bảng báo giá Sika của Công ty Cổ phần Xây dựng thương mại Delta Việt Nam:

Ta có bảng giá thành của 1m³ vữa các loại như sau:

Ta có thể thấy khi càng thay nhiều tro trấu thì chi phí càng tăng. Thật vậy, chi phí của cùng một thể tích 1 m³ vữa đối với loại 5% và 10% chỉ bằng 96,3 % và 93,6% loại vữa 0%.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. 1. Kết luận
2. Đề tài đã trình bày khả năng sử dụng tro trấu, một loại phế thải nông nghiệp trên địa bàn nông thôn Việt Nam như một phụ gia hoạt tính để thay thế xi măng. Kết quả cho thấy, tro trấu là loại vật liệu rất hút nước. Khi sử dụng tro trấu thay thế xi măng, để đảm bảo tính công tác của vữa, cần tăng lượng nước nhào trộn hoặc sử dụng phụ gia siêu hóa dẻo.

2. Kiến nghị

Trong quá trình nghiên cứu, do thời gian và kinh phí hạn chế nên còn nhiều vấn đề chưa được thực hiện

– Theo dõi quá trình thủy hóa của mẫu vữa không sử dụng và có sử dụng tro trấu.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\NGUYEN NAM KHANH