Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng ngày càng tăng cao, việc khai thác cát sông – nguyên liệu chính trong sản xuất bê tông – đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nghiêm trọng. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng cát trong xây dựng giai đoạn 2016-2020 ước đạt khoảng 2,3 tỷ m³, trong khi nguồn cát tự nhiên phục hồi rất chậm. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm vật liệu thay thế bền vững, thân thiện với môi trường. Tro xỉ nhiệt điện, đặc biệt là tro đáy than (Coal Bottom Ash – CBA), chiếm khoảng 20% lượng tro thải từ các nhà máy nhiệt điện, được xem là nguồn vật liệu tiềm năng để thay thế cát sông trong bê tông.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế và trạng thái ẩm của CBA đến các tính chất cơ học của bê tông cường độ cao, bao gồm cường độ nén, cường độ kéo uốn, khối lượng thể tích, độ hút nước và thể tích rỗng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm ở Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng CBA lấy từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, Trà Vinh. Các mẫu bê tông được chế tạo với tỷ lệ thay thế CBA từ 0 đến 100% theo thể tích, ở hai trạng thái ẩm: khô hoàn toàn và trạng thái tự nhiên, được dưỡng hộ trong điều kiện kín và ngâm nước ở các tuổi 3, 7, 28, 56 và 91 ngày.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, góp phần giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên, đồng thời xử lý hiệu quả chất thải công nghiệp, hướng tới xây dựng nền công nghiệp xây dựng xanh và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hydrat hóa xi măng: Quá trình phản ứng giữa clinker xi măng và nước tạo thành các sản phẩm hydrat hóa như canxi silicat hydrat (CSH), canxi hydroxit (CH), ettringite, góp phần tạo nên cấu trúc rắn chắc của bê tông.
  • Phản ứng pozzolanic: Các thành phần silica và alumina trong CBA phản ứng với CH tạo thành CSH bổ sung, tăng cường tính bền vững và cơ tính của bê tông.
  • Mô hình ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế và trạng thái ẩm của CBA: Tỷ lệ thay thế và trạng thái ẩm ảnh hưởng đến quá trình hydrat hóa, cấu trúc vi mô và các tính chất cơ học của bê tông.
  • Khái niệm về thể tích rỗng và độ hút nước: Thể tích rỗng và độ hút nước là các chỉ tiêu quan trọng phản ánh cấu trúc mao dẫn và khả năng thấm nước của bê tông, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và độ bền lâu dài.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: CBA được lấy từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, Trà Vinh; cát sông lấy tại khu vực Tây Nam Bộ. Xi măng PC40 được sử dụng theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2009.
  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu bê tông được chế tạo với tỷ lệ thay thế CBA lần lượt là 0%, 25%, 50%, 75% và 100% theo thể tích, ở hai trạng thái ẩm: khô hoàn toàn và trạng thái tự nhiên.
  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm đo cường độ nén, cường độ kéo uốn, khối lượng thể tích, độ hút nước và thể tích rỗng theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993, TCVN 3119:1993, TCVN 8828:2011. Mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện kín và ngâm nước ở các tuổi 3, 7, 28, 56 và 91 ngày.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế CBA đến cường độ bê tông:

    • Khi thay thế 50% cát sông bằng CBA ở trạng thái tự nhiên, cường độ nén và kéo uốn của bê tông tăng lên đáng kể, đạt mức cao nhất so với các tỷ lệ khác.
    • Cường độ nén tăng khoảng 10-15% so với mẫu không sử dụng CBA ở tuổi 28 ngày.
    • Cường độ kéo uốn cũng tăng tương ứng, cho thấy khả năng chịu kéo của bê tông được cải thiện.

  2. Ảnh hưởng của trạng thái ẩm của CBA:

    • Bê tông sử dụng CBA ở trạng thái tự nhiên có cường độ cao hơn so với CBA khô hoàn toàn, do nước trong CBA tự nhiên đóng vai trò như chất dưỡng ẩm nội sinh, thúc đẩy quá trình hydrat hóa xi măng.
    • Mẫu dưỡng hộ trong điều kiện kín có cường độ cao hơn khoảng 8-12% so với mẫu dưỡng hộ trong nước.

  3. Thể tích rỗng và độ hút nước:

    • Tỷ lệ thay thế CBA càng cao làm tăng thể tích rỗng và độ hút nước của bê tông, đặc biệt ở trạng thái khô của CBA.
    • Tuy nhiên, ở tỷ lệ 50% và trạng thái tự nhiên, thể tích rỗng giảm nhẹ so với các tỷ lệ cao hơn, đồng thời độ hút nước cũng được kiểm soát tốt hơn.

  4. Khối lượng thể tích bê tông:

    • Sử dụng CBA làm giảm nhẹ khối lượng thể tích bê tông, khoảng 3-5% so với mẫu chuẩn, do CBA có khối lượng riêng thấp hơn cát sông.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thay thế cát sông bằng CBA ở tỷ lệ 50% và trạng thái ẩm tự nhiên là tối ưu nhất, vừa đảm bảo tăng cường các tính chất cơ học, vừa kiểm soát được độ hút nước và thể tích rỗng. Nguyên nhân chính là do nước tự nhiên trong CBA cung cấp độ ẩm nội sinh, giúp xi măng hydrat hóa liên tục, làm giảm thể tích rỗng và tăng cường liên kết trong bê tông.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của các nhà nghiên cứu tại Malaysia và Ấn Độ, khẳng định tính khả thi của CBA trong bê tông cường độ cao. Việc dưỡng hộ trong điều kiện kín cũng được chứng minh là hiệu quả hơn dưỡng hộ trong nước, do hạn chế sự mất nước và duy trì độ ẩm cần thiết cho phản ứng hydrat hóa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ nén và kéo uốn theo tỷ lệ thay thế và thời gian dưỡng hộ, cùng bảng so sánh thể tích rỗng và độ hút nước giữa các mẫu. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt về tính chất vật liệu khi sử dụng CBA.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ thay thế 50% CBA ở trạng thái tự nhiên trong sản xuất bê tông cường độ cao nhằm tối ưu hóa tính chất cơ học và độ bền lâu dài, thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm, do các nhà máy sản xuất bê tông và nhà thầu xây dựng thực hiện.

  2. Khuyến khích dưỡng hộ bê tông trong điều kiện kín để tăng cường hiệu quả hydrat hóa, giảm thiểu mất nước, nâng cao chất lượng công trình, áp dụng trong các dự án xây dựng dân dụng và công nghiệp.

  3. Phát triển quy trình xử lý và bảo quản CBA nhằm duy trì trạng thái ẩm tự nhiên, tránh sấy khô quá mức gây giảm tính năng vật liệu, do các nhà máy nhiệt điện phối hợp với các đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng thực hiện.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc sử dụng CBA thay thế cát sông trong bê tông tại Việt Nam, làm cơ sở pháp lý và kỹ thuật cho các dự án xây dựng, do Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sâu về vật liệu xây dựng thay thế, phát triển công nghệ bê tông xanh, ứng dụng thực tiễn trong các đề tài khoa học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao chất lượng bê tông và thân thiện môi trường.

  3. Nhà thầu và kỹ sư thi công xây dựng: Lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa quy trình thi công, đảm bảo chất lượng công trình và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách: Xây dựng chính sách phát triển vật liệu xây dựng bền vững, quản lý khai thác tài nguyên thiên nhiên, thúc đẩy tái sử dụng chất thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. CBA là gì và tại sao được chọn để thay thế cát sông?
    CBA là tro đáy than, thành phần không cháy còn lại sau quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện, chiếm khoảng 20% lượng tro thải. CBA có kích thước hạt và độ cứng phù hợp, có thể thay thế cát sông trong bê tông, giúp giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý chất thải hiệu quả.

  2. Tỷ lệ thay thế CBA tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 50% thay thế cát sông bằng CBA ở trạng thái ẩm tự nhiên mang lại hiệu quả tốt nhất về cường độ và độ bền của bê tông, đồng thời kiểm soát tốt thể tích rỗng và độ hút nước.

  3. Trạng thái ẩm của CBA ảnh hưởng thế nào đến bê tông?
    CBA ở trạng thái tự nhiên chứa nước nội sinh giúp duy trì độ ẩm trong bê tông, thúc đẩy quá trình hydrat hóa xi măng liên tục, tăng cường cường độ và giảm thể tích rỗng so với CBA khô hoàn toàn.

  4. Phương pháp dưỡng hộ nào hiệu quả nhất?
    Dưỡng hộ trong điều kiện kín (bao phủ bằng màng PE) giúp giữ ẩm tốt hơn, tăng cường quá trình hydrat hóa và nâng cao cường độ bê tông so với dưỡng hộ trong nước.

  5. Việc sử dụng CBA có ảnh hưởng đến khối lượng thể tích bê tông không?
    Có, sử dụng CBA làm giảm nhẹ khối lượng thể tích bê tông khoảng 3-5% do CBA có khối lượng riêng thấp hơn cát sông, điều này có thể giúp giảm trọng lượng công trình mà không làm giảm chất lượng.

Kết luận

  • Thay thế cát sông bằng CBA ở tỷ lệ 50% và trạng thái ẩm tự nhiên là giải pháp hiệu quả nhất để nâng cao tính chất cơ học của bê tông cường độ cao.
  • Trạng thái ẩm tự nhiên của CBA đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp độ ẩm nội sinh, thúc đẩy quá trình hydrat hóa xi măng.
  • Dưỡng hộ bê tông trong điều kiện kín giúp tăng cường cường độ và độ bền lâu dài.
  • Việc sử dụng CBA góp phần giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý chất thải công nghiệp hiệu quả.
  • Khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu trong sản xuất bê tông và xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và nhà thầu nên thử nghiệm áp dụng tỷ lệ thay thế 50% CBA trong các dự án thực tế, đồng thời phối hợp với cơ quan quản lý để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình xử lý CBA phù hợp.