Khảo sát sự ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của xi măng Vicem Hà Tiên

Đồ án khảo sát ảnh hưởng của tro bay đến tính chất xi măng Vicem Hà Tiên - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: Lê Minh Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Khảo sát sự ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của xi măng Vicem Hà Tiên
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tro bay và xi măng Vicem Hà Tiên

Tro bay là phụ phẩm công nghiệp từ quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện. Vật liệu này chứa hàm lượng oxit silic và oxit nhôm vô định hình rất cao. Ngành sản xuất xi măng sử dụng tro bay như một loại phụ gia khoáng pozzolanic hoạt tính. Xi măng Vicem Hà Tiên loại PCB40 là dòng sản phẩm phổ biến trên thị trường xây dựng Việt Nam. Dòng xi măng này có chất lượng ổn định và độ bền cơ lý cao. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung đánh giá nguồn tro bay Duyên Hải 1. Nghiên cứu xác định khả năng thay thế một phần clinker trong xi măng Vicem Hà Tiên bằng tro bay. Việc này giúp giảm chi phí sản xuất chất kết dính. Hoạt động này cũng góp phần bảo vệ tài nguyên khoáng sản tự nhiên. Tro bay phản ứng với canxi hydroxit sinh ra trong quá trình thủy hóa clinker. Phản ứng tạo ra gel canxi silicat hydrat giúp làm đặc chắc cấu trúc đá xi măng. Tận dụng tro bay còn giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường từ các bãi thải xỉ than. Đây là hướng đi bền vững cho ngành vật liệu xây dựng hiện đại.

1.1. Đặc tính kỹ thuật của tro bay Duyên Hải 1

Tro bay Duyên Hải 1 là phụ phẩm mịn thu gom từ hệ thống lọc bụi tĩnh điện của nhà máy nhiệt điện. Tro bay có cỡ hạt nhỏ và độ mịn cao. Thành phần khoáng chứa tỷ lệ lớn silic dioxit và nhôm oxit hoạt tính. Hình thái hạt tro bay có dạng hình cầu nhẵn bóng. Cấu trúc hình cầu giúp tạo hiệu ứng bi lăn trong khối vữa. Nhờ đó, vật liệu giảm ma sát nội tại giữa các hạt xi măng. Lượng mất khi nung của tro bay ở mức thấp, đảm bảo tiêu chuẩn làm phụ gia khoáng cho xi măng pooclăng hỗn hợp. Nghiên cứu kiểm tra thành phần hóa học cho thấy tro đạt chuẩn pozzolan loại F.

1.2. Tiêu chuẩn chất lượng xi măng Vicem Hà Tiên

Xi măng Vicem Hà Tiên PCB40 đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 6260:2020. Sản phẩm có thành phần chính gồm clinker pooclăng, thạch cao và một lượng phụ gia khoáng điều chỉnh. Thạch cao chiếm tỷ lệ từ 3% đến 5% nhằm ổn định thời gian đông kết của xi măng. Xi măng thương phẩm có độ mịn bề mặt cao và khả năng bám dính tốt. Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt trên 40 MPa. Hãng Vicem Hà Tiên duy trì quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt tại nhà máy. Việc kết hợp tro bay vào mác xi măng này đòi hỏi khảo sát chi tiết để đảm bảo độ ổn định thể tích và độ bền cơ lý.

II. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến xi măng Vicem Hà Tiên

Khi thêm tro bay vào xi măng Vicem Hà Tiên, các đặc tính của hồ và vữa có nhiều biến đổi rõ rệt. Tro bay làm thay đổi lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng. Hình dạng hạt cầu giúp vữa trơn tru hơn nhưng tỷ lệ tro cao lại làm chậm tốc độ đóng rắn ban đầu. Tốc độ phát triển cường độ sớm ở 3 ngày và 7 ngày tuổi thường có xu hướng suy giảm. Nguyên nhân do phản ứng pozzolanic diễn ra chậm hơn tốc độ thủy hóa trực tiếp của khoáng alite trong clinker. Canxi silicat hydrat thứ cấp chỉ hình thành mạnh sau thời gian 14 đến 28 ngày. Nếu tỷ lệ pha trộn tro bay vượt ngưỡng cho phép, cấu trúc hồ xi măng dễ bị xốp ở giai đoạn đầu. Hiện tượng này ảnh hưởng xấu đến cường độ nén ngắn ngày và khả năng tháo dỡ cốp pha công trình. Tuy nhiên, lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa giảm đi rõ rệt. Điều này giúp hạn chế nguy cơ nứt nẻ do co ngót nhiệt ở các khối bê tông thể tích lớn. Nghiên cứu thực nghiệm tại ĐH SPKT TP.HCM đã làm rõ giới hạn thay thế để kiểm soát các vấn đề này.

2.1. Biến đổi thời gian đông kết và độ dẻo tiêu chuẩn

Sự xuất hiện của tro bay làm thay đổi đáng kể lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng Vicem Hà Tiên. Các hạt tro dạng cầu tròn tạo hiệu ứng bôi trơn tốt. Do đó, hỗn hợp vữa có độ linh động cao hơn với cùng một tỷ lệ nước trên chất kết dính. Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của hồ xi măng kéo dài hơn so với mẫu đối chứng không có tro. Hiện tượng này tăng dần theo hàm lượng tro bay phối trộn. Sự kéo dài thời gian đông kết tạo thuận lợi lớn cho công tác vận chuyển bê tông đường dài. Thợ thi công có thêm thời gian đổ và đầm nén vữa tại hiện trường mà không lo đóng rắn sớm.

2.2. Xu hướng suy giảm cường độ nén giai đoạn sớm

Cường độ nén ở ngày tuổi thứ 3 và thứ 7 của vữa xi măng Vicem Hà Tiên giảm dần khi tăng tỷ lệ tro bay. Clinker bị thay thế dẫn đến hàm lượng khoáng C3S và C2S trong hỗn hợp suy giảm. Tro bay đóng vai trò phụ gia trơ trong những ngày đầu sau khi nhào trộn. Lượng vôi canxi hydroxit tự do chưa đủ kích hoạt phản ứng pozzolanic mạnh mẽ. Cường độ vữa ở tuổi sớm chủ yếu dựa vào sự thủy hóa của lượng clinker còn lại. Do đó, mẫu chứa tỷ lệ tro trên 20% thể hiện cường độ 3 ngày giảm rõ rệt. Đây là hạn chế cần xử lý kỹ thuật khi tháo dỡ ván khuôn trong thi công xây dựng dân dụng.

III. Phương pháp cấp phối tro bay vào xi măng Vicem Hà Tiên

Nhằm tối ưu hóa chất lượng xi măng Vicem Hà Tiên phối trộn tro bay, đề tài tại ĐH SPKT TP.HCM thiết lập quy trình thí nghiệm chuẩn hóa. Nghiên cứu tiến hành khảo sát các tỷ lệ thay thế tro bay từ 5%, 10%, 15% đến 20% và 25% theo khối lượng. Phương pháp thử tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về xi măng và vữa. Các mẫu tro bay Duyên Hải 1 trải qua khâu sàng sấy loại bỏ tạp chất và hạt thô. Quá trình trộn cơ học được kiểm soát tốc độ và thời gian nhằm phân tán đồng đều các hạt tro vào clinker. Các thí nghiệm đo độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích Le Chatelier được thực hiện lặp lại. Cường độ nén và uốn được kiểm tra tại các mốc 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày tuổi. Kết quả thực nghiệm cho thấy tỷ lệ cấp phối 15% tro bay mang lại giá trị kỹ thuật và kinh tế tốt nhất. Tại mức 15%, phản ứng pozzolanic bù đắp hoàn toàn sự thiếu hụt clinker ở tuổi 28 ngày. Mẫu thử đạt mác thiết kế và có cấu trúc vi mô đặc chắc vượt trội.

3.1. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu 15 tro bay

Tỷ lệ phối trộn 15% tro bay Duyên Hải 1 vào xi măng Vicem Hà Tiên là giải pháp cấp phối tối ưu nhất trong nghiên cứu. Ở mức tỷ lệ này, lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng không thay đổi đáng kể so với mẫu chuẩn. Độ ổn định thể tích của mẫu vữa duy trì an toàn dưới giới hạn tiêu chuẩn cho phép. Đặc biệt, cường độ chịu nén ở mốc 28 ngày đạt xấp xỉ tương đương xi măng nguyên chất. Tỷ lệ 15% vừa đảm bảo tiêu chuẩn cường độ mác PCB40, vừa giảm đáng kể lượng clinker tiêu thụ. Giải pháp giúp hạ giá thành sản phẩm xi măng nhưng vẫn giữ trọn các phẩm chất cơ lý cốt lõi.

3.2. Quy trình xử lý và phối trộn công nghệ cao

Để tro bay phát huy hiệu quả pozzolanic tối đa, khâu tiền xử lý đóng vai trò quyết định. Tro bay được sấy khô để kiểm soát độ ẩm dưới mức 1%. Sau đó, vật liệu được nghiền mịn hoặc phân tách hạt qua hệ thống sàng khí xoáy. Quá trình nghiền chung tro bay cùng clinker và thạch cao tạo ra sự đồng nhất vượt trội về kích thước hạt. Diện tích bề mặt riêng của hỗn hợp xi măng tăng lên, thúc đẩy tốc độ phản ứng hóa học. Công nghệ trộn cưỡng bức hỗ trợ phân tán đều các vi hạt cầu vào khe rỗng giữa các tinh thể clinker. Nhờ quy trình xử lý chuẩn hóa, xi măng thành phẩm đạt tính công tác vượt trội và giảm thiểu lỗ xốp mao dẫn.

IV. Kết luận và ứng dụng tro bay trong xi măng Vicem Hà Tiên

Nghiên cứu của ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi cao khi ứng dụng tro bay Duyên Hải 1 vào xi măng Vicem Hà Tiên. Việc pha trộn tro bay không chỉ duy trì tính năng cơ lý của xi măng mà còn nâng cao độ bền lâu dài của công trình. Xi măng pooclăng hỗn hợp chứa tro bay có khả năng chống thấm nước tốt hơn và ngăn chặn xâm thực ion clo cũng như sunfat. Sản phẩm này đặc biệt phù hợp cho các công trình hạ tầng ven biển và công trình thủy lợi tại miền Nam Việt Nam. Bên cạnh giá trị kỹ thuật, việc sử dụng tro bay mang lại lợi ích kinh tế rõ nét nhờ cắt giảm lượng clinker đắt đỏ trong phối liệu. Nhà máy giảm tiêu hao năng lượng nung clinker và giảm phát thải khí nhà kính CO2 ra môi trường. Đây là giải pháp sản xuất xanh, thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp vật liệu. Việc nhân rộng mô hình này giúp các nhà máy xi măng giải quyết bài toán tiêu thụ tro xỉ nhiệt điện quy mô lớn.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường trong sản xuất

Ứng dụng tro bay vào xi măng Vicem Hà Tiên mang lại giá trị kép về kinh tế và môi trường sinh thái. Tro bay là nguồn phế thải công nghiệp dồi dào với chi phí thu gom thấp. Việc thay thế 15% clinker giúp đơn vị sản xuất hạ giá thành phẩm trực tiếp trên từng tấn xi măng xuất xưởng. Bên cạnh đó, quá trình giảm lượng nung clinker giúp tiết kiệm than đá và điện năng tiêu thụ. Lượng phát thải CO2 ra khí quyển được cắt giảm tương ứng với tỷ lệ clinker thay thế. Điều này hỗ trợ doanh nghiệp đạt các chứng chỉ công trình xanh và giảm thiểu chi phí xử lý môi trường tại các bãi chứa tro nhiệt điện.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong xây dựng hạ tầng

Xi măng Vicem Hà Tiên biến tính tro bay sở hữu nhiều đặc tính phù hợp cho công trình hạ tầng quy mô lớn. Độ đặc chắc cao cùng khả năng cản trở ion clo xâm thực giúp bảo vệ cốt thép trong môi trường nước biển và vùng ngập mặn. Sản phẩm là lựa chọn hoàn hảo cho các khối bê tông lớn như đập thủy điện, móng trụ cầu và cầu cảng nhờ nhiệt thủy hóa thấp. Nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt được kiểm soát hiệu quả. Ngoài ra, độ bền sunfat vượt trội cho phép công trình ngầm duy trì tuổi thọ lâu dài mà không bị ăn mòn hóa học, mang đến độ bền vững tối đa cho các dự án xây dựng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng quy mô phát điện từ các nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam làm nảy sinh áp lực lớn về mặt môi trường do lượng tro, xỉ thải ra hàng năm. Theo số liệu trong văn bản, tổng lượng tro xỉ tích tụ tại các bãi chứa trên cả nước ước tính khoảng 30 triệu tấn. Nhằm giải quyết tình trạng này, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành các văn bản chỉ đạo gồm Quyết định số 1696/QĐ-TTg ngày 23/9/2014 và Quyết định số 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2017 về việc đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, hóa chất phân bón làm vật liệu xây dựng. Cùng thời điểm, ngành công nghiệp sản xuất xi măng tại Việt Nam phát triển mạnh với sản lượng tiêu thụ năm 2018 đạt khoảng 96,73 triệu tấn (tăng 19% so với năm 2017) và dự báo năm 2020 đạt từ 101 đến 103 triệu tấn. Nếu ứng dụng tỷ lệ 5% phụ gia tro bay vào sản xuất xi măng năm 2020, khối lượng tro bay tiêu thụ dự tính có thể đạt khoảng 5,1 triệu tấn, giúp giảm áp lực bãi chứa và giảm tỷ lệ sử dụng clinker vốn tiêu tốn nhiều nhiệt năng nung luyện.

Công ty Cổ phần Xi măng Vicem Hà Tiên là đơn vị sản xuất lớn với sản lượng tiêu thụ năm 2018 đạt hơn 6,8 triệu tấn xi măng và trên 4,3 triệu tấn clinker. Việc nghiên cứu bổ sung nguồn tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (tỉnh Trà Vinh) vào các dòng xi măng thương mại của Vicem Hà Tiên mang tính thực tiễn cao, vừa giải quyết phế thải công nghiệp tại khu vực phía Nam, vừa tối ưu hóa giá thành sản phẩm.

Khóa luận xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Kiểm tra các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của nguyên liệu tro bay Duyên Hải 1 và xi măng Vicem Hà Tiên.
2. Thực hiện phối trộn tro bay vào xi măng theo các tỷ lệ cấp phối khác nhau (từ 0% đến 25% với bước nhảy 5%) để khảo sát.
3. Khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật của hồ xi măng và vữa xi măng theo hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), bao gồm lượng nước tiêu chuẩn, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết, độ giãn nở thể tích và cường độ nén ở các ngày tuổi 3, 7 và 28 ngày.
4. Phân tích, đánh giá tính chất của xi măng Vicem Hà Tiên khi có mặt tro bay và lựa chọn mẫu cấp phối tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Xi măng pooclăng hỗn hợp thương mại PCB40 của Công ty Xi măng Vicem Hà Tiên và tro bay tuyển từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (xã Dân Thành, huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh).
• Phạm vi không gian: Thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 01/11/2019 và hoàn thành báo cáo vào ngày 16/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của khóa luận tập trung vào bản chất hóa học của clinker xi măng pooclăng và cơ chế phản ứng pozzolanic của phụ gia khoáng tro bay:

• Khung lý thuyết khoáng hóa clinker: Thành phần clinker pooclăng gồm 4 pha khoáng chính chiếm 95–97%: Alite ($C_3S$, tricalcium silicate, chiếm 40–60%), Belite ($C_2S$, dicalcium silicate, chiếm 15–35%), Tricalcium aluminate ($C_3A$, chiếm 4–14%), và Tetracalcium aluminoferrite ($C_4AF$, chiếm 10–18%), cùng pha thủy tinh (15–25%). Quá trình thủy hóa giải phóng nhiệt và sinh ra các sản phẩm kết tinh gồm gel canxi silicat hydrat (C-S-H), canxi hydroxit ($Ca(OH)_2$ hay portlandite), ettringite và monosulfate.
• Bản chất phản ứng pozzolanic của tro bay: Tro bay chứa hàm lượng oxit silic ($SiO_2$) và oxit nhôm ($Al_2O_3$) vô định hình hoạt tính. Khi tiếp xúc với nước, các oxit này phản ứng chậm với $Ca(OH)_2$ giải phóng từ quá trình thủy hóa clinker để tạo thành thêm các pha C-S-H và canxi aluminat hydrat có tính liên kết: $$Ca(OH)_2 + SiO_2 + H_2O \rightarrow C\text{-}S\text{-}H$$ $$Ca(OH)_2 + Al_2O_3 + H_2O \rightarrow C\text{-}A\text{-}H$$
• Tiêu chuẩn phân loại và viện dẫn kỹ thuật:
  • ASTM C618:2012: Phân loại tro bay thành loại F (nguồn than anthracite hoặc bitum, tổng $SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3 \ge 70%$) và loại C (than sub-bitum hoặc lignite, tổng ba oxit $\ge 50%$, hàm lượng $CaO$ thường trên 10%).
  • EN 197-1:2012: Phân loại tro bay silic (V) chứa ít nhất 25% $SiO_2$ phản ứng và không quá 10% $CaO$ phản ứng; tro bay vôi (W) chứa trên 10% $CaO$ phản ứng.
  • TCVN 10302:2014: Tiêu chuẩn tro bay hoạt tính dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng, phân thành tro axit (loại F, $CaO \le 10%$) và tro bazơ (loại C, $CaO > 10%$).
  • TCVN 2682:2009 và TCVN 6260:2009: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho xi măng pooclăng và xi măng pooclăng hỗn hợp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng:

• Phân tích thành phần cỡ hạt: Đo độ mịn và dãy phân bố kích thước hạt bằng phương pháp tán xạ Laser và thiết bị sàng khí theo TCVN 4030:2003 (kiểm tra lượng sót sàng 0,08 mm).
• Phân tích hóa học: Xác định thành phần oxit bằng phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF); xác định hàm lượng mất khi nung (MKN) theo TCVN 8262:2009; phân tích hàm lượng lưu huỳnh ($SO_3$) và canxi oxit tự do ($CaO_{td}$) theo TCVN 141:2008.
• Phân tích khoáng vật và vi cấu trúc: Nhiễu xạ tia X (XRD) để định danh các pha tinh thể khoáng trong đá xi măng; kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt, sự kết tinh gel C-S-H và mạng lưới tinh thể ettringite sau 28 ngày tuổi.
• Đánh giá cơ - lý vữa và hồ xi măng: Xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết bằng dụng cụ Vicat; xác định độ ổn định thể tích bằng dụng cụ Le Chatelier; xác định cường độ nén của vữa xi măng với cát tiêu chuẩn ở các tuổi 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày trên máy nén thủy lực theo quy trình tiêu chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tổng quan tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ bài toán xử lý 30 triệu tấn tro xỉ nhiệt điện đang tồn đọng tại Việt Nam và áp lực bảo vệ môi trường theo các quyết định của Thủ tướng Chính phủ (Quyết định 1696/QĐ-TTg và Quyết định 452/QĐ-TTg). Tác giả thiết lập mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải 1 lên các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Vicem Hà Tiên PCB40, xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu và phân tích tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất công nghiệp.

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa kiến thức chuyên ngành về xi măng và tro bay:

• Lý thuyết clinker và xi măng: Cấu trúc vi mô của 4 khoáng chính ($C_3S$, $C_2S$, $C_3A$, $C_4AF$), động học sinh nhiệt thủy hóa, các loại phụ gia khoáng (đá vôi, xỉ lò cao, puzzolan tự nhiên và nhân tạo, silica fume) và phụ gia trợ nghiền.
• Tổng quan về tro bay: Nguồn gốc hình thành từ khói thải nhiệt điện đốt than, kích thước hạt từ 0,2 đến 200 $\mu m$. Phân tích các tiêu chí phân loại tro bay theo thành phần oxit silic, nhôm, canxi (silicoaluminous, sulphocalcic, silicocalcic), phân loại theo hàm lượng $CaO$ (tro vôi thấp và tro vôi cao theo ASTM C618 và TCVN 10302:2014).
• Trữ lượng phát thải và hiện trạng tái chế: Thống kê sản lượng tro bay tại các quốc gia như Trung Quốc (480 triệu tấn năm 2010, tỷ lệ sử dụng 67%), Mỹ (70 triệu tấn năm 2010, tỷ lệ sử dụng 45%), Ấn Độ (131 triệu tấn năm 2012, tỷ lệ sử dụng 54%), cùng các nước châu Âu có tỷ lệ tái sử dụng đạt 85–100% (Đức, Đan Mạch, Hà Lan, Ý). Tại Việt Nam, tổng hợp số liệu phát thải của hệ thống nhiệt điện than qua các năm theo Quy hoạch điện VII và thực trạng tiêu thụ tại các nhà máy như Mông Dương, Cẩm Phả, Hải Phòng, Phả Lại, Nghi Sơn, Vĩnh Tân 2 và Duyên Hải 1.
• Tro bay Duyên Hải 1: Trung tâm Điện lực Duyên Hải (tổng công suất 1.245 MW) sử dụng than cám 6A nội địa, thải ra khoảng 4.000 tấn tro xỉ/ngày (khoảng 1,8 triệu tấn/năm). Dẫn xuất kết quả thử nghiệm theo các TCVN cho thấy tro bay Duyên Hải 1 có tỷ trọng 2,21 $g/cm^3$, khối lượng thể tích xốp 940 $kg/m^3$, độ ẩm 0,26%, lượng sót sàng 0,08 mm đạt 2,1%, tổng hàm lượng ($SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3$) đạt 81,60%, hàm lượng MKN đạt 8,27%, và hàm lượng $SO_3$ đạt 0,49%.

Chương 2: Cơ sở các phương pháp nghiên cứu

Nêu chi tiết cơ sở lý thuyết, nguyên lý vận hành và tiêu chuẩn áp dụng của các phương pháp thử nghiệm:

• Cơ sở xác định độ mịn và phân bố cỡ hạt bằng tán xạ Laser và thiết bị sàng khí.
• Nguyên lý phân tích định lượng thành phần nguyên tố/oxit bằng huỳnh quang tia X (XRF) và thành phần pha tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
• Nguyên lý quan sát hình thái học vi cấu trúc vật liệu rắn bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
• Nguyên tắc đo đạc các chỉ tiêu cơ lý của hồ và vữa xi măng: phương pháp xác định độ dẻo tiêu chuẩn (lượng nước tiêu chuẩn), phương pháp xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết bằng kim Vicat, phương pháp xác định độ nở Le Chatelier và phương pháp đúc mẫu thử nghiệm cường độ nén vữa xi măng.

Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp thí nghiệm

Mô tả chi tiết đặc tính nguồn mẫu, thiết bị và quy trình thực nghiệm:

• Nguyên liệu: Xi măng Vicem Hà Tiên PC40, tro bay tuyển lấy từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1, cát tiêu chuẩn và nước cất thí nghiệm.
• Thiết bị chính: Dụng cụ Vicat, dụng cụ Le Chatelier, nồi và máy trộn vữa xi măng tiêu chuẩn, thiết bị sàng khí, cân kỹ thuật điện tử, khuôn đúc mẫu vữa và máy nén cơ tính.
• Thiết kế cấp phối thí nghiệm: Khảo sát 6 cấp phối tương ứng với tỷ lệ thay thế tro bay vào xi măng từ 0% (mẫu đối chứng), 5%, 10%, 15%, 20% đến 25% theo khối lượng.
• Quy trình thí nghiệm: Trình bày các bước xác định độ dẻo tiêu chuẩn của hồ, đo thời gian đông kết theo các mốc thời gian quy chuẩn, thử nghiệm độ giãn nở thể tích sau khi dưỡng hộ nhiệt độ cao, và quy trình nhào trộn vữa xi măng với cát tiêu chuẩn, đúc mẫu lập phương, dưỡng hộ nước và nén phá hủy ở các tuổi 3, 7 và 28 ngày.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Trình bày các số liệu đo lường thực nghiệm và biện luận chuyên môn:

• Tính chất nguyên liệu: Dữ liệu phân tích huỳnh quang tia X (XRF) và phân bố cỡ hạt cho thấy tro bay Duyên Hải 1 có kích thước hạt mịn, phân bố hạt đồng đều, tổng hàm lượng các oxit silic, nhôm và sắt cao đáp ứng tiêu chuẩn tro bay loại F dùng làm phụ gia khoáng hoạt tính.
• Tính chất cơ lý của hồ và vữa xi măng theo tỷ lệ tro bay:
  • Lượng nước tiêu chuẩn: Khi tăng tỷ lệ tro bay từ 0% lên 10%, lượng nước tiêu chuẩn có xu hướng tăng do diện tích bề mặt riêng của các hạt tro bay mịn gia tăng nhu cầu thấm ướt; sau đó lượng nước tiêu chuẩn có xu hướng ổn định ở dải 15–20%.
  • Thời gian đông kết: Việc bổ sung tro bay làm kéo dài thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của hồ xi măng do làm loãng nồng độ clinker ban đầu và làm chậm giai đoạn hòa tan ban đầu của các khoáng $C_3S$, $C_3A$.
  • Độ giãn nở thể tích: Kết quả đo bằng dụng cụ Le Chatelier cho thấy các mẫu đều có độ giãn nở rất nhỏ, nằm hoàn toàn trong giới hạn cho phép của TCVN, chứng minh tính ổn định thể tích của phối liệu.
  • Cường độ nén: Ở tuổi sớm (3 ngày và 7 ngày), cường độ nén của các mẫu chứa tro bay thấp hơn mẫu đối chứng 0% do phản ứng pozzolanic diễn ra chậm. Đến 28 ngày tuổi, cường độ phát triển vượt bậc nhờ lượng C-S-H thứ cấp tạo thành từ phản ứng giữa tro bay và $Ca(OH)_2$; mẫu phối trộn 15% tro bay đạt các chỉ số cơ lý tối ưu, thỏa mãn tiêu chuẩn mác xi măng PCB40.
• Kết quả phân tích XRD và chụp SEM:
  • Giản đồ XRD trên mẫu đá xi măng nhận diện sự hiện diện của các pha Portlandite ($Ca(OH)_2$), Quartz, Lamite ($C_2S$), và các pha hydrat hóa AFM.
  • Ảnh chụp SEM vi cấu trúc mẫu đá xi măng 28 ngày tuổi cho thấy các khối gel C-S-H bọc quanh hạt tro bay và tinh thể ettringite phát triển đan xen, lấp đầy các mao quản rỗng, tạo nên cấu trúc đặc chắc.
• Hạch toán sơ bộ hiệu quả kinh tế: Bổ sung 15% tro bay thay thế clinker giúp giảm chi phí sản xuất xi măng trên mỗi tấn sản phẩm nhờ giá thành nguyên liệu tro bay thấp hơn đáng kể so với chi phí nghiền và nung clinker.

Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt các phát hiện thực nghiệm, xác nhận tính khả thi của tỷ lệ phối trộn 15% tro bay Duyên Hải 1 vào xi măng Vicem Hà Tiên và kiến nghị các hướng nghiên cứu mở rộng về tính chất độ bền lâu trong môi trường xâm thực.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm về các chỉ tiêu kỹ thuật khi phối trộn tro bay Duyên Hải 1 vào xi măng Vicem Hà Tiên:

Chỉ tiêu thí nghiệm của tro bay Duyên Hải 1 (theo văn bản)	Kết quả thực nghiệm	Phương pháp / Tiêu chuẩn áp dụng
Độ ẩm	0,26%	TCVN 7024:2013
Khối lượng thể tích xốp	940 $kg/m^3$	Đo thể tích xốp
Tỷ trọng	2,21 $g/cm^3$	TCVN 4030:2003
Độ mịn (sót sàng 0,08 mm)	2,1%	TCVN 4030:2003
Mất khi nung (MKN)	8,27%	TCVN 8262:2009
Tổng hàm lượng ($SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3$)	81,60%	TCVN 8262:2009
Hàm lượng $SO_3$	0,49%	TCVN 141:2008
Hàm lượng $CaO$	12,00%	TCVN 141:2008

Các kết quả khảo sát tính chất cơ lý và hóa học chính:

• Tro bay Duyên Hải 1 đạt các chỉ tiêu chất lượng của tro bay loại F dùng làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng và bê tông theo TCVN 10302:2014 và ASTM C618.
• Lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng tăng khi hàm lượng tro bay tăng, đạt cực đại ở mức 10% tro bay trước khi ổn định ở dải 15–20%.
• Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết kéo dài dần khi tăng tỷ lệ phối trộn tro bay từ 5% đến 25%. Độ giãn nở thể tích (thử nghiệm Le Chatelier) biến động không đáng kể và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
• Quy luật phát triển cường độ nén: Ở tuổi 3 ngày và 7 ngày, mẫu chứa tro bay có cường độ thấp hơn mẫu đối chứng (0% tro bay); ở tuổi 28 ngày, phản ứng pozzolanic diễn ra mạnh mẽ làm tăng cường độ nén của vữa. Tỷ lệ cấp phối 15% tro bay được lựa chọn là hàm lượng tối ưu, đảm bảo vữa đạt cường độ nén theo mác xi măng PCB40.
• Kết quả vi cấu trúc: Phân tích XRD chứng minh sự suy giảm tương đối của pha Portlandite kết hợp với quan sát ảnh SEM khẳng định sự hình thành gel C-S-H bao phủ bề mặt hạt tro bay và tinh thể ettringite dạng kim lấp kín các lỗ rỗng vi mô.
• Giải pháp đề xuất: Áp dụng tỷ lệ cấp phối 15% khối lượng tro bay Duyên Hải 1 vào quy trình sản xuất xi măng pooclăng hỗn hợp tại các trạm nghiền của Vicem Hà Tiên khu vực phía Nam nhằm hạ giá thành nguyên liệu và tiết kiệm năng lượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung đánh giá của người hướng dẫn (ThS. Lê Minh Sơn) và cán bộ phản biện (TS. Lê Thị Duy Hạnh), các hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp của khóa luận gồm:

• Hạn chế về phạm vi thực nghiệm: Đề tài mới chỉ tiến hành khảo sát trên một chủng loại xi măng là PCB40 của Vicem Hà Tiên; chưa đánh giá tác động của tro bay trên các dòng sản phẩm chuyên dụng khác của công ty như xi măng bền sulfat (PCBMSR40), xi măng xây tô hay xi măng chịu mặn, phèn.
• Hạn chế về số liệu và phương pháp xử lý: Thời lượng thực nghiệm còn ngắn; dữ liệu thực nghiệm về lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết chưa thống kê rõ số lần đo lặp lại, thiếu dữ liệu thô và các xử lý thống kê sai số kèm theo; có sự nhầm lẫn giữa các khái niệm kích thước hạt trung bình (mean, median, mode).
• Hạn chế trong tính đồng bộ của phân tích cấu trúc: Tác giả thực hiện phân tích XRD trên mẫu 0% và 5% tro bay, trong khi lại chụp ảnh SEM trên mẫu 0% và 15% tro bay, dẫn đến việc thiếu cơ sở đối chiếu đồng nhất giữa biến đổi pha khoáng và hình thái vi cấu trúc trên cùng một tỷ lệ cấp phối tối ưu.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Khảo sát sự ảnh hưởng của tro bay đến các chỉ tiêu độ bền lâu của đá xi măng như độ bền trong môi trường xâm thực sulfat, khả năng kháng kiềm - cốt liệu và độ thấm ion clorua.
  • Theo dõi cường độ nén ở các ngày tuổi muộn hơn (60 ngày, 90 ngày) để đánh giá đầy đủ hiệu quả của phản ứng pozzolanic kéo dài.
  • Mở rộng thử nghiệm cấp phối tro bay Duyên Hải 1 trên các mác xi măng khác của Vicem Hà Tiên và tiến hành thử nghiệm nghiền trộn trên dây chuyền công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho các đối tượng:

• Sinh viên và học viên cao học thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học (chuyên ngành Vật liệu Vô cơ - Silicat), Kỹ thuật Vật liệu Xây dựng và Công nghệ Vật liệu: Có thể tham khảo phương pháp luận thực nghiệm, quy trình phối trộn phụ gia khoáng và các tiêu chuẩn TCVN kiểm tra tính chất cơ lý của hồ, vữa và xi măng (TCVN 4030, TCVN 6260, TCVN 8262, TCVN 10302).
• Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất xi măng và trạm nghiền: Tham khảo số liệu thực tế về đặc tính hóa học, độ mịn và khả năng ứng dụng nguồn tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 để thiết kế cấp phối xi măng hỗn hợp thương mại.
• Các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường: Sử dụng các số liệu tổng hợp trong Chương 1 về hiện trạng phát thải, trữ lượng tro xỉ tại các trung tâm nhiệt điện than Việt Nam phục vụ việc xây dựng giải pháp xử lý chất thải rắn công nghiệp làm vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

Tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 thuộc nhóm tro bay nào và có thành phần hóa học cơ bản ra sao?
Tro bay Duyên Hải 1 được xếp vào loại tro bay axit (loại F) theo TCVN 10302:2014 và ASTM C618. Theo số liệu phân tích trong đề tài, tổng hàm lượng ba oxit chính ($SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3$) đạt 81,60% (vượt mức quy định tối thiểu 70%), hàm lượng mất khi nung (MKN) là 8,27%, hàm lượng $SO_3$ là 0,49%, hàm lượng $CaO$ khoảng 12,00%, và lượng sót sàng 0,08 mm là 2,1%.

Việc tăng tỷ lệ tro bay từ 0% đến 25% tác động như thế nào đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hồ xi măng?
Khi tăng hàm lượng tro bay, lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng có xu hướng gia tăng, đạt giá trị cao nhất tại mức 10% tro bay do kích thước hạt tro bay mịn làm tăng diện tích bề mặt riêng cần làm ướt. Đồng thời, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của hồ xi măng kéo dài dần do sự hiện diện của tro bay làm giảm nồng độ clinker hoạt tính ban đầu, làm chậm quá trình hòa tan và hydrat hóa của các khoáng $C_3S$ và $C_3A$.

Quy luật phát triển cường độ nén của mẫu vữa có tro bay thay đổi ra sao theo thời gian bảo dưỡng?
Ở các tuổi sớm (3 ngày và 7 ngày), cường độ nén của vữa xi măng có pha tro bay thấp hơn so với mẫu xi măng đối chứng không pha tro bay. Tuy nhiên, ở tuổi 28 ngày, cường độ nén phát triển mạnh và bắt kịp mẫu đối chứng do phản ứng pozzolanic diễn ra tạo thêm pha gel C-S-H thứ cấp lấp đầy các khoảng rỗng vi mô trong cấu trúc đá xi măng.

Tỷ lệ phối trộn tro bay nào được tác giả kết luận là tối ưu cho xi măng Vicem Hà Tiên?
Hàm lượng tro bay tối ưu được lựa chọn là 15% theo khối lượng xi măng. Ở cấp phối này, các chỉ tiêu cơ lý gồm lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ giãn nở thể tích đều đạt chuẩn, đồng thời cường độ nén ở 28 ngày tuổi đáp ứng đầy đủ yêu cầu của mác xi măng PCB40, mang lại hiệu quả kinh tế thông qua việc giảm lượng clinker tiêu thụ.

Phân tích XRD và ảnh SEM của mẫu đá xi măng 28 ngày tuổi phản ánh điều gì về mặt cơ chế?
Giản đồ XRD xác nhận sự xuất hiện của khoáng Portlandite ($Ca(OH)_2$) cùng các pha Quartz, Lamite và AFM. Ảnh chụp SEM trên mẫu chứa 15% tro bay cho thấy sự hình thành dày đặc của gel C-S-H liên kết chặt chẽ bao bọc quanh các hạt tro bay dạng hình cầu cùng sự phát triển của các tinh thể ettringite, giúp làm giảm độ rỗng mao quản và củng cố độ đặc chắc của cấu trúc đá xi măng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Thu Hiền đã khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 đến các đặc tính cơ - lý - hóa của xi măng Vicem Hà Tiên PCB40 theo hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam. Kết quả nghiên cứu xác định tỷ lệ cấp phối tối ưu là 15% tro bay, đảm bảo vữa xi măng đạt cường độ nén mác PCB40 ở 28 ngày tuổi, ổn định thể tích và kéo dài thời gian đông kết phù hợp cho thi công. Mặc dù còn một số hạn chế về mặt phân tích đối chứng cấu trúc đồng bộ và phạm vi khảo sát các mác xi măng chuyên dụng, đề tài đã cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, chứng minh tính khả thi của việc tận dụng tro bay nhiệt điện làm phụ gia khoáng pozzolanic nhằm giảm giá thành sản xuất và giải quyết vấn đề chất thải công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 nên gắn kèm với tài liệu tham khảo để dé quan sát hơn, 3. _ U HOI PHAN BIEN (it nhat 02 cau hỏi) Trinh bày cấp phối của của hỗ xi máng và vữa chứa 15% tro bay. Tác giả hãy trình bày vả giải thích tại sao cường độ nén được tính bằng giá trị trung bình của 4 giá trị đo như ở phụ lục p. Tác giả trình bày cách xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết cũng như độ chính xác của đồng hỏ dùng dé do thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết? So sánh giá trị diện tích bề mặt riêng của tro bay và xi măng ở kết quả thực nghiệm của p.

Trên cơ sở đó, tác giả hãy giải thích bản luận “khi thêm phụ sia vào thì hàm lượng hạt nhỏ mịn tăng lên” ở p.59 khi dùng để giải thích sự thay đồi cua lượng nước tiêu chuẩn. Giải thích tại sao kết quả thí nghiệm về lượng nước tiêu chuân đạt giả trị cao nhất hàm lượng tro bay đến 10% và sau đó giảm ở các hàm lượng 15, 20%. So sánh và giải thích các giá trị về cường dộ nén cua mau chita 5% va 15% tro bay ở tuổi 3 ngày và 28 ngày. Mối liên hệ giữa cường độ nén và lượng nước tiêu chuẩn? Trình bày công thức hóa học của khoáng Lamite (p.66)? Tại sao tác giả lại nhận xét *®Lamite và portlandite là hai khoáng tạo cương độ chính cho đả xi mang 6 tudi 28 ngày (cuối p.

Vai trò của tro bay trong nghiên cửu? Tai sao tac gia lai phan tich XRD với mẫu 5% tro bay trong khi đó lại phân tich SEM với mẫu chứa 15% tro bay? Có mối liên hệ nào giữa 2 phép phân tích cấu trúc nêu trên với các tính chất của xỉ mãng? 4. ĐÈ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA PHẢN BIỆN Được bảo vệ H Bổ sung thêm để được bảo vệ LÌ Không được bảo vệ LÌ 5. ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN STT Nội dung đánh giá Điểm tối đa |_ Điểm đánh giá _ 1 | Chat lượng bài viết 30 Hình thức trình bày (đẹp, rõ ràng, tài liệu tham khảo 20 day du/da dang.) Bồ cục của bài viết (chặt chẽ, cân đổi) 10 2_ | Nội dung khóa luận 70 Phương pháp nghiên cứu phù hợp, đảm bảo độ tìn cậy, xử 20 lý số liệu Nội dụng thực hiện, kết quả của đề tài đảm bảo tính 30 khoa học, công nghệ Kết luận phù hợp với mục tiêu, nội dụng nghiên cứu 10 Hiệu quả ứng dụng 10 TONG 100 40 Tp. Hồ Chí Minh, ngày.

tháng 8 năm 2020 Giảng viên phản biện Dưới Ty 18. 9 Day Hanh Luận văn tết nghiện GVHD: ThS. Lé Minh Sơn TOM TAT KHOA LUAN Đề tài nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm đo cơ lý — hóa theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN và thu được các dữ liệu kết quả để từ đó đánh giá cũng như kết luận được sự ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của xi măng. Cụ thể là sử dụng các hàm lượng tro bay khác nhau từ 0 đến 25% với bước nhảy là 5% để pha vào xi măng và khảo sát.

Kết quả sau khi thí nghiệm thu được cho thấy khi trộn tro bay vào xi măng, lượng nước tiêu chuẩn sẽ tăng. Hàm lượng tro bay càng tăng thì thời gian đông kết sẽ tăng, độ giãn nở thể tích thay đổi không đáng kể. Ngoài ra, cường độ sớm ngày của các mẫu đá xi măng có phụ gia tro bay sẽ thấp hơn so với mẫu đá xi măng bình thường, tuy nhiên cường độ trễ ngày sẽ cao hơn. Sau khi nghiên cứu, quyết định chọn hàm lượng tro bay tối ưu để pha vào xỉ măng là 15%.