Nghiên cứu dùng tro xỉ nhiệt điện làm bê tông thủy công chống mài mòn

Luận văn nghiên cứu giải pháp dùng tro xỉ nhiệt điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn, một vật liệu bền vững và bảo vệ môi trường hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai Phương
• Người hướng dẫn: TS. Dương Thị Toan
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Địa chất môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhiệt điện chế tạo bê tông thủy công chống mài mòn và góp phần bảo vệ môi trường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Bê tông tro xỉ Giải pháp bền vững cho công trình thủy công

Bê tông tro xỉ là một loại vật liệu xây dựng hiện đại được chế tạo từ tro bay từ các nhà máy nhiệt điện, thay thế một phần xi măng pooc lăng truyền thống. Nghiên cứu của Đại học Quốc gia Hà Nội cho thấy, việc sử dụng tro xỉ trong bê tông không chỉ cải thiện khả năng chống mài mòn mà còn giảm đáng kể lượng phát thải carbon. Tro bay chứa các thành phần pozzolan có khả năng phản ứng với canxi hydroxit, tạo ra các hydrosilicat canxi (C-S-H) bổ sung, làm tăng cường độ và độ bền của bê tông. Các công trình thủy công có tiếp xúc với nước, chịu tác động của dòng chảy, mài mòn cát sỏi đều có thể sử dụng loại vật liệu này với hiệu quả cao. Đây là xu hướng phát triển bền vững được các quốc gia trên thế giới áp dụng rộng rãi.

1.1. Định nghĩa và thành phần của bê tông tro xỉ

Bê tông tro xỉ được tạo thành từ xi măng, tro bay, cốt liệu, nước và phụ gia hóa học. Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện, có chứa silica dioxide (SiO₂) và alumina (Al₂O₃). Khi thay thế 20-50% xi măng bằng tro xỉ, vật liệu này phát triển cường độ chậm hơn ban đầu nhưng đạt cường độ cao hơn sau thời gian dài. Tính chất pozzolan của tro bay giúp cải thiện độ chặt mật của bê tông, giảm độ xuyên thấm, tăng khả năng chống mài mòn và chống hóa học.

1.2. Lợi ích kinh tế và pháp lý

Sử dụng tro xỉ trong xây dựng giúp giải quyết vấn đề xử lý chất thải từ các nhà máy nhiệt điện. Theo dự báo, từ 2015-2030, lượng tro xỉ phát sinh sẽ tăng đáng kể, việc ứng dụng trong bê tông giảm chi phí xử lý môi trường. Giá thành bê tông tro xỉ thấp hơn 10-15% so với bê tông truyền thống, đồng thời tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 về chất lượng tro bay sử dụng trong xây dựng.

II. Tính chất chống mài mòn của bê tông tro xỉ

Mài mòn bê tông là hiện tượng mài mòn cơ học xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước chảy, cát sỏi hoặc các vật liệu rắn khác. Các công trình thủy công như đập, kênh dẫn, cống thoát nước thường bị tổn thương do tác động này. Nghiên cứu cho thấy, bê tông tro xỉ chống mài mòn tốt hơn bê tông thông thường nhờ cấu trúc mao m细 được cải thiện. Tro bay làm giảm kích thước lỗ rỗng, tăng mật độ ma trận xi măng, từ đó giảm 20-40% khối lượng mài mòn so với bê tông đối chứng. Độ chặt mật cao hơn cũng làm giảm độ xuyên thấm, hạn chế sự thấm nhập của các chất ăn mòn, góp phần kéo dài tuổi thọ công trình.

2.1. Cơ chế chống mài mòn của tro xỉ

Cơ chế chính của bê tông tro xỉ chống mài mòn dựa trên phản ứng pozzolan. Tro bay chứa silica hoạt tính phản ứng với canxi hydroxit, tạo thêm C-S-H - sản phẩm chính cung cấp cường độ. Điều này làm cho ma trận bê tông dày đặc hơn, giảm số lượng và kích thước lỗ rỗng. Ngoài ra, tro bay có độ mịn cao hơn xi măng, giúp lấp đầy các khoảng trống giữa hạt cốt liệu, cải thiện khả năng chịu đựng lực mài mòn từ nước và cát.

2.2. Kết quả thí nghiệm mài mòn bê tông

Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn quốc tế cho thấy, bê tông có tỷ lệ tro xỉ/chất kết dính từ 30-50% giảm mài mòn tối đa. Đặc biệt, sau 3-6 tháng ngâm trong nước, bê tông tro xỉ có khối lượng mài mòn thấp hơn 25-35% so với bê tông xi măng 100%. Cường độ chịu nén đạt 40-50 MPa sau 90 ngày cũng đáp ứng yêu cầu cho công trình thủy công quan trọng.

III. Bảo vệ môi trường thông qua sử dụng tro xỉ

Ngành xây dựng có trách nhiệm giảm phát thải carbon để đối phó với biến đổi khí hậu. Bê tông tro xỉ bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng xi măng sử dụng, do đó giảm phát thải CO₂ đáng kể. Sản xuất 1 tấn xi măng pooc lăng phát thải khoảng 0,9 tấn CO₂, trong khi tro bay là sản phẩm phụ đã được phát thải, sử dụng nó không tạo thêm phát thải mới. Thay thế 40-50% xi măng bằng tro xỉ có thể giảm phát thải carbon 30-40% trên mỗi khối lập phương mét bê tông. Điều này không chỉ giúp các công trình tuân thủ tiêu chuẩn carbon thấp (low carbon concrete) mà còn góp phần vào nền kinh tế tuần hoàn, biến chất thải thành tài nguyên hữu ích.

3.1. Giảm phát thải carbon trong sản xuất bê tông

Phát thải cacbon từ bê tông tro xỉ thấp hơn đáng kể so với bê tông truyền thống. Theo tính toán, mỗi tấn tro bay thay thế xi măng tiết kiệm 0,85-0,95 tấn CO₂. Với số lượng tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam hàng năm, tiềm năng giảm phát thải rất lớn. Nếu áp dụng rộng rãi trong công trình thủy công, ngành xây dựng có thể góp phần giảm 5-10% tổng phát thải carbon quốc gia.

3.2. Xử lý chất thải và phát triển bền vững

Sử dụng tro xỉ trong bê tông là giải pháp xử lý chất thải hiệu quả. Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện phát sinh hàng triệu tấn tro bay, phần lớn chưa được sử dụng, gây tích tụ, chiếm dụng đất đai và ô nhiễm môi trường. Ứng dụng trong xây dựng giúp giảm áp lực xử lý chất thải, tạo giá trị kinh tế từ sản phẩm phụ. Đây là hướng phát triển nền kinh tế tuần hoàn, tuân thủ các mục tiêu phát triển bền vững của Liên Hợp Quốc.

IV. Ứng dụng và triển vọng của bê tông tro xỉ tại Việt Nam

Bê tông tro xỉ đã được sử dụng thành công tại nhiều quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ trong các công trình thủy công, cơ sở hạ tầng. Tại Việt Nam, tiềm năng rất lớn do có nhiều nhà máy nhiệt điện phân bố khắp đất nước, đặc biệt ở khu vực Bắc, Trung, Nam. Các dự án đập, kênh dẫn, công trình phòng chống lũ lụt là ứng dụng lý tưởng. Tuy nhiên, sự chấp nhận trong ngành xây dựng còn hạn chế do thiếu nhận thức, tiêu chuẩn kỹ thuật chưa hoàn chỉnh. Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 đã được ban hành, nhưng cần mở rộng hướng dẫn kỹ thuật chi tiết, khuyến khích các nhà thầu sử dụng loại vật liệu này trong dự thầu. Đầu tư nghiên cứu, xây dựng các quy định khuyến khích là chìa khóa để phát triển lĩnh vực này.

4.1. Các công trình thủy công áp dụng tro xỉ

Bê tông tro xỉ chống mài mòn phù hợp nhất cho các công trình thủy công có tiếp xúc trực tiếp với nước chảy. Ứng dụng chính bao gồm: mặt phía hạ lưu đập, kênh dẫn, cống thoát nước, bờ cảng, cột mốc sóng. Các công trình này chịu tác động lâu dài của nước và cật sỏi, nên yêu cầu bê tông có khả năng chống mài mòn cao. Bê tông tro xỉ với cường độ 40-50 MPa, giảm mài mòn 25-35%, tuổi thọ tăng 20-30% so với bê tông thông thường, là lựa chọn kinh tế và kỹ thuật hợp lý.

4.2. Chiến lược phát triển và chính sách khuyến khích

Để phát triển bê tông tro xỉ bảo vệ môi trường tại Việt Nam, cần có chính sách khuyến khích từ Nhà nước. Các biện pháp bao gồm: ban hành hướng dẫn kỹ thuật chi tiết, ưu đãi thuế cho doanh nghiệp sử dụng tro bay, quy định bắt buộc sử dụng tro xỉ trong các dự án công cộng. Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý tro bay nâng cao, xây dựng cơ sở dữ liệu nguồn tro bay, tạo mạng lưới liên kết giữa nhà máy nhiệt điện và công ty xây dựng là những bước quan trọng tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG 1.1 Giới thiệu chung về bê tông Bê tông là hỗn hợp được tạo thành từ các thành phần vật liệu như: đá, xi măng, vôi, cát, sỏi… và nước theo tỷ lệ nhất định để tạo thành 1 khối rắn chắc và đông cứng. Bê tông hiện nay được sử dụng rộng rãi và chiếm ưu thế quan trọng trong hầu hết các công trình xây dựng như xây dựng dân dụng, giao thông v.v… đặc biệt là các công trình thủy công; Với ưu điểm dễ tạo hình, cường độ lớn, tuổi thọ cao, sử dụng nguồn vật liệu địa phương, cho tới nay chưa có loại vật liệu nào có thể thay thế được bê tông. Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng và bê tông được ước tính chiếm khoảng 6% - 8% lượng khí thải CO2 do con người tạo ra trên toàn cầu [13]. Hiện nay, xu hướng phát triển tạo ra bê tông ít ảnh hưởng đến môi trường ngày càng được quan tâm (bê tông cường độ siêu cao, bê tông truyền thống, bê tông có độ chảy cao.

Đề tài nghiên cứu loại bê tông truyền thống. Có nhiều cách để cải thiện tính bền vững của bê tông như thay thế xi măng pooclang bằng vật liệu thay thế xi măng, sử dụng bê tông cường độ cao hơn, sử dụng bê tông tái chế, v.v… Vật liệu được sử dụng để thay thế một phần xi măng trong bê tông có thể là tro bay, xỉ lò cao dạng hạt, silicafume và metacaolanh. Hiện nay, các vấn đề của thế giới về sử dụng năng lượng, khí thải, xử lý chất thải và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên đang gia tăng đáng kể. Bê tông chứa vật liệu thay thế một phần xi măng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ và được coi là vật liệu bền vững trong xây dựng.

Sự có mặt của chúng dẫn đến sự thay đổi của các quá trình thủy hóa, thay đổi thể tích, độ rỗng và cuối cùng là các tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Để cải thiện tính chất của bê tông có rất nhiều giải pháp đã được nghiên cứu và đây cũng là hướng nghiên cứu của đề tài. Một nửa số CO2 thải ra trong lượng 4-8% của bê tông kể trên tới từ quá trình sản xuất clinker (Việt Nam ta còn gọi là clanhke), đây là giai đoạn tốn năng lượng nhất trong quy trình làm xi măng. Tính riêng cho xi măng, lượng phát của nguyên liệu này cũng chiếm trung bình khoảng 30% lượng phát phảt thải của ngành xây dựng [24].

Trên thế giới Trung Quốc là quốc gia đóng góp gần 60% khối lượng xi măng sử dụng cho ngành xây dựng trên thế giới, và lượng phát thải do ngành xi măng của nước này cũng chiếm đên 52% tổng lượng phát thải ngành xây dựng trên toàn cầu. Việt Nam cũng có khối lượng phát thải rất lớn, nằm trong nhóm 4 quốc gia có lượng phát thải sau Trung Quốc (Hình 1.1 Lượng phát thải cacbon của sản xuất xi măng và một số nguyên liệu xây dựng (trái); và nhóm 4 quốc gia có lượng phát thải cacbon từ xi măng đứng sau Trung Quốc (phải) [23]. Như vậy phần ảnh hưởng chính đến phát thải cacbon và ăn mòn cho bê tông là xi măng theo như nhiều nghiên cứu. Hiện nay rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu các loại vật liệu có trong tự nhiên, các loại tro xỉ thải từ các nhà máy nhiệt điện để thay thế tối đa lượng xi măng mà vẫn đảm bảo được các tính chất của bê tông.

Tuy nhiên, các bài báo đó tìm ra tỷ lệ thay thế phù hợp phổ biến ở 20-30%, cá biệt 100%; các loại vật liệu thay thế (vôi + puzolan, chất kết dính Geopolymer, thủy tinh phế thải, meta caolanh, bột ngói đất sét nung, xỉ lò cao, Silica fume, tro bay…). Các loại nghiên cứu này áp dụng bằng cách đối chứng với loại bê tông thông thường ở các loại cường độ khác nhau (từ trung bình đến cao: M35, M40, M60, M70 và M150) [4-11]. Tuy nhiên tro xỉ thải từ các nhà máy nhiệt điện luôn là vật liệu ưu tiên hàng đầu cho việc thay thế để đảm bảo các tính chất của bê tông thủy công cần phải có: Khả năng chống thấm, chống nước tốt, độ cứng cao, trọng lượng nặng và bền, khả năng bị xói mòn thấp. Trong tro bay có rất nhiều các nguyên tố hóa học khác nhau, tồn tại dưới dạng các oxyt như SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, SO3, Na2O, K2O.

Trong các ôxit trên thì SiO2, Al2O3, CaO, MgO được coi là chủ yếu vì chúng có hàm lượng lớn và quyết định đến các tính chất cơ bản của tro bay. Khi sử dụng tro bay có thành phần SiO2 hoạt tính chúng sẽ nhanh chóng tác dụng với sản phẩm thủy hóa có trên bề mặt hạt cốt liệu tạo ra sản phẩm C-S-H làm tăng cường độ, tăng độ đặc chắc, tăng độ bám dính giữa đá xi măng và hạt cốt liệu [14]. So sánh chung giữa bê tông có hàm lượng tro xỉ và bê tông truyền thống (không sử dụng tro xỉ) được tổng hợp trong bảng 1.1 So sánh tính chất kỹ thuật và hiệu quả kinh tế - môi trường giữa bê tông có hàm lượng tro xỉ với bê tông truyền thống [1] Tính chất So sánh Khả năng chảy/ khả năng bơm Dễ hơn Tính công tác/ tương thích Dễ hơn Bê tông có hàm lượng tro xỉ không tách Tách nước nước hoặc tách nước không đáng kể Khả năng hoàn thiện Nhanh hơn Cường độ sớm ngày (đến 7 ngày) Thấp hơn (có thể đẩy nhanh) Cường độ tuổi dài ngày (trên 90 ngày) Cao hơn Khả năng kháng nứt Cao hơn Co mềm Lớn hơn nếu không bảo vệ tốt Dãn nở nhiệt Thấp hơn Co khô Thấp hơn Chống sự xâm nhập của ion Clo Rất cao sau 3 tháng Ăn mòn sunfat Chống ăn mòn sunfat tốt hơn Ăn mòn kiềm cốt liệu Chống ăn mòn kiềm tốt hơn Ăn mòn cốt thép Chống ăn mòn cốt thép tốt hơn Vật liệu Đơn giá thấp hơn Nhân công Tương tự Lợi ích về môi trường (giảm khí thải nhà kính) Rất tốt Từ tổng quan sơ lược nguồn phát thải của các nguyên liệu ngành xây dựng cho thấy bê tông và xi măng là nguồn nguyên vật liệu có lượng phát thải lớn, là thành phần tạo ra lượng phát thải chính của ngành xây dựng. Chính vì thế đối tượng phân tích đánh giá trong nhiệm vụ này chính là bê tông, bao gồm cả các nguồn nguyên liệu thô để chế tạo bê tông là xi măng, cốt liệu thô và đá cuội sỏi cát, phụ gia và tỷ lệ nước trong bê tông.

Hơn nữa, việc sử dụng hàm lượng tro bay cao trong bê tông nhằm thay thế một phần xi măng còn đem lại hiệu quả về môi trường đó là giải quyết được phần nào lượng 13 phế tải khổng lồ của các ngành công nghiệp (nhiệt điện, luyện kim, v.v…) thải ra đang chưa có hướng xử lý triệt để. Đồng thời, thực hiện được chủ trương của nhà nước theo Quyết định số 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ, Phê duyệt đề án đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro bay, xỉ thạch cao của nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất, phân bón làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng và trong các công trình xây dựng. Tình hình sử dụng tro bay trong xây dựng của các nước trên thế giới Tro bay nhiệt điện đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp xi măng và bê tông trên thế giới hơn 60 năm qua. Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay nhiệt điện bao gồm: các đập ngăn nước, các đập thủy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân dụng công trình, cầu đường.

Ngoài các ứng dụng trong xi măng và bê tông, tro xỉ nhiệt điện còn được sử dụng với nhiều mục đích khác như sản xuất gạch bê tông, nền và móng đường giao thông. Tro xỉ là một loại phụ gia khoáng có nguồn gốc nhân tạo, là các phế thải công nghiệp, được sử dụng rộng rãi với khối lượng lớn là tro, xỉ nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao hoạt hóa của nhà máy gang thép. Tro và xỉ của các nhà máy nhiệt điện hình thành khi đốt than bằng vòi đốt ở nồi đốt nồi hơi. Tro là sản phẩm thu được tại thiết bị lọc bụi sử dụng để làm sạch khi thải thoát ra từ buồng đốt.

Xỉ hay tro đáy là phần các hạt tro than có kích thước lớn bị chảy lỏng và rơi xuống tại buồng đốt. Tro có kích hạt rất nhỏ với độ mịn tương tự như xi măng. Xỉ thường có kích thước hạt lớn hơn 0,3mm. Thành phần khoáng chủ yếu của tro xỉ là pha thủy tinh, ngoài ra còn chứa than chưa cháy và một lượng nhỏ pha tinh thể.

Trung Quốc là nước phát thải tro xỉ nhiều nhất trên thế giới. Theo báo cáo thường niên về sử dụng tài nguyên của Trung Quốc (2012) do Ủy ban cải cách và phát triển quốc gia Trung Quốc công bố, việc phát thải và sử dụng tro bay lần lượt là 540 và 367 triệu tấn. Tỷ lệ sử dụng đạt 67,96%, cao hơn so với Mỹ (46,74%) và Ấn Độ (55,79%). Trong số các ứng dụng của tro bay, 3 lĩnh vực sử dụng nhiều nhất là xi măng (41%), gạch và ngói (26%) và bê tông (19%).

Phần còn lại là sử dụng cho đường và kè, nông nghiệp và các vật liệu thu hồi từ tro bay. Mặc dù tổng lượng tro bay sử dụng đã tăng từ 199 triệu tấn năm 2005 lên đến 367 triệu tấn năm 2011, nhưng tỷ lệ sử dụng vẫn duy trì khoảng 70% tổng lượng phát sinh những năm gần đây [1].2 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Trung Quốc [35]. Nông nghiệp Khác 5% 4% Gạch ngói 26% Đường và kè Xi măng 5% 41% Bê tông 19% Hình 1.3 Các ứng dụng của tro bay xỉ ở Trung Quốc [36] Lượng tro xỉ ở Ấn Độ đã tăng từ 68,88 triệu tấn trong năm 1997 lên 163,56 triệu tấn trong năm 2013, trong đó chỉ có 100,37 triệu tấn được tái sử dụng. Tỷ lệ tái sử dụng tro xỉ ở Ấn Độ đã tăng rất nhanh, từ 9,63% vào năm 1997 lên 61,37% vào năm 2013.

Chính phủ Ấn Độ đã đưa ra một số chương trình và thành lập các cơ quan phục vụ cho việc nghiên cứu và sử dụng tro bay trong các lĩnh vực khác nhau [1], [25], [25].4 Lượng tro xỉ phát thải và tỷ lệ sử dụng ở Ấn Độ [35]. Đê điều Gạch ngói 6,89% 6,86% Đường và kè San lấp 6,51% 16,72% Bê tông 0,74% Hoàn mặt bằng cho các mỏ 9,10% Khác Xi măng 7,38% 44,76% Nông nghiệp 1,03% Hình 1.