Nghiên cứu đánh giá chất lượng bê tông nhựa sử dụng xỉ than trong phòng thí nghiệm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá chất lượng bê tông nhựa sử dụng xỉ than trong phòng thí nghiệm, góp phần phát triển vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Lê Thị Thu Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Đánh Giá Chất Lượng Cơ Bản Của Bê Tông Nhựa Sử Dụng Xỉ Than Trong Phòng Thí Nghiệm
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.5. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA VÀ BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN
• 2.1. Bê tông nhựa
• 2.1.1. Khái niệm hỗn hợp bê tông nhựa
• 2.1.2. Phân loại bê tông nhựa
• 2.1.3. Thành phần của hỗn hợp BTNC
• 2.2. Vật liệu xỉ than và bê tông nhựa xỉ than
• 2.2.1. Khái niệm bê tông nhựa xỉ than
• 2.2.2. Vật liệu xỉ than
• 2.3. Các nghiên cứu sử dụng xỉ than trong lĩnh vực xây dựng
• 2.3.1. Khái quát tình hình cung ứng và sử dụng xỉ than
• 2.3.2. Tình hình nghiên cứu hỗn hợp BTN xỉ than trên thế giới
• 2.4. Kết luận về nghiên cứu tro xỉ tại Việt Nam và trên thế giới
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN
• 3.1. Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế mẫu bê tông nhựa
• 3.1.1. Nhựa đường sử dụng trong nghiên cứu
• 3.1.2. Cốt liệu đá sử dụng trong nghiên cứu
• 3.1.3. Bột khoáng
• 3.2. Thiết kế hỗn hợp mẫu bê tông nhựa xỉ than theo phương pháp Marshall
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN
• 4.1. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi vật liệu
• 4.1.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.1.2. Trình tự thí nghiệm
• 4.1.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.2. Thí nghiệm độ ổn định Marshall
• 4.2.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.2.2. Mô tả thí nghiệm
• 4.2.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.3. Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro
• 4.3.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.3.2. Mô tả thí nghiệm
• 4.3.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.4. Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) (ITS)
• 4.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.4.2. Mô tả thí nghiệm
• 4.4.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.5. Thí nghiệm xác định độ nhám
• 4.5.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.5.2. Mô tả thí nghiệm
• 4.5.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.6. Thí nghiệm vệt hằn bánh xe
• 4.6.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.6.2. Mô tả thí nghiệm: theo phương pháp A
• 4.6.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.7. Thí nghiệm xác định độ bền mỏi hỗn hợp bê tông nhựa chặt xỉ than
• 4.7.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.7.2. Mô tả thí nghiệm
• 4.7.3. Kết quả thí nghiệm
• 4.8. Đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa xỉ than
• 4.8.1. Về mô đun đàn hồi của vật liệu BTNXT
• 4.8.2. Về độ ổn định và độ dẻo Marshall
• 4.8.3. Về khả năng chịu hao mòn theo thí nghiệm Cantabro
• 4.8.4. Về cường độ chịu kéo gián tiếp
• 4.8.5. Về độ nhám theo thí nghiệm bằng phương pháp rắc cát
• 4.8.6. Về khả năng kháng lún theo thí nghiệm vệt hằn bánh xe
• 4.8.7. Về khả năng bền mỏi của bê tông nhựa xỉ than
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN
• 5.1. Khối lượng vật liệu
• 5.2. Đơn giá vật liệu
• 5.3. Phân tích hiệu quả kinh tế của BTNXT
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông nhựa và bê tông nhựa xỉ than

Bê tông nhựa (bê tông nhựa) là một trong những loại vật liệu xây dựng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các công trình giao thông. Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm các cốt liệu như đá dăm, cát, bột khoáng và nhựa đường. Việc sử dụng xỉ than như một phần cốt liệu trong bê tông nhựa đã được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng và giảm chi phí. Xỉ than, một sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, có thể thay thế một phần cốt liệu mịn, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá chất lượng bê tông nhựa sử dụng xỉ than, nhằm xác định khả năng ứng dụng thực tiễn của loại vật liệu này trong xây dựng.

1.1 Khái niệm về bê tông nhựa

Hỗn hợp bê tông nhựa được tạo thành từ việc trộn các cốt liệu với nhựa đường theo tỷ lệ xác định. Bê tông nhựa có thể được phân loại dựa trên độ rỗng, kích cỡ hạt lớn nhất hoặc loại nhựa sử dụng. Việc phân loại này giúp xác định ứng dụng thích hợp cho từng loại bê tông nhựa trong xây dựng. Sự phát triển của bê tông nhựa xỉ than không chỉ cung cấp một giải pháp thay thế cho cốt liệu tự nhiên mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc tái sử dụng chất thải công nghiệp.

1.2 Vật liệu xỉ than và ứng dụng trong bê tông nhựa

Xỉ than là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, thường được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện. Việc sử dụng xỉ than trong bê tông nhựa không chỉ giúp giảm chi phí nguyên liệu mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế một phần cốt liệu bằng xỉ than có thể cải thiện tính chất cơ lý của bê tông nhựa, từ đó nâng cao độ bền và khả năng chống chịu của mặt đường.

II. Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than

Quá trình thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than bao gồm việc lựa chọn vật liệu, cấp phối và phương pháp chế tạo. Việc lựa chọn nhựa đường và cốt liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của bê tông nhựa. Trong nghiên cứu này, các mẫu bê tông nhựa được thiết kế theo phương pháp Marshall với hàm lượng nhựa 5.7%. Các thử nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như độ ổn định, độ dẻo và khả năng kháng lún của bê tông nhựa xỉ than.

2.1 Lựa chọn vật liệu và cấp phối

Việc lựa chọn vật liệu cho bê tông nhựa xỉ than bao gồm nhựa đường, cốt liệu thô và mịn. Cốt liệu xỉ than được sử dụng để thay thế một phần cốt liệu mịn, giúp cải thiện tính chất cơ lý của hỗn hợp. Cấp phối của bê tông nhựa xỉ than được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành, nhằm đảm bảo rằng hỗn hợp đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết cho ứng dụng trong xây dựng.

2.2 Phương pháp chế tạo mẫu bê tông nhựa

Mẫu bê tông nhựa xỉ than được chế tạo theo phương pháp Marshall, một trong những phương pháp phổ biến nhất trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa. Trong quá trình chế tạo, các thành phần được trộn đều với nhau và được nén chặt để tạo thành mẫu thử. Việc thực hiện các thí nghiệm đánh giá chất lượng bê tông nhựa xỉ than giúp xác định các chỉ tiêu cơ lý và khả năng ứng dụng thực tế của loại vật liệu này trong xây dựng.

III. Kết quả thí nghiệm và đánh giá chất lượng

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá chất lượng của bê tông nhựa xỉ than, bao gồm thí nghiệm về độ ổn định, độ dẻo, khả năng kháng lún và độ bền mỏi. Kết quả cho thấy bê tông nhựa xỉ than có khả năng chịu tải tốt, độ bền cao và khả năng kháng lún tốt hơn so với bê tông nhựa thông thường. Việc sử dụng xỉ than không chỉ giúp cải thiện chất lượng bê tông mà còn giảm chi phí sản xuất, tạo ra một giải pháp bền vững cho ngành xây dựng.

3.1 Đánh giá độ ổn định và độ dẻo

Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông nhựa xỉ than đạt độ ổn định cao, cho phép sử dụng trong các điều kiện giao thông khắc nghiệt. Độ dẻo của hỗn hợp cũng được cải thiện, cho phép dễ dàng thi công và bảo trì. Các chỉ tiêu này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho mặt đường.

3.2 Khả năng kháng lún và độ bền mỏi

Khả năng kháng lún của bê tông nhựa xỉ than được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực tế, cho thấy mức độ lún thấp hơn so với bê tông nhựa thông thường. Độ bền mỏi của hỗn hợp cũng cao hơn, cho phép giảm thiểu các hư hỏng trong quá trình sử dụng. Điều này không chỉ nâng cao tuổi thọ của mặt đường mà còn giảm chi phí bảo trì.

IV. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Nghiên cứu cũng đã thực hiện phân tích kinh tế kỹ thuật giữa bê tông nhựa xỉ than và bê tông nhựa thông thường. Kết quả cho thấy việc sử dụng xỉ than giúp giảm chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế cho các nhà đầu tư mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc tái sử dụng chất thải công nghiệp.

4.1 Phân tích chi phí vật liệu

Chi phí vật liệu cho bê tông nhựa xỉ than thấp hơn so với bê tông nhựa thông thường nhờ vào việc sử dụng xỉ than thay thế một phần cốt liệu. Điều này giúp giảm tổng chi phí xây dựng, tạo điều kiện thuận lợi cho các dự án giao thông lớn.

4.2 Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng xỉ than

Việc sử dụng xỉ than không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tạo ra một sản phẩm có chất lượng tốt hơn. Điều này góp phần tăng cường tính cạnh tranh cho các nhà thầu trong ngành xây dựng, đồng thời thúc đẩy việc sử dụng các vật liệu tái chế trong xây dựng.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông nhựa sử dụng xỉ than có nhiều lợi thế về chất lượng và hiệu quả kinh tế. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn quy chuẩn cho bê tông nhựa xỉ than tại Việt Nam. Điều này sẽ giúp thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi loại vật liệu này trong xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

5.1 Kết luận

Bê tông nhựa xỉ than cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng mặt đường và giảm chi phí xây dựng. Nghiên cứu này cung cấp những thông tin quý giá cho ngành xây dựng, đặc biệt là trong bối cảnh tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt.

5.2 Kiến nghị

Cần có các nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn cho bê tông nhựa xỉ than. Đồng thời, cần tăng cường tuyên truyền và khuyến khích việc sử dụng xỉ than trong xây dựng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu thống kê ngành năng lượng, Việt Nam hiện có 21 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành, phát sinh khoảng 15,8 triệu tấn tro xỉ mỗi năm và ước tính sẽ tích lũy lên tới 422 triệu tấn vào năm 2030 nếu không có giải pháp xử lý triệt để. Cùng với đó, theo Quyết định số 318/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, ngành giao thông đường bộ đang duy trì tốc độ tăng trưởng vận tải hàng hóa 7,8%/năm, kéo theo nhu cầu khổng lồ về vật liệu đá dăm và nhựa đường cho công tác xây dựng hạ tầng. Vấn đề cấp bách đặt ra là nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên ngày càng cạn kiệt, trong khi các bãi chứa tro xỉ thải chiếm dụng diện tích đất rất lớn và gây áp lực ô nhiễm môi trường nặng nề.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông của tác giả Lê Thị Thu Thủy, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, đã tập trung giải quyết bài toán trên qua đề tài nghiên cứu đánh giá chất lượng cơ bản của bê tông nhựa sử dụng xỉ than trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá tính năng cơ lý, khả năng kháng hằn lún, độ bền mỏi và mô đun đàn hồi của hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12,5 mm khi thay thế cốt liệu mịn bằng xỉ than công nghiệp ở 4 tỷ lệ: 15%, 20%, 25% và 30% theo khối lượng.

Phạm vi thực nghiệm được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 8/2019 đến tháng 12/2019 tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn xỉ than lò hơi thu gom từ Khu công nghiệp Phước Đông, tỉnh Tây Ninh kết hợp nhựa đường 60/70 Petrolimex và đá granit Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi hiện thực hóa định hướng tại Quyết định số 452/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về đẩy mạnh tái chế tro xỉ làm vật liệu xây dựng, giúp hạ giá thành sản xuất hỗn hợp từ 5% đến 12% và mở ra giải pháp xanh, bền vững cho kết cấu áo đường mềm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấp phối hạt liên tục theo nguyên lý đường cong thành phần hạt quy định tại TCVN 8819:2011 kết hợp phương pháp thiết kế thể tích Marshall theo tiêu chuẩn TCVN 8820:2011. Mô hình nghiên cứu phân tích cơ chế tương tác bề mặt giữa màng bitum dầu mỏ mác 60/70 với cốt liệu xỉ đáy lò có cấu trúc xốp và độ góc cạnh cao.

Các khái niệm then chốt làm cơ sở đánh giá bao gồm:

• Độ ổn định Marshall: Phản ánh khả năng chịu tải trọng phá hoại động của hỗn hợp ở nhiệt độ tiêu chuẩn 60°C.
• Độ rỗng dư thể tích: Đại lượng kiểm soát độ chặt, yêu cầu nằm trong khoảng từ 3% đến 6% đối với lớp mặt đường chặt BTNC 12,5.
• Độ rỗng cốt liệu khoáng VMA và độ rỗng lấp đầy nhựa VFA: Đảm bảo không gian chứa màng nhựa bao bọc và liên kết các hạt khoáng.
• Cường độ chịu kéo gián tiếp ITS và độ mài mòn Cantabro: Phản ánh khả năng kháng nứt, chống bong bật và độ dính bám trong môi trường chịu ứng suất lặp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Cầu đường Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian 5 tháng (từ tháng 8/2019 đến tháng 12/2019).

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 5 tổ mẫu chính: 1 tổ mẫu đối chứng sử dụng 100% cốt liệu đá dăm granit tự nhiên và 4 tổ mẫu bê tông nhựa xỉ than thay thế lần lượt 15%, 20%, 25%, 30% khối lượng cốt liệu mịn lọt qua sàng 4,75 mm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên có kiểm soát thành phần hạt, bảo đảm đường cong cấp phối tổng hợp luôn nằm trong dải cận trên và cận dưới theo TCVN 8819:2011. Mỗi cấp phối được khảo sát với 5 mức hàm lượng nhựa khác nhau (mỗi mức chênh lệch 0,5% khối lượng hỗn hợp) để xác định chính xác hàm lượng nhựa tối ưu quanh mức 5,7%.

Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp này là nhằm phản ánh toàn diện các chỉ tiêu cơ lý từ khâu đầm nén tiêu chuẩn 75 cú đập/mặt, đo đạc mô đun đàn hồi uốn tĩnh, ép chẻ kéo gián tiếp ở 25°C, cho đến các thí nghiệm nâng cao như vệt hằn bánh xe sau 8.000 chu kỳ tải và kiểm tra độ bền mỏi dưới ứng suất uốn lặp, mô phỏng sát thực tế làm việc của mặt đường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, về độ ổn định Marshall, hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than đạt giá trị cao nhất tại tỷ lệ thay thế 20% xỉ than, với lực phá hoại ghi nhận vượt trên 16,0 kN, tăng khoảng 18% so với mẫu đối chứng truyền thống (đạt khoảng 13,5 kN). Khi nâng tỷ lệ xỉ than lên 25% và 30%, độ ổn định bắt đầu có xu hướng giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì trên 14,0 kN, vượt xa ngưỡng yêu cầu tối thiểu là 8,0 kN của tiêu chuẩn thiết kế.

Thứ hai, đặc tính thể tích và dung trọng của hỗn hợp có sự biến đổi rõ rệt. Hạt xỉ đáy lò có dung trọng khô dao động từ 1.210 kg/m³ đến 1.260 kg/m³, nhẹ hơn từ 10% đến 25% so với cốt liệu đá dăm thông thường (khối lượng riêng đạt 2,70 g/cm³). Do cấu trúc lỗ rỗng bên trong hạt xỉ hấp phụ nhựa, hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp chứa xỉ than tăng thêm từ 0,5% đến 0,8%, đạt mức 5,7% - 6,1% so với mức 5,2% của cấp phối đá tự nhiên.

Thứ ba, khả năng chống biến dạng vĩnh cửu và hằn lún vệt bánh xe của mẫu chứa 20% xỉ than cho kết quả vượt trội. Độ sâu lún sau 8.000 chu kỳ thử nghiệm ở nhiệt độ cao dao động quanh mức 0,55 cm, giảm khoảng 12% độ sâu lún so với mẫu bê tông nhựa thông thường, chứng minh khả năng chịu tải trọng nặng rất tốt.

Thứ tư, chỉ số tổn thất khối lượng theo thí nghiệm mài mòn Cantabro chỉ nằm trong khoảng 16% đến 18%, thấp hơn nhiều so với giới hạn tối đa cho phép là 25%. Cường độ kéo gián tiếp ITS và độ dính bám của đá với bitum đạt cấp 5, khẳng định tính toàn vẹn kết cấu không bị suy giảm khi sử dụng xỉ than.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp cải thiện độ ổn định và khả năng kháng lún của hỗn hợp là do độ góc cạnh của cốt liệu xỉ than đạt tới 45,89%, cao hơn đáng kể so với cát tự nhiên. Bề mặt xù xì và thô ráp của các hạt xỉ lò hơi tạo nên lực ma sát trong lớn và sự khóa ngàm cơ học chặt chẽ giữa các hạt cốt liệu thô.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày và mô tả trực quan thông qua biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu thể tích (độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu VMA, độ ổn định Marshall) cũng như bảng tổng hợp độ sâu lún theo số chu kỳ tác dụng bánh xe. Các biểu đồ này cho thấy rõ điểm uốn tối ưu của các chỉ tiêu cơ lý hội tụ tại mức thay thế 20% xỉ than.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế của Đại học Wyoming (Hoa Kỳ) và các công bố tại Hàn Quốc, kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng khi chứng minh tỷ lệ xỉ than phối trộn dưới 25% mang lại hiệu năng cơ học tốt nhất. Việc bổ sung xỉ than vượt quá 30% sẽ dẫn đến hiện tượng hút nhựa quá mức, làm tăng độ rỗng dư thể tích vượt dải 6% và khiến hỗn hợp có nguy cơ bị giòn, nứt mỏi sớm dưới tác dụng của thời tiết và tải trọng trục xe.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ban hành tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng xỉ than đáy lò và xỉ lò hơi công nghiệp cho lớp mặt đường ô tô trước quý IV/2026, do Bộ Giao thông Vận tải chủ trì phối hợp cùng Bộ Xây dựng, nhằm hợp thức hóa tỷ lệ thay thế cốt liệu mịn từ 15% đến 20% trong các dự án giao thông.

Thứ hai, thiết lập quy trình kiểm soát chất lượng và tiền xử lý tro xỉ tại nguồn phát thải, đảm bảo xỉ than trước khi nhập trạm trộn phải được sấy khô để duy trì độ ẩm dưới 1,0% và giới hạn hàm lượng lọt sàng 0,075 mm không quá 10%, do các doanh nghiệp quản lý nhà máy nhiệt điện than và trạm sản xuất vật liệu hoàn thiện từ quý I/2027.

Thứ ba, triển khai xây dựng từ 3 đến 5 km đường thử nghiệm thực tế sử dụng bê tông nhựa xỉ than trên các tuyến đường cấp III đồng bằng và đường giao thông nông thôn trong giai đoạn 2027 - 2028, do các Ban Quản lý Dự án Giao thông cấp tỉnh chủ trì thực hiện nhằm quan trắc độ nhám bề mặt và mô đun đàn hồi thực tế sau 24 tháng khai thác.

Thứ tư, điều chỉnh quy trình công nghệ định lượng và sấy trộn nhiệt tại các trạm trộn bê tông nhựa nóng nhằm cắt giảm từ 8% đến 15% chi phí mua cốt liệu đá mịn tự nhiên, do các nhà thầu thi công xây lắp hạ tầng giao thông áp dụng trực tiếp từ năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm một là các nhà nghiên cứu, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông hoặc Công nghệ Vật liệu Xây dựng. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chuẩn tắc về thiết kế cấp phối Marshall, cơ chế biến dạng nhiệt và kỹ thuật đo độ bền mỏi của vật liệu tái chế.

Nhóm hai là các kỹ sư tư vấn thiết kế và chuyên gia công nghệ vật liệu tại các viện quy hoạch, công ty thiết kế đường bộ. Họ có thể sử dụng các số liệu thực chứng về mô đun đàn hồi, cường độ ép chẻ và chỉ số kháng lún để áp dụng vào tính toán kết cấu áo đường mềm tối ưu.

Nhóm ba là các doanh nghiệp sản xuất bê tông nhựa nóng và nhà thầu thi công hạ tầng giao thông. Luận văn đem lại bài toán phân tích kinh tế - kỹ thuật chi tiết, giúp doanh nghiệp nắm vững kỹ thuật bù nhựa bitum 60/70 khi phối trộn xỉ than nhằm hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh khi đấu thầu.

Nhóm bốn là các nhà quản lý môi trường và cơ quan hoạch định chính sách thuộc Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Tài nguyên và Môi trường. Tài liệu là căn cứ khoa học vững chắc phục vụ việc xây dựng cơ chế khuyến khích tiêu thụ tro xỉ công nghiệp theo mô hình kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ xỉ than thay thế cốt liệu mịn tối ưu trong bê tông nhựa là bao nhiêu? Nghiên cứu khẳng định tỷ lệ thay thế tối ưu là 20% khối lượng cốt liệu mịn. Ở tỷ lệ này, độ ổn định Marshall đạt giá trị cao nhất trên 16,0 kN (tăng 18% so với bê tông nhựa thường), độ sâu hằn lún vệt bánh xe thấp nhất (khoảng 0,55 cm sau 8.000 vòng) và các chỉ tiêu cơ lý đều đạt chuẩn.

Việc sử dụng xỉ than có làm tăng lượng nhựa đường yêu cầu trong hỗn hợp không? Có, hàm lượng nhựa tối ưu tăng thêm khoảng 0,5% đến 0,8%, đạt mức 5,7% so với mức 5,2% của bê tông nhựa thông thường. Nguyên nhân là do cấu trúc hạt xỉ than có độ xốp và diện tích bề mặt riêng lớn, dẫn đến việc hấp phụ một lượng nhựa nhất định để bọc kín hạt cốt liệu.

Bê tông nhựa sử dụng xỉ than có đảm bảo độ nhám và khả năng chống trượt mặt đường không? Hoàn toàn đảm bảo. Nhờ độ góc cạnh của hạt xỉ than đạt 45,89% kết hợp độ mài mòn Los Angeles của cốt liệu ở mức 14,64%, thí nghiệm rắc cát đo độ nhám vĩ mô trên bề mặt mẫu cho thấy chỉ số bám dính đạt yêu cầu kỹ thuật cho các lớp mặt đường cấp cao theo TCVN 8819:2011.

Xỉ than thu gom từ nhà máy có cần xử lý phức tạp trước khi đưa vào sản xuất không? Quy trình xử lý hoàn toàn đơn giản và khả thi ở quy mô công nghiệp. Xỉ lò hơi sau khi thu gom chỉ cần sấy khô loại bỏ độ ẩm về dưới mức 1,0%, sau đó đưa qua sàng rung để loại trừ tạp chất thô và phân loại kích cỡ hạt dưới 4,75 mm trước khi nạp vào trạm trộn.

Sử dụng bê tông nhựa xỉ than đem lại hiệu quả kinh tế như thế nào? Giải pháp này giúp giảm từ 5% đến 12% chi phí mua vật liệu khoáng tự nhiên nhờ tận dụng nguồn xỉ than phế thải có giá thành thấp. Đồng thời, việc tái chế xỉ than giúp các nhà máy nhiệt điện tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí thuê bãi chứa và giảm thiểu thuế phí xử lý môi trường.

Kết luận

Luận văn đã thực hiện thành công các mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp khoa học chính sau:

• Khẳng định tính khả thi kỹ thuật vượt trội của việc sử dụng xỉ than lò hơi thay thế cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12,5 mm.
• Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu ở mức 20% xỉ than với hàm lượng nhựa bitum 5,7%, giúp tăng độ ổn định Marshall thêm 18% và nâng cao khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe.
• Cung cấp trọn bộ dữ liệu thực nghiệm về mô đun đàn hồi, độ mài mòn Cantabro dưới 18% và độ bền mỏi dưới tác dụng của ứng suất uốn lặp.
• Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc phục vụ quá trình hoàn thiện các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về tái sử dụng chất thải công nghiệp trong ngành giao thông.
• Giải quyết hiệu quả bài toán kép về giảm áp lực khai thác tài nguyên mỏ đá tự nhiên và xử lý triệt để hàng triệu tấn tro xỉ nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường.

Về định hướng tiếp theo, các cơ quan nghiên cứu cần tiếp tục theo dõi biến thiên chất lượng trên các đoạn tuyến thử nghiệm hiện trường trong giai đoạn 2026 - 2028 dưới tác động thực tế của thời tiết và lưu lượng xe. Các kỹ sư và nhà thầu hãy chủ động nghiên cứu, áp dụng công nghệ bê tông nhựa xỉ than để tạo ra những công trình giao thông xanh và tối ưu chi phí đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chương 2: Tổng quan bê tông nhựa và bê tông nhựa xỉ than. Chương 3: Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than. Chương 4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của bê tông nhựa xỉ than.

Chương 5: Đánh giá kinh tế - kỹ thuật của bê tông nhựa xỉ than. Chương 6: Kết luận và kiến nghị. 4 Các công tác nghiên cứu và thí nghiệm của luận văn được thể hiện trong sơ đồ sau: Hình 1.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu trong luận văn. 5 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA VÀ BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN 2.1 Bê tông nhựa 2.1 Khái niệm hỗn hợp bê tông nhựa Hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng và chất phụ gia (nếu có) có tỷ lệ phối trộn xác định, trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định thông qua thiết kế hỗn hợp.

Hỗn hợp vật liệu thường được phối liệu và trộn tại trạm trộn để đảm bảo đúng nhiệt độ, tỷ lệ cấp phối.2 Phân loại bê tông nhựa Bê tông nhựa thường có thể chia làm rất nhiều loại dựa theo các yêu cầu kỹ thuật, như dựa theo độ rỗng còn dư, dựa theo kích cỡ hạt lớn nhất, phân loại theo loại nhựa sử dụng như bê tông nhựa rải nóng, bê tông nhựa rải nguội, bê tông nhựa rải ấm. Dưới đây là một số cách phân loại theo TCVN 8819:2011 [4] +Theo độ rỗng còn dư - Bê tông nhựa chặt : Độ rỗng dư từ 3% ÷ 6% , thích hợp làm lớp mặt. - Bê tông nhựa rỗng : Độ rỗng dư từ 7% ÷ 12% thích hợp làm lớp móng. +Theo kích cỡ hạt lớn nhất - Bê tông nhựa chặt 37.5 : BTNC, cỡ hạt danh định 37.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 50mm) - Bê tông nhựa chặt 25 : BTNC, cỡ hạt danh định 25 mm ( cỡ hạt lớn nhất 37.5 mm) - Bê tông nhựa chặt 19: BTNC, có cỡ hạt danh định 19 mm ( cỡ hạt lớn nhất 25 mm) - Bê tông nhựa chặt 12.5: BTNC, cỡ hạt danh định 12.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 19 mm) - Bê tông nhựa chặt 9.5: BTNC, có cỡ hạt danh định 9.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 12.5 mm) - Bê tông nhựa chặt 4.75: BTNC, cỡ hạt danh định 4.75 mm ( cỡ hạt lớn nhất 9.3 Thành phần của hỗn hợp BTNC Tùy thuộc loại BTN và yêu cầu sử dụng mà thành phần của hỗn hợp BTN có các lựa chọn khác nhau.

Với bê tông nhựa chặt (BTNC) việc lựa chọn thành phần hỗn hợp bao gồm lựa chọn cốt liệu dựa theo nguyên tắc cấp phối chặt liên tục, nhựa làm chất kết dính và chất phụ gia (nếu có) để cải thiện tính liên kết , dính bám của cốt liệu và nhựa. Khối lượng của từng loại vật liệu được quyết định thông qua các bước thiết kế hỗn hợp và thử nghiệm thực tế nhằm đảm bảo hỗn hợp BTNC có đủ cường độ, độ ổn định. Hiện nay, tại Việt Nam, lựa chọn thành phần cấp phối BTNC dựa theo các yêu cầu được quy định trong TCVN như sau: - Đối với cốt liệu thô (đá dăm) , cốt liệu mịn và bột khoáng: TCVN 8819 : 2011 - Đối với nhựa đường : TCVN 7493 : 2005 2.2 Vật liệu xỉ than và bê tông nhựa xỉ than 2.1 Khái niệm bê tông nhựa xỉ than Trong nghiên cứu của luận văn, bê tông nhựa xỉ than là một khái niệm để chỉ BTNC có sử dụng xỉ than để thay thế một phần cốt liệu mịn trong hỗn hợp.2 Vật liệu xỉ than : Xỉ than là sản phẩm phụ của quá trình đốt than tại nhà máy sử dụng năng lượng than tạo ra nhiệt. Xỉ than là khái niệm chung dùng để chỉ tới bất kì vật liệu rắn hoặc chất thải như tro bay, xỉ đáy, xỉ lò hơi…được tạo ra chủ yếu từ quá trình đốt than.

Khi than được nghiền nhỏ và đốt trong lò, khoảng 80% lượng thoát ra khỏi lò đốt ra là tro bay và 20% còn lại trong lò là tro đáy [5]  Tro bay: Tro bay ( Fly Ash) là phần chất thải rắn, rất mịn, thoát ra cùng với khí ống khói và bay vào trong không khí. Tro bay có kích thước rất nhỏ cỡ hạt bụi, tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình. Thành phần hóa học của tro bay tại Việt Nam chủ yếu gồm oxit silic SiO2, oxit nhôm Al2 O3, oxit sắt Fe2O3 và một lượng nhỏ oxit can xi CaO, oxit magie MgO và một lượng rất nhỏ các loại oxit kali, natri (Bảng 2.1) 7 Ở một số nước, tùy thuộc vào mục đích mà người ta phân loại tro bay dựa theo những tiêu chí khác nhau. Theo TCVN 10302 : 2014 [6] về phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông , vữa xây và xi măng phân loại tro bay theo thành phần hóa học thành: - Tro axit : Tro có hàm lượng canxi oxit đến 10% , kí hiệu C - Tro bazo : tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10%, kí hiệu F Hình 2.1 Sơ đồ tạo thành phụ phẩm trong quá trình đốt than nhiệt điện.

[5] 1-Đường dẫn hơi nước; 2-Nồi hơi ( Supde); 3-Máy phát điện; 4-Máy biến áp; 5-Hệ thống truyền tải điện; 6-Các đơn vị tiêu thụ điện; 7-Lò đốt; 8 &9 -Bộ tách nhiệt ; 10- Bộ lọc bụi thô tĩnh điện; 11-Bộ lọc khói,bụi mịn; 12-Phễu chứa ;13-Van xả; 14- Thùng ( silô) chứa xỉ đáy ( 5=15%); 15-Bộ tách nước 16-Xe tải thùng; 17-Thùng chứa tro bay (5-85%); 20-Bộ phân phối tro bay; 21-Các phương tiện vận chuyển khác nhau (xe tải, tàu thuyền) 8 ➢ Xỉ đáy lò: Xỉ đáy (Bottom Ash- BA) loại điển hình nhất của lò đốt than trong ngành sản xuất điện ở dạng khô hoặc ở các lò hơi công nghiệp. Đặc tính của xỉ đáy lò [7] : - Kích thước hạt : xỉ đáy lò có kích thước hạt thay đổi từ cỡ hạt cát lên tới 19mm thậm chí lên tới gần 40mm. - Lượng lọt sàng 4,75 mm : chiếm từ 50% đến 90 % - Lượng lọt sàng 0,42mm : chiếm từ 10% đến 60% - Lượng lọt sàng 0.075mm : chiếm từ 0 % đến 10 % Như vậy có thể thấy xỉ đáy lò có kích cỡ hạt tương đương với cát hạt trung, kích cỡ hạt loại này rất phù hợp với lớp đệm thoát nước tốt. Thành phần hóa học của xỉ đáy lò tương tự tro bay , ngoài ra có thể có thêm thành phần FeS2.

So với đá dăm thì xỉ đáy lò nhẹ hơn từ 10 % ÷ 25% , CBR tương đương, độ ẩm cao hơn đá dăm thường (Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số loại tro xỉ Việt Nam [8] TT Loại xỉ MKN SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 1 Tro pha loại 1 0.10 2 Tro pha loại 2 1.99 - 3 Xỉ Ninh Bình 2.2 Đặc tính cơ học của xỉ đáy lò Việt Nam [7] Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Dung trọng khô lớn nhất Kg/m3 1210 ÷ 1260 Độ ẩm tối ưu % < 20 Độ mài mòn LA % 30 ÷ 50 Lượng mất khi thử độ bền với Na2SO4 % 1.5 ÷ 10 Góc ma sát trong 32o ÷ 45o Sức chịu tải CBR % 40 ÷ 70 9 Theo kết luận của nhiều nhà khoa học trên thế giới , thành phần hóa học của xỉ đáy lò phụ thuộc nguồn than đốt và không phụ thuộc vào loại lò đốt.1 có thể thấy thành phần hóa học của xỉ than Việt Nam có thể được ứng dụng vào hỗn hợp BTNC mà hoàn toàn không gây các tác hại xấu đến sức khỏe và môi trường. Các kết quả từ bảng 2.2 cũng là dấu hiệu thuận lợi để tiếp tục nghiên cứu tiềm năng ứng dụng xỉ than vào BTNC .3 Các nghiên cứu sử dụng xỉ than trong lĩnh vực xây dựng 2.1 Khái quát tình hình cung ứng và sử dụng xỉ than Mặc dù được khuyến khích và ưu tiên sử dụng, nhưng các nguồn cung ứng năng lượng như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân… vẫn chỉ tập trung ở các nước phát triển và chưa thay thế được nhu cầu năng lượng toàn cầu. Năng lượng than truyền thống đang chiếm tỷ trọng lớn và ngày càng tăng theo nhu cầu năng lượng thế giới. Các nước sản xuất than hàng đầu trên thế giới có thể kể đến là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Australia , Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng than của thế giới.2 Tình hình sử dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng ở Châu Âu năm 2018 (Tổng sản lượng 17.3 Tình hình sử dụng tro đáy trong công nghiệp xây dựng năm 2008 (Tổng sản lượng sử dụng là 2,4 triệu tấn).

[10] Như một điều hiển nhiên, khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện càng nhiều thì các phát thải khi đốt cháy than là xỉ than hay hay tro bay sinh ra cũng tăng theo. Lượng xỉ than tro bay được sinh ra gần như tỷ lệ thuận với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng , tuy nhiên chỉ một phần nhỏ trong đó đang được tái tạo lại như một nguyên liệu thứ sinh. Các nước sử dụng có hiệu quả nguồn tro xỉ phát thải đều là các nước có nền khoa học tiên tiến. Đơn cử như tại Pháp có đến 99% lượng tro xỉ than thải ra được tái sử dụng, tại Nhật Bản, con số này là 80%, tại Hàn Quốc là 85%[9].

Ở nhiều nước khác, tro bay chủ yếu được sử dụng để sản xuất gạch không nung. Sản xuất gạch từ nguyên liệu này tiết kiệm năng lượng đến hơn 85% so với việc sản xuất gạch nung truyền thống từ đất sét. Ở Việt Nam, than có nhiều loại, tập trung chủ yếu ở Quảng Ninh (90% trữ lượng than cả nước). Trữ lượng than của nước ta ước chừng hơn 6,6 tỷ tấn, trong đó trữ lượng có khả năng khai thác là 3,6 tỷ tấn (đứng đầu ở Đông Nam Á).

Sản lượng và xuất khẩu than tăng nhanh trong những năm gần đây. Hiện nay, nhiệt điện than cấp 37-38% lượng điện cho nhu cầu điện năng của cả nước. Theo tính toán quy hoạch được duyệt tới 2030, nhiệt điện than sẽ chiếm 53% điện năng cung cấp cho hệ thống điện [11] 11 Bắt đầu từ năm 2010, các nhà máy điện Việt Nam thường sử dụng công nghệ đốt than trong lò tầng sôi. Than nguyên khai được đập đến 5÷8 mm rồi cấp vào lò đốt, hiệu suất cháy của buồng đốt cao hơn 90%.

Sản phẩm của quá trình này sinh ra tro xỉ đáy khoảng 20%, tro bay khoảng 80%. Ngoài lượng xỉ than đến từ hoạt động đốt than nhiệt điện ( chiếm phần lớn ), phần còn lại của xỉ than có nguồn gốc từ doanh nghiệp và tư nhân thông qua sử dụng lò đốt hơi ghi xích.