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

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.

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.