Tổng quan nghiên cứu

Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) tại Việt Nam ngày càng gia tăng nhanh chóng, với tổng khối lượng phát sinh khoảng 64.658 tấn/ngày vào năm 2019, tăng 46% so với năm 2010. Phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp không chỉ gây lãng phí tài nguyên đất mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường xung quanh. Xu hướng xử lý CTRSH bằng công nghệ đốt rác đang được áp dụng rộng rãi nhằm giảm thể tích chất thải, tiết kiệm diện tích chôn lấp và giảm phát thải mùi hôi. Quá trình đốt rác tạo ra lượng lớn xỉ đáy lò đốt rác (IBA), chiếm khoảng 15% tổng lượng rác đốt, có tiềm năng sử dụng làm vật liệu xây dựng thay thế cát tự nhiên đang ngày càng khan hiếm.

Luận văn tập trung nghiên cứu đánh giá cường độ chịu nén và độ bền của bê tông bột hoạt tính (BTBHT) sử dụng xỉ đáy lò đốt rác thay thế một phần hoặc toàn bộ cát tự nhiên. Mục tiêu cụ thể là xác định ảnh hưởng của các tỷ lệ thay thế 0%, 25%, 50%, 75% và 100% IBA lên các đặc tính kỹ thuật của BTBHT như cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu âm, độ co khô, độ truyền nhiệt và độ thấm ion clo. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Hồng Đức, Thanh Hóa, năm 2023.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, tận dụng nguồn phế thải công nghiệp, giảm áp lực khai thác cát tự nhiên và góp phần bảo vệ môi trường. Đồng thời, nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng IBA trong sản xuất BTBHT, mở rộng phạm vi sử dụng vật liệu tái chế trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Bê tông bột hoạt tính (BTBHT) là loại bê tông sử dụng nguyên liệu hạt mịn có độ hoạt tính cao, tham gia phản ứng thủy hóa tạo cấu trúc C-S-H đặc chắc, tăng cường độ và độ bền. Thành phần chính gồm xi măng, cát, nước, phụ gia khoáng hoạt tính (Silica fume, tro bay) và phụ gia siêu dẻo nhằm giảm lượng nước, tăng tính công tác và độ dẻo của hỗn hợp. Phản ứng puzzolan giữa Ca(OH)₂ và SiO₂ tạo ra cấu trúc C-S-H giúp giảm nhiệt thủy hóa, giảm co ngót và tăng khả năng chống thấm.

Xỉ đáy lò đốt rác (IBA) là chất thải rắn thu được từ đáy lò đốt rác, có kích thước hạt từ 0,14 đến 1,25 mm, khối lượng riêng 1,86 T/m³, chứa nhiều lỗ rỗng và thành phần hóa học phù hợp để thay thế cát tự nhiên trong bê tông. Tuy nhiên, IBA có độ rỗng lớn và phản ứng puzzolan chậm, ảnh hưởng đến cường độ và tính chất cơ lý của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu âm (VTTXSA) đánh giá độ đặc chắc và đồng nhất, độ co khô phản ánh sự thay đổi thể tích, độ truyền nhiệt liên quan đến khả năng cách nhiệt, và độ thấm ion clo đánh giá khả năng chống ăn mòn của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu BTBHT được chế tạo trong phòng thí nghiệm với 5 nhóm mẫu có tỷ lệ IBA thay thế cát lần lượt là 0%, 25%, 50%, 75% và 100%. Mỗi mẫu được thiết kế theo phương pháp thể tích tuyệt đối, giữ tỷ lệ cát/chất kết dính bằng 1, sử dụng 15% tro bay và Silica fume trên tổng chất kết dính, điều chỉnh lượng nước và phụ gia siêu dẻo để đạt độ chảy xòe 200 mm theo TCVN 4314-2003.

Cỡ mẫu gồm các khối bê tông được đúc và bảo dưỡng theo tiêu chuẩn, tiến hành thí nghiệm cường độ chịu nén tại các ngày 3, 7, 14 và 28; đo vận tốc truyền xung siêu âm theo ASTM C597 ở ngày 14 và 28; xác định độ co khô theo TCVN 8824:2011 ở các ngày 1, 3, 7, 14 và 28; đo độ truyền nhiệt bằng thiết bị ISOMET 2114 ở ngày 28; đánh giá độ thấm ion clo theo TCVN 9337:2012 trong 6 giờ; phân tích cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử SEM ở 28 ngày tuổi.

Phương pháp phân tích số liệu sử dụng thống kê mô tả, so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa các nhóm mẫu, thiết lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén với các chỉ số khác như VTTXSA, độ co khô và độ truyền nhiệt. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, đảm bảo tính hệ thống và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cường độ chịu nén: Tại 28 ngày tuổi, mẫu không sử dụng IBA (IBA00) đạt cường độ cao nhất 50,82 MPa. Khi tăng tỷ lệ thay thế IBA, cường độ giảm dần: IBA25 đạt 45,76 MPa, IBA50 đạt 41,63 MPa, IBA75 đạt 40,02 MPa và IBA100 chỉ còn 30,09 MPa, giảm 40,8% so với mẫu đối chứng. Tất cả mẫu đều đạt mác bê tông từ M300 đến M450 theo TCVN 5574-2012.

  2. Vận tốc truyền xung siêu âm (VTTXSA): Giá trị VTTXSA tăng theo thời gian bảo dưỡng, nhưng giảm khi tăng hàm lượng IBA. Ở 28 ngày, mẫu IBA00 có VTTXSA cao nhất 4473 m/s, mẫu IBA100 thấp nhất 3098 m/s, giảm 30,74%. Giá trị trên 3000 m/s cho thấy chất lượng bê tông đạt yêu cầu.

  3. Độ co khô: Độ co khô tăng theo thời gian và tỷ lệ IBA. Ở 28 ngày, mẫu IBA00 có độ co khô 0,126 mm, mẫu IBA100 lên đến 0,261 mm, tăng 207,3%. Nguyên nhân do IBA có nhiều lỗ rỗng, làm tăng khả năng thoát hơi nước và co ngót.

  4. Độ truyền nhiệt: Độ truyền nhiệt giảm khi tăng hàm lượng IBA, từ 1,80 W/m.K (IBA00) xuống 0,92 W/m.K (IBA100), cho thấy khả năng cách nhiệt của bê tông được cải thiện nhờ độ xốp cao của IBA.

  5. Độ thấm ion clo: Độ thấm ion clo tăng mạnh với hàm lượng IBA, từ 901 Culông (IBA00) lên 5635 Culông (IBA100), tăng hơn 6 lần. Mức độ thấm ion clo từ trung bình đến cao, làm giảm khả năng chống ăn mòn của bê tông khi sử dụng IBA.

Thảo luận kết quả

Sự giảm cường độ chịu nén và VTTXSA khi tăng IBA được giải thích bởi đặc tính vật liệu IBA có độ rỗng lớn, cường độ thấp hơn cát tự nhiên và phản ứng puzzolan chậm. Độ co khô tăng do cấu trúc bê tông trở nên xốp hơn, dễ thoát hơi nước. Độ truyền nhiệt giảm là lợi thế trong ứng dụng cách nhiệt, nhưng độ thấm ion clo tăng làm giảm khả năng chống ăn mòn, hạn chế sử dụng BTBHT chứa IBA trong môi trường xâm thực.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu tái chế trong bê tông bột hoạt tính, tuy nhiên cần cân nhắc tỷ lệ thay thế để đảm bảo tính chất cơ lý phù hợp với yêu cầu công trình. Biểu đồ cường độ chịu nén, VTTXSA, độ co khô và độ thấm ion clo minh họa rõ xu hướng thay đổi theo tỷ lệ IBA, giúp đánh giá trực quan hiệu quả sử dụng vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ thay thế IBA: Khuyến nghị sử dụng IBA thay thế cát trong khoảng 25-50% để đảm bảo cường độ chịu nén trên 40 MPa, phù hợp cho nhiều công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.

  2. Kiểm soát độ co khô và độ thấm ion clo: Cần bổ sung phụ gia hoặc xử lý bề mặt để giảm độ co ngót và tăng khả năng chống thấm ion clo, đặc biệt khi sử dụng IBA trên 50%.

  3. Ứng dụng trong công trình không chịu môi trường xâm thực: BTBHT sử dụng IBA phù hợp cho các công trình trong môi trường khô ráo, không tiếp xúc trực tiếp với hóa chất ăn mòn hoặc nước biển.

  4. Nghiên cứu tiếp theo: Đề xuất nghiên cứu thành phần cấp phối chỉ sử dụng Silica fume mà không dùng tro bay để đánh giá ảnh hưởng riêng biệt của IBA, nhằm đề xuất công thức bê tông tối ưu hơn.

  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xây dựng nên phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng, đồng thời phát triển quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng BTBHT sử dụng IBA trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu bê tông bột hoạt tính và ứng dụng vật liệu tái chế, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình: Giúp lựa chọn vật liệu thay thế cát tự nhiên phù hợp, tối ưu chi phí và nâng cao tính bền vững công trình.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để phát triển sản phẩm bê tông bột hoạt tính thân thiện môi trường, tận dụng nguồn phế thải công nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc ban hành tiêu chuẩn, quy định về sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ đáy lò đốt rác là gì và tại sao được sử dụng trong bê tông?
    Xỉ đáy lò đốt rác là chất thải rắn thu được từ đáy lò đốt rác, có kích thước hạt mịn và thành phần hóa học phù hợp để thay thế cát tự nhiên trong bê tông, giúp giảm khai thác tài nguyên và xử lý chất thải hiệu quả.

  2. Ảnh hưởng của việc thay thế cát bằng IBA đến cường độ bê tông như thế nào?
    Cường độ chịu nén giảm khi tăng tỷ lệ IBA do đặc tính vật liệu IBA có độ rỗng lớn và phản ứng puzzolan chậm, tuy nhiên vẫn đạt mác bê tông phù hợp với nhiều ứng dụng xây dựng.

  3. BTBHT sử dụng IBA có thể áp dụng cho công trình nào?
    Phù hợp với công trình không chịu môi trường xâm thực mạnh, như nhà ở, công trình dân dụng trong điều kiện khô ráo, hoặc các kết cấu không tiếp xúc trực tiếp với hóa chất ăn mòn.

  4. Làm thế nào để giảm độ thấm ion clo khi sử dụng IBA?
    Có thể sử dụng phụ gia chống thấm, cải tiến công thức bê tông hoặc xử lý bề mặt để giảm độ xốp và tăng khả năng chống ăn mòn của bê tông.

  5. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào vấn đề gì?
    Nghiên cứu thành phần cấp phối chỉ sử dụng Silica fume thay vì kết hợp với tro bay để đánh giá ảnh hưởng riêng biệt của IBA, từ đó đề xuất công thức bê tông tối ưu hơn về cường độ và độ bền.

Kết luận

  • Sử dụng xỉ đáy lò đốt rác thay thế cát tự nhiên làm giảm cường độ chịu nén và vận tốc truyền xung siêu âm của bê tông bột hoạt tính, nhưng vẫn đạt mác bê tông từ M300 đến M450.
  • Độ co khô và độ thấm ion clo tăng theo tỷ lệ IBA, ảnh hưởng đến tính bền và khả năng chống ăn mòn của bê tông.
  • Độ truyền nhiệt giảm khi tăng IBA, cải thiện khả năng cách nhiệt của bê tông.
  • Nghiên cứu đề xuất sử dụng IBA trong khoảng 25-50% thay thế cát để cân bằng giữa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
  • Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục về thành phần cấp phối và ứng dụng thực tế nhằm phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu mở rộng, thử nghiệm thực tế và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho BTBHT sử dụng xỉ đáy lò đốt rác, đồng thời khuyến khích các bên liên quan áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất và xây dựng.