Luận văn: Xác định hàm lượng xi măng sản xuất gạch không nung từ xỉ than

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xác định hàm lượng xi măng hợp lý trong thành phần cấp phối sản xuất gạch không nung từ, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Duy Phương
• Người hướng dẫn: TS. Lê Khánh Toàn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Xác Định Hàm Lượng Xi Măng Hợp Lý Trong Thành Phần Cấp Phối Sản Xuất Gạch Không Nung Từ Bột Đá Và Xỉ Than Lò Hơi
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• TRANG BÌA
• LỜI CAM ĐOAN
• TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG VÀ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN TRONG SẢN XUẤT GẠCH KHÔNG NUNG
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG
• 1.1.1. Định nghĩa và phân loại gạch không nung
• 1.1.2. Các thành phần cấp phối chế tạo gạch xi măng cốt liệu
• 1.1.3. Một số chỉ tiêu cơ lý của gạch cốt liệu
• 1.1.4. Ưu nhược điểm của gạch xi măng cốt liệu
• 1.1.5. Tình hình sản xuất, sử dụng và hướng phát triển của gạch không nung ở Việt Nam
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ VIỆC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN, TRO BAY TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA GẠCH KHÔNG NUNG
• 2.1. TIÊU CHUẨN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA CÁC THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHẾ TẠO GẠCH KHÔNG NUNG
• 2.1.1. Tiêu chuẩn và phương pháp thí nghiệm áp dụng
• 2.1.2. Kết quả thí nghiệm vật liệu cấp phối
• 2.2. TIÊU CHUẨN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA GẠCH KHÔNG NUNG
• 2.2.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm và yêu cầu kỹ thuật của gạch không nung
• 2.2.2. Phương pháp thử
• 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA GẠCH KHÔNG NUNG ĐƯỢC SẢN XUẤT TỪ NGUỒN XỈ LÒ HƠI CỦA CÔNG TY CỔ PHẦN DỆT MAY NHA TRANG
• 3.1. CƠ SỞ XÂY DỰNG CẤP PHỐI
• 3.2. XÂY DỰNG CÁC CẤP PHỐI NGHIÊN CỨU
• 3.3. XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA CÁC CẤP PHỐI GẠCH KHÔNG NUNG
• 3.4. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ KHÁC CỦA GẠCH
• 3.5. MỘT VÀI PHÂN TÍCH VỀ CHI PHÍ SẢN XUẤT VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG
• 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
• BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

Tóm tắt

I. Hướng dẫn làm gạch không nung từ xỉ than bột đá

Sản xuất gạch không nung từ xỉ than và bột đá là một giải pháp xây dựng bền vững, tận dụng hiệu quả nguồn phế thải công nghiệp. Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra vật liệu xây dựng chất lượng cao, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Gạch không nung, hay còn gọi là gạch xi măng cốt liệu, được hình thành từ quá trình đóng rắn tự nhiên của hỗn hợp cốt liệu mà không cần qua công đoạn nung đốt ở nhiệt độ cao. Thành phần cốt liệu chính bao gồm xi măng, cát, bột đá (đá mạt) và nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây, điển hình là luận văn của Nguyễn Duy Phương (2019), đã chứng minh tiềm năng thay thế một phần cốt liệu truyền thống bằng xỉ than lò hơi. Xỉ than, sản phẩm thải ra từ các nhà máy dệt may hoặc nhà máy nhiệt điện, thường bị coi là chất thải nguy hại. Việc tái sử dụng chúng trong sản xuất gạch không nung không chỉ giải quyết bài toán xử lý chất thải mà còn giúp giảm chi phí nguyên vật liệu. Việc xác định tỷ lệ xi măng hợp lý trong thành phần cấp phối gạch không nung là yếu tố then chốt, quyết định trực tiếp đến các đặc trưng cơ lý của sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là cường độ chịu nén và độ bền. Một cấp phối tối ưu cần cân bằng giữa chi phí sản xuất, chất lượng sản phẩm và tác động đến môi trường, hướng tới mục tiêu phát triển vật liệu xây không nung theo định hướng của Chính phủ.

1.1. Tổng quan về gạch không nung sử dụng phế thải công nghiệp

Gạch không nung sử dụng phế thải công nghiệp như xỉ than và tro bay đang trở thành xu hướng tất yếu trong ngành vật liệu xây dựng. Loại gạch này được sản xuất bằng cách ép hoặc rung hỗn hợp gồm chất kết dính (xi măng), cốt liệu mịn (bột đá, cát) và cốt liệu đặc biệt (xỉ than). Quá trình đóng rắn diễn ra ở điều kiện tự nhiên, không tiêu tốn nhiên liệu hóa thạch cho việc nung đốt, qua đó giảm phát thải khí CO2. Việc tận dụng xỉ than từ các ngành công nghiệp như dệt may, nhiệt điện giúp biến chất thải thành tài nguyên, giảm áp lực lên các bãi chôn lấp và hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên như cát, đá. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc thực hiện kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực xây dựng.

1.2. Lợi ích kép Bảo vệ môi trường và tối ưu chi phí sản xuất

Việc sản xuất gạch không nung từ xỉ than mang lại lợi ích kép rõ rệt. Về mặt môi trường, giải pháp này giúp xử lý hàng ngàn tấn xỉ than mỗi năm, một loại chất thải rắn có nguy cơ gây ô nhiễm đất và nguồn nước. Theo thống kê của Sở Tài nguyên và Môi trường Khánh Hòa, chỉ riêng Công ty dệt may Nha Trang đã thải ra hơn 1600 tấn xỉ than trong năm 2017. Về mặt kinh tế, xỉ than và bột đá là các nguyên liệu có giá thành thấp, đôi khi là miễn phí. Sử dụng chúng để thay thế một phần cát và đá mạt giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất viên gạch, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường so với gạch đất sét nung truyền thống.

II. Thách thức khi phối trộn xỉ than bột đá làm gạch

Mặc dù việc sử dụng xỉ than và bột đá trong sản xuất gạch không nung mang lại nhiều lợi ích, quá trình này cũng đối mặt với không ít thách thức kỹ thuật. Trở ngại lớn nhất là sự suy giảm cường độ chịu nén của viên gạch khi tỷ lệ xỉ than tăng lên. Xỉ than có khối lượng thể tích xốp lớn và đặc tính hút nước cao hơn so với bột đá (đá mạt). Điều này dẫn đến việc hỗn hợp vữa cần nhiều nước hơn để đạt độ công tác cần thiết, làm tăng tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) và ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ cuối cùng của sản phẩm. Nghiên cứu của Nguyễn Duy Phương (2019) đã chỉ ra một cách rõ ràng vấn đề này. Khi thay thế 50% khối lượng bột đá bằng xỉ than (cấp phối CP1) nhưng giữ nguyên tỷ lệ xi măng ở mức 15% (so với cấp phối đối chứng CP0), cường độ chịu nén sau 28 ngày chỉ đạt 5,1 MPa, thấp hơn nhiều so với mác M7,5 (7,5 MPa) theo yêu cầu của TCVN 6477:2016. Thách thức thứ hai là đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu. Xỉ than từ các nguồn khác nhau có thể có thành phần hóa học và tính chất cơ lý không đồng đều, đòi hỏi phải có quy trình kiểm soát chất lượng đầu vào nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng gạch ổn định. Do đó, việc tìm ra một tỷ lệ xi măng tối ưu là bài toán bắt buộc phải giải quyết để vừa tận dụng được xỉ than, vừa đảm bảo sản phẩm gạch không nung đạt chuẩn chất lượng xây dựng.

2.1. Ảnh hưởng của xỉ than đến cường độ chịu nén của gạch

Khi đưa xỉ than vào cấp phối gạch không nung, các đặc tính vật lý của nó trực tiếp ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm. Xỉ than có cấu trúc rỗng, nhẹ và độ hút nước cao. Khi trộn, nó hấp thụ một lượng nước đáng kể, làm giảm lượng nước thực tế tham gia vào quá trình thủy hóa xi măng. Nếu không điều chỉnh lượng nước và xi măng, liên kết giữa các hạt cốt liệu sẽ yếu đi, dẫn đến cường độ chịu nén thấp. Thí nghiệm cho thấy với cùng 15% xi măng, cấp phối chứa 50% xỉ than cho cường độ chỉ bằng 67,28% so với cấp phối chỉ dùng bột đá. Điều này khẳng định việc chỉ thay thế cốt liệu mà không tối ưu hóa chất kết dính là không khả thi.

2.2. Vấn đề kiểm soát tỷ lệ nước và độ đồng nhất cấp phối

Kiểm soát tỷ lệ nước là một yếu tố cực kỳ quan trọng. Do xỉ than hút nước mạnh, cấp phối CP1 (chứa 50% xỉ than) yêu cầu lượng nước lên tới 176 lít/mẻ, so với chỉ 80 lít/mẻ của cấp phối CP0 (100% bột đá). Tỷ lệ N/X tăng từ 0,53 lên 1,17. Tỷ lệ N/X cao làm tăng độ rỗng mao quản trong cấu trúc gạch sau khi đóng rắn, làm giảm mật độ và cường độ. Bên cạnh đó, sự không đồng nhất về kích thước hạt của xỉ than thô cũng là một vấn đề. Để đảm bảo cấp phối ổn định, xỉ than cần được xử lý sơ bộ như nghiền và sàng để loại bỏ các hạt quá lớn và đạt được biểu đồ thành phần hạt phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 9205:2012.

III. Phương pháp xác định tỷ lệ xi măng tối ưu cho gạch

Để khắc phục sự suy giảm cường độ khi sử dụng xỉ than, phương pháp nghiên cứu chính là điều chỉnh tăng dần tỷ lệ xi măng trong cấp phối gạch không nung. Mục tiêu là tìm ra hàm lượng xi măng tối thiểu cần thiết để viên gạch đạt mác M7,5 (cường độ chịu nén ≥ 7,5 MPa sau 28 ngày) theo TCVN 6477:2016. Dựa trên kết quả đáng thất vọng của cấp phối CP1 (15% xi măng), nghiên cứu đã xây dựng một loạt các cấp phối thực nghiệm mới. Tỷ lệ cốt liệu được giữ cố định ở mức 50% bột đá và 50% xỉ than về khối lượng. Trong khi đó, tỷ lệ xi măng được tăng dần theo các mức: 18% (Cấp phối CP2), 20% (Cấp phối CP3), 22% (Cấp phối CP4) và 24% (Cấp phối CP5). Mỗi cấp phối được sản xuất trên dây chuyền thực tế tại nhà máy gạch Thuận Phát (Nha Trang) để đảm bảo tính xác thực. Các mẫu gạch sau đó được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn và tiến hành thí nghiệm nén ở các tuổi 3, 7, 14, 21 và 28 ngày. Quá trình này cho phép theo dõi sự phát triển cường độ theo thời gian của từng cấp phối. Việc phân tích song song kết quả cường độ và chi phí vật liệu cho mỗi cấp phối giúp xác định đâu là công thức vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa có tính kinh tế cao nhất, làm cơ sở cho việc ứng dụng vào sản xuất đại trà.

3.1. Xây dựng các cấp phối gạch không nung thực nghiệm

Việc xây dựng các cấp phối được tiến hành một cách hệ thống. Cấp phối đối chứng (CP0) sử dụng 15% xi măng và 85% bột đá. Cấp phối thử nghiệm đầu tiên (CP1) giữ nguyên 15% xi măng nhưng thay 50% khối lượng bột đá bằng xỉ than. Dựa trên sự thất bại của CP1, các cấp phối tiếp theo (CP2, CP3, CP4, CP5) được tạo ra bằng cách giữ nguyên tỷ lệ xỉ than/bột đá là 50/50, và tăng dần hàm lượng xi măng. Ví dụ, cấp phối CP4 cho một mẻ trộn 1089,7 kg bao gồm 239,7 kg xi măng (22%), 425 kg bột đá và 425 kg xỉ than. Lượng nước cũng được điều chỉnh tương ứng cho từng cấp phối để đảm bảo độ dẻo cần thiết cho quá trình tạo hình.

3.2. Quy trình thí nghiệm và đánh giá cường độ chịu nén

Quy trình thí nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Việt Nam. Mẫu gạch được tạo hình bằng máy ép rung công nghiệp. Sau đó, chúng được bảo dưỡng trong môi trường ẩm. Tại các mốc thời gian quy định (3, 7, 14, 21, 28 ngày), các mẫu được lấy ra để đo cường độ chịu nén bằng máy nén chuyên dụng. Lực phá hủy được ghi lại và cường độ được tính toán dựa trên tiết diện chịu lực của viên gạch. Kết quả từ các cấp phối khác nhau được biểu diễn trên biểu đồ để so sánh trực quan sự phát triển cường độ, từ đó tìm ra cấp phối có tốc độ phát triển cường độ tốt nhất và đạt mác M7,5 sau 28 ngày.

IV. Bí quyết cấp phối gạch 22 xi măng là tỷ lệ vàng

Kết quả từ chuỗi thí nghiệm đã xác định rõ ràng tỷ lệ xi măng 22% là "tỷ lệ vàng" cho việc sản xuất gạch không nung từ xỉ than và bột đá đạt mác M7,5. Cụ thể, cấp phối CP4, với thành phần gồm 22% xi măng, 39% bột đá và 39% xỉ than (tương đương tỷ lệ 50/50 giữa hai loại cốt liệu), đã cho thấy những kết quả vượt trội. Sau 28 ngày bảo dưỡng, cường độ chịu nén trung bình của gạch CP4 đạt 7,99 MPa. Kết quả này không chỉ đáp ứng mà còn cao hơn một chút so với yêu cầu tối thiểu 7,5 MPa của mác M7,5 theo TCVN 6477:2016. Trong khi đó, các cấp phối có tỷ lệ xi măng thấp hơn như CP2 (18%) và CP3 (20%) đều không đạt được cường độ yêu cầu, lần lượt chỉ đạt 6,11 MPa và 7,01 MPa. Mặc dù cấp phối CP5 (24% xi măng) cho cường độ cao hơn (8,91 MPa), nhưng sự gia tăng cường độ không tương xứng với chi phí xi măng tăng thêm. Do đó, CP4 được xem là lựa chọn tối ưu nhất, cân bằng hoàn hảo giữa yếu tố kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Thành công của cấp phối này chứng tỏ rằng, với một tỷ lệ xi măng hợp lý, xỉ than hoàn toàn có thể được sử dụng hiệu quả để thay thế 50% bột đá, tạo ra sản phẩm vật liệu xây không nung chất lượng và bền vững.

4.1. Phân tích kết quả cường độ của các cấp phối gạch

Biểu đồ phát triển cường độ cho thấy một xu hướng rõ ràng: cường độ chịu nén của gạch tăng tuyến tính với sự gia tăng tỷ lệ xi măng. Cấp phối CP1 (15% xi măng) là thấp nhất. CP2 (18%) và CP3 (20%) cho thấy sự cải thiện đáng kể nhưng vẫn chưa đủ. Cột mốc quan trọng là CP4 (22% xi măng), khi cường độ đã vượt qua ngưỡng 7,5 MPa. Điều này chứng tỏ 22% là hàm lượng xi măng cần thiết để bù đắp cho những ảnh hưởng bất lợi của xỉ than như độ rỗng và khả năng hút nước, tạo ra một ma trận xi măng đủ mạnh để liên kết các hạt cốt liệu với nhau.

4.2. Đánh giá chi phí vật liệu cho cấp phối tối ưu CP4

Về mặt kinh tế, cấp phối CP4 cũng cho thấy tính khả thi cao. Mặc dù tỷ lệ xi măng trong CP4 (22%) cao hơn so với cấp phối đối chứng CP0 (15%), nhưng do khối lượng thể tích của xỉ than thấp hơn bột đá, số lượng viên gạch sản xuất được từ một mẻ trộn CP4 lại nhiều hơn. Tính toán chi tiết cho thấy chi phí vật liệu để sản xuất một viên gạch theo cấp phối CP4 chỉ cao hơn không đáng kể so với cấp phối CP0. Sự chênh lệch nhỏ này hoàn toàn có thể chấp nhận được khi xét đến lợi ích to lớn về môi trường từ việc tiêu thụ hàng tấn xỉ than. Do đó, CP4 là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí.

4.3. Các chỉ tiêu cơ lý khác của gạch không nung từ xỉ than

Ngoài cường độ chịu nén, các chỉ tiêu cơ lý khác của gạch sản xuất từ cấp phối CP4 cũng được kiểm tra và đều đáp ứng yêu cầu. Độ hút nước và độ rỗng của gạch CP4 nằm trong giới hạn cho phép của TCVN 6477:2016. Khối lượng thể tích của viên gạch cũng giảm nhẹ so với gạch làm hoàn toàn từ bột đá, giúp giảm tải trọng bản thân của tường xây. Các kết quả này khẳng định rằng sản phẩm gạch không nung từ xỉ than và bột đá với tỷ lệ xi măng 22% là một vật liệu xây dựng hoàn chỉnh, an toàn và chất lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của ngành xây dựng, nhu cầu cát xây dựng cả nước giai đoạn 2016-2020 ước tính lên đến khoảng 2,3 tỷ m3, trong khi tổng trữ lượng cát tự nhiên được cấp phép chỉ còn khoảng 2 tỷ m3, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên và gia tăng xói lở bờ sông, bờ biển. Đồng thời, nhằm hạn chế khai thác đất sét gây ảnh hưởng đến khoảng 1.000 ha đất nông nghiệp mỗi năm, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 567/QĐ-TTg và Chỉ thị số 10/CT-TTg đặt mục tiêu nâng tỷ lệ vật liệu xây không nung lên 30% đến 40% vào năm 2020. Tại tỉnh Khánh Hòa, các nhà máy dệt may sử dụng hệ thống lò hơi đốt than đá thải ra hơn 15.000 tấn tro xỉ mỗi năm, riêng Công ty Cổ phần Dệt may Nha Trang thải ra hơn 1.600 tấn tro xỉ rắn mỗi năm và tiếp tục tăng thêm trên 500 tấn mỗi năm khi mở rộng quy mô sản xuất. Trong khi thời hạn lưu bãi chứa phế thải tro xỉ không quá 2,5 năm theo quy định môi trường, việc xử lý nguồn chất thải rắn công nghiệp này là một thách thức cấp bách.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Duy Phương tập trung giải quyết bài toán: nghiên cứu xác định hàm lượng xi măng hợp lý trong thành phần cấp phối để sản xuất gạch xi măng không nung mác M7,5 khi thay thế 50% khối lượng đá mạt bằng nguồn xỉ than lò hơi của Công ty Cổ phần Dệt may Nha Trang. Nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa vào năm 2019, kết hợp kiểm định mẫu trong phòng thí nghiệm chuyên ngành và thử nghiệm trực tiếp trên dây chuyền ép gạch công nghiệp của Nhà máy gạch Thuận Phát có công suất hàng chục triệu viên mỗi năm. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi vừa cắt giảm 100% việc sử dụng cát tự nhiên, giảm 50% khối lượng đá mạt khai thác từ mỏ đá Hòn Ngang, vừa tái chế triệt để nguồn phế thải rắn lò hơi công nghiệp, hạ giá thành sản xuất và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết đóng rắn và hình thành cấu trúc cường độ của bê tông xi măng cốt liệu ép bán khô không nung. Quá trình phát triển cường độ chịu nén của viên gạch phụ thuộc chặt chẽ vào phản ứng thủy hóa của khoáng xi măng để tạo thành màng gel C-S-H kết nối các hạt cốt liệu rời rạc gồm mạt đá và xỉ than nghiền. Bên cạnh đó, mô hình cấp phối hạt tối ưu theo định luật Fuller và viện dẫn các tiêu chuẩn quốc gia làm nền tảng định lượng, bao gồm: Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6477:2016 quy định yêu cầu kỹ thuật cho gạch bê tông, Tiêu chuẩn TCVN 9205:2012 áp dụng cho cát nghiền nhân tạo từ đá và xỉ mạt, Tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 đối với xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40, và Tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 kiểm soát chất lượng nước trộn bê tông và vữa.

Bốn khái niệm kỹ thuật trọng tâm xuyên suốt nghiên cứu gồm:

1. Cường độ chịu nén: Ứng suất nén tối đa mà viên gạch có thể chịu được trước khi bị phá hủy hoàn toàn dưới lực ép của máy nén chuyên dụng, tính bằng MPa.
2. Khối lượng thể tích xốp: Khối lượng của một đơn vị thể tích cốt liệu ở trạng thái xốp tự nhiên, quyết định trực tiếp đến thể tích vữa tạo khuôn và số lượng viên gạch sản xuất ra trên 1.000 kg phối liệu.
3. Độ hút nước và độ thấm nước: Chỉ số biểu thị khả năng xâm nhập và dẫn truyền nước qua hệ thống mao dẫn rỗng của viên gạch, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống ẩm và độ bền lâu của tường xây công trình.
4. Thành phần cấp phối tối ưu: Tỷ lệ phối trộn cân đối giữa chất kết dính (xi măng), cốt liệu nhỏ (đá mạt, xỉ than) và nước nhằm đạt mác cường độ thiết kế với chi phí giá thành vật liệu thấp nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp, thu thập từ các thí nghiệm cơ lý vật liệu đầu vào và các tổ mẫu gạch thành phẩm kích thước 180×80×80 mm có 4 lỗ rỗng. Vật liệu đầu vào gồm xi măng Phúc Sơn PCB40, đá mạt mỏ Hòn Ngang (kích cỡ hạt 0,14 mm đến 5,0 mm), xỉ than lò hơi dệt may Nha Trang đã qua xử lý nghiền đập và sàng lọc loại bỏ hạt quá cỡ, cùng nước sạch sinh hoạt có độ pH từ 4,0 đến 12,5 và hàm lượng muối hòa tan dưới 10.000 mg/lít.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt theo TCVN 4787:2009 đối với xi măng và TCVN 6477:2016 đối với gạch thành phẩm. Tại mỗi cấp phối khảo sát, tác giả chế tạo các tổ mẫu thử nghiệm gồm 3 viên nguyên khối độc lập cho mỗi mốc thời gian dưỡng hộ 3, 7, 14, 21 và 28 ngày để đo lực phá hủy nén, cùng tổ mẫu 5 viên để kiểm tra độ hút nước và 3 viên để đo độ thấm nước. Cỡ mẫu tổng cộng lên đến hơn 60 viên gạch thử nghiệm trải dài trên 6 cấp phối nghiên cứu (từ CP0 đến CP5). Lý do lựa chọn phương pháp phân tích nén phá hủy trên máy ép có thang lực kiểm soát từ 20% đến 80% tải trọng cực đại với tốc độ tăng tải chuẩn (0,6 ± 0,2) MPa/s là nhằm triệt tiêu sai số quán tính cơ học, đảm bảo độ tin cậy thống kê chính xác đến 0,1 MPa và đáp ứng chuẩn hóa quy chuẩn xây dựng quốc gia. Toàn bộ chu trình chuẩn bị vật liệu, đúc mẫu trên máy ép rung Thuận Phát và bảo dưỡng ẩm được thực hiện xuyên suốt trong giai đoạn 2018-2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thí nghiệm cơ lý vật liệu và chế tạo thử nghiệm gạch xi măng cốt liệu xỉ than đã mang lại những kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, xỉ than lò hơi dệt may sau khi nghiền đập có khối lượng thể tích xốp chỉ đạt 609 kg/m3, nhẹ hơn 63,18% so với đá mạt tự nhiên (1.654 kg/m3). Khối lượng riêng của xỉ than đạt 1,731 g/cm3 (so với đá mạt là 2,786 g/cm3), hàm lượng bụi bùn sét chiếm 29,7% (so với đá mạt là 11,53%). Khi phối trộn cốt liệu theo tỷ lệ 50% khối lượng đá mạt và 50% khối lượng xỉ than, đường cong tích lũy thành phần hạt hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn TCVN 9205:2012.

Thứ hai, khi giữ nguyên hàm lượng xi măng ở mức 15% khối lượng mẻ trộn 1.000 kg (cấp phối CP1) giống như cấp phối đối chứng của nhà máy (CP0), cường độ chịu nén 28 ngày của viên gạch chỉ đạt 5,10 MPa, giảm 32,72% so với cấp phối CP0 đạt 7,58 MPa. Nguyên nhân là do xỉ than có khối lượng thể tích nhẹ khiến thể tích phối liệu tăng lên, dẫn đến 1 mẻ trộn 1.000 kg sản xuất được tới 725 viên gạch (tăng 137 viên so với 588 viên của CP0). Lượng xi măng thực tế phân bổ cho mỗi viên gạch ở CP1 bị sụt giảm nghiêm trọng từ 0,255 kg xuống còn 0,206 kg (giảm 19,22%).

Thứ ba, việc điều chỉnh tăng tỷ lệ xi măng theo khối lượng phối liệu từ 18% (CP2: 186,5 kg xi măng), 20% (CP3: 212,5 kg xi măng), 22% (CP4: 239,7 kg xi măng) đến 24% (CP5: 268,5 kg xi măng) đã giúp cường độ nén tăng trưởng rõ rệt qua các mốc thời gian 3, 7, 14, 21 và 28 ngày. Tại cấp phối CP4 với hàm lượng xi măng 22%, cường độ chịu nén 28 ngày đạt trên 7,5 MPa, đáp ứng hoàn toàn mác M7,5 theo TCVN 6477:2016. Lượng nước nhào trộn tối ưu cho CP4 là 281 lít/mẻ trộn, giúp hỗn hợp đạt độ dẻo công tác tốt và đảm bảo viên gạch khi tách khuôn không bị nứt vỡ hay sứt mẻ góc cạnh.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm cường độ chịu nén ban đầu ở cấp phối CP1 được giải thích bởi diện tích bề mặt riêng của xỉ than rất lớn và cấu trúc nhiều lỗ rỗng mao quản, đòi hỏi lượng nước nhào trộn tăng cao từ 80 lít lên 176 lít (tỷ lệ Nước/Xi măng tăng từ 0,53 lên 1,17). Điều này làm loãng nồng độ hồ xi măng bao bọc cốt liệu. Khi nâng hàm lượng xi măng lên 22% ở cấp phối CP4, lượng hồ xi măng đủ để lấp đầy các vi lỗ rỗng của hạt xỉ và tạo liên kết tinh thể ngậm nước C-S-H vững chắc tại vùng tiếp giáp giữa đá mạt và xỉ than.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây về việc sử dụng tro xỉ nhiệt điện (thường chỉ thay thế từ 10% đến 20% hoặc tối đa 42,8% đá mạt mà không bù trừ tỷ lệ thể tích phối liệu), nghiên cứu này đã tạo ra bước đột phá khi nâng mức thay thế lên 50% đá mạt mà vẫn đạt mác M7,5. Dữ liệu thực nghiệm của đề tài được thể hiện sinh động qua các bảng tổng hợp cấp phối định mức cho 1 mẻ trộn (1.000 kg đến 1.118,5 kg) và biểu đồ đường biểu diễn sự phát triển cường độ chịu nén theo chuỗi thời gian 3, 7, 14, 21, 28 ngày. Đồng thời, biểu đồ cột so sánh độ hút nước (<12%), độ rỗng và độ thấm nước giữa CP0, CP1 và CP4 minh chứng rõ ràng rằng việc sử dụng xỉ than lò hơi với 22% xi măng hoàn toàn tương đương về mặt cơ lý so với gạch xi măng cốt liệu truyền thống nhưng khối lượng thể tích nhẹ hơn, giúp giảm đáng kể tĩnh tải cho kết cấu công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Một là, áp dụng ngay cấp phối chuẩn CP4 (hàm lượng xi măng PCB40 chiếm 22% tổng khối lượng phối liệu khô, cốt liệu gồm 50% đá mạt và 50% xỉ than lò hơi) vào dây chuyền sản xuất gạch block không nung 4 lỗ kích thước 180×80×80 mm. Đơn vị thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất gạch không nung tại Khánh Hòa và khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ, đặt mục tiêu duy trì cường độ nén 28 ngày đạt mác M7,5 (tối thiểu 7,5 MPa) và giảm chi phí nguyên liệu đá mạt từ 8% đến 12% trên mỗi viên gạch thành phẩm trong vòng 3 đến 6 tháng tới.

Hai là, đầu tư hệ thống máy nghiền đập con lăn và sàng phân loại chuyên dụng tại các cơ sở sản xuất gạch để tiền xử lý xỉ than lò hơi. Chủ thể thực hiện là ban giám đốc kỹ thuật của các nhà máy gạch, với mục tiêu kiểm soát cỡ hạt xỉ dưới 5,0 mm, mô đun độ lớn từ 2,0 đến 3,3 và loại bỏ triệt để các khối xỉ vón cục kích thước lớn, hoàn thành việc lắp đặt và hiệu chuẩn trong vòng 6 tháng.

Ba là, thiết lập chuỗi liên kết quản lý và chuyển giao phế thải rắn giữa các doanh nghiệp dệt may, nhà máy nhiệt điện đốt than với các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng trên địa bàn. Chủ thể chủ trì là Sở Xây dựng phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Khánh Hòa, hướng tới mục tiêu tiêu thụ 100% lượng xỉ than phát sinh (trên 15.000 tấn/năm) giai đoạn 2020-2025, giải phóng hoàn toàn các bãi chứa tạm và ngăn ngừa rủi ro ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Bốn là, ban hành quy trình chuẩn hóa chế độ bảo dưỡng ẩm cho gạch xi măng xỉ than. Đội ngũ kỹ thuật nhà máy cần thực hiện che phủ và phun ẩm liên tục trong tối thiểu 72 giờ đầu sau khi ép định hình, duy trì dưỡng ẩm đến 28 ngày trước khi xuất xưởng nhằm triệt tiêu hiện tượng nứt vi mô do xỉ than hút nước nhanh trong quá trình thủy hóa ban đầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

1. Các doanh nghiệp sản xuất gạch không nung và vật liệu xây dựng: Nhận được công thức cấp phối tối ưu (CP4 với 22% xi măng), định mức nguyên vật liệu chi tiết cho mẻ trộn công nghiệp và phương pháp kiểm soát độ dẻo, giúp giảm chi phí mua đá mạt và hạ giá thành cạnh tranh trên thị trường vật liệu xanh.
2. Ban quản lý môi trường tại các nhà máy dệt may, nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt quy trình công nghệ tái chế chất thải rắn xỉ than lò hơi thành vật liệu có ích, giải quyết triệt để áp lực quá tải bãi thải và giảm thiểu chi phí xử lý môi trường theo quy định của pháp luật.
3. Kỹ sư xây dựng, tư vấn giám sát và chủ đầu tư dự án dân dụng: Có cơ sở dữ liệu khoa học về các chỉ tiêu cơ lý (cường độ nén M7,5, khối lượng thể tích nhẹ, độ thấm nước) của gạch bê tông xỉ than để tự tin đưa vào thiết kế khối xây tường bao che, tường ngăn, giảm tải trọng cho hệ móng và kết cấu chịu lực của công trình.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Vật liệu Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo học thuật giá trị về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm, thiết kế cấp phối bán khô và các tiêu chuẩn kiểm định cơ lý bê tông theo hệ thống TCVN hiện hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thay thế 50% đá mạt bằng xỉ than ở cấp phối CP1 lại khiến cường độ gạch giảm sâu xuống 5,10 MPa? Do xỉ than có khối lượng thể tích xốp rất nhẹ (609 kg/m3 so với 1.654 kg/m3 của đá mạt), mẻ trộn 1.000 kg phối liệu có thể tích tăng lên và tạo ra tới 725 viên gạch thay vì 588 viên như cấp phối đối chứng. Lượng xi măng trên mỗi viên gạch bị phân tán, giảm từ 0,255 kg xuống 0,206 kg khiến màng gel liên kết bị yếu.

2. Hàm lượng xi măng 22% ở cấp phối CP4 mang lại những ưu điểm kỹ thuật vượt trội nào? Cấp phối CP4 bù đắp lượng xi măng bị thiếu hụt trên mỗi đơn vị thể tích, giúp viên gạch đạt cường độ nén 28 ngày trên 7,5 MPa (đạt chuẩn mác M7,5), độ hút nước dưới 12% và độ thấm nước dưới 350 ml/m2.h theo TCVN 6477:2016, đồng thời giữ hình dáng sắc nét, không nứt nẻ sau khi tháo khuôn.

3. Xỉ than từ lò hơi dệt may có cần qua xử lý kỹ thuật phức tạp trước khi trộn không? Không cần quy trình hóa học phức tạp, xỉ than chỉ cần trải qua công đoạn cơ học gồm nghiền đập và sàng lọc để đảm bảo cỡ hạt tối đa dưới 5,0 mm, thành phần hạt mịn đồng đều tương đương cát nghiền nhân tạo theo TCVN 9205:2012 trước khi đưa vào phễu nạp liệu của máy trộn.

4. Việc sử dụng xỉ than dệt may mang lại lợi ích môi trường và kinh tế thực tế ra sao? Giải pháp này giúp tái chế toàn bộ hơn 1.600 tấn xỉ than/năm của Dệt may Nha Trang và đóng góp xử lý 15.000 tấn xỉ than trên toàn tỉnh Khánh Hòa, xóa bỏ bãi thải nguy hại. Về kinh tế, việc thay thế 50% đá mạt và không dùng cát tự nhiên giúp giảm 8% đến 12% chi phí nguyên liệu cho nhà máy gạch.

5. Gạch không nung mác M7,5 từ xỉ than lò hơi phù hợp cho những hạng mục xây dựng nào? Theo tiêu chuẩn xây dựng, gạch mác M7,5 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho hệ tường xây chịu lực trong các công trình nhà ở thấp tầng, tường ngăn không chịu lực, tường bao che và tường ngăn phân chia không gian trong các tòa nhà cao tầng yêu cầu vật liệu nhẹ cách âm cách nhiệt tốt.

Kết luận

• Đã xác định thành công các đặc tính cơ lý của xỉ than lò hơi Dệt may Nha Trang với khối lượng thể tích xốp 609 kg/m3 và chứng minh khả năng thay thế 50% khối lượng đá mạt làm cốt liệu cho gạch không nung.
• Khẳng định tỷ lệ xi măng 15% ban đầu (CP1) làm giảm 32,72% cường độ chịu nén do sự gia tăng thể tích phối liệu làm suy giảm lượng chất kết dính trên từng viên gạch.
• Tìm ra hàm lượng xi măng tối ưu là 22% (cấp phối CP4), giúp gạch đạt cường độ nén 28 ngày vượt mác M7,5 và thỏa mãn mọi chỉ tiêu cơ lý theo TCVN 6477:2016.
• Đề xuất quy trình công nghệ nghiền đập xỉ than và chế độ bảo dưỡng ẩm 72 giờ đầu để triển khai ứng dụng thực tế tại các nhà máy vật liệu xây dựng giai đoạn 2020-2025.
• Kêu gọi các chủ đầu tư, kỹ sư xây dựng và doanh nghiệp sản xuất nhanh chóng áp dụng cấp phối gạch xi măng cốt liệu xỉ than để hiện thực hóa mục tiêu phát triển công trình xanh và bảo vệ tài nguyên môi trường.