Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp mạnh mẽ hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng, dẫn đến lượng tro bay phát thải từ các nhà máy nhiệt điện than cũng gia tăng đáng kể. Ước tính, mỗi kWh điện sản xuất từ than cám thải ra khoảng 0.5 kg tro, xỉ, với tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện tại Việt Nam lên đến khoảng 15 triệu tấn/năm và dự kiến tăng lên 38 triệu tấn vào năm 2030. Lượng tro bay này không chỉ gây áp lực lớn về môi trường mà còn chiếm dụng diện tích đất lớn để tồn chứa. Việc tái chế và sử dụng tro bay làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông, được xem là giải pháp bền vững nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tro bay nhân tạo thay thế cốt liệu thô thông thường đến các tính chất cơ học của bê tông cường độ cao. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình sản xuất cốt liệu tro bay từ phế thải nhiệt điện, thiết kế cấp phối bê tông sử dụng cốt liệu này, đồng thời đánh giá các tính chất cơ học như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ hút nước của bê tông với tỷ lệ thay thế cốt liệu thô lần lượt là 0%, 20%, 40% và 60% theo thể tích. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM trong năm 2022.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu lượng phế thải công nghiệp tồn đọng, đồng thời cung cấp giải pháp thay thế cốt liệu tự nhiên trong sản xuất bê tông cường độ cao, đáp ứng nhu cầu xây dựng bền vững và tiết kiệm tài nguyên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông cốt liệu nhân tạo và phản ứng pozzolanic của tro bay trong hệ nền xi măng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết phản ứng pozzolanic: Tro bay chứa các oxit silic và nhôm có khả năng phản ứng với calcium hydroxide (Ca(OH)₂) sinh ra các khoáng calcium silicate hydrate (C–S–H) và calcium aluminate hydrate (C–A–H), giúp tăng cường độ và độ đặc chắc của bê tông theo thời gian. Tuy nhiên, tro bay làm chậm quá trình hydrat hóa ở tuổi sớm do giảm nồng độ ion Ca²⁺ trong dung dịch.

  2. Mô hình cấu trúc bê tông cốt liệu nhẹ: Cốt liệu tro bay có cấu trúc rỗng xốp, hình cầu, ảnh hưởng đến khối lượng thể tích, độ hút nước và cường độ cơ học của bê tông. Việc thay thế cốt liệu thô tự nhiên bằng cốt liệu tro bay cần cân nhắc ảnh hưởng đến vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa cốt liệu và xi măng, ảnh hưởng đến tính chất cơ học tổng thể.

Các khái niệm chính bao gồm: cốt liệu tro bay (Fly Ash Aggregate - FAA), cốt liệu thô tự nhiên (Natural Coarse Aggregate - NCA), cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ hút nước, và độ nén dập của cốt liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM. Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Sản xuất cốt liệu tro bay: Tro bay được phối trộn với xi măng theo tỷ lệ khối lượng từ 85:15 đến 97:3, đồng thời bổ sung chất hoạt hóa natri sulfat (Na₂SO₄) với hàm lượng 0% và 1.0% để thúc đẩy phản ứng hydrat hóa. Hỗn hợp được tạo viên bằng phương pháp liên kết nguội trên đĩa quay với tốc độ 22 vòng/phút và góc nghiêng 40º, sau đó dưỡng hộ trong nước 14 ngày.

  • Thiết kế cấp phối bê tông: Bê tông cường độ cao mác 70 MPa được thiết kế theo TCVN 10306:2014 với tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) là 0.37, độ sụt 20±2 cm. Cốt liệu thô được thay thế bằng cốt liệu tro bay với tỷ lệ 0%, 20%, 40% và 60% theo thể tích.

  • Thí nghiệm đánh giá tính chất: Các mẫu cốt liệu và bê tông được kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và ASTM, bao gồm: khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ hút nước, độ bão hòa nước, độ nén dập, cường độ chịu nén (ở 3, 7, 28 ngày), cường độ chịu kéo khi uốn (7, 28 ngày), và độ sụt của bê tông.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm thay đổi các chỉ tiêu cơ học giữa các mẫu bê tông sử dụng cốt liệu tro bay và mẫu đối chứng sử dụng 100% đá dăm tự nhiên.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, sản xuất cốt liệu, thiết kế cấp phối, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và Na₂SO₄ đến cốt liệu tro bay: Cường độ chịu nén của cốt liệu tro bay tăng khi hàm lượng xi măng trong hệ nền tăng, đạt giá trị cao nhất ở tỷ lệ tro bay:xi măng 85:15. Việc bổ sung 2.5% Na₂SO₄ theo khối lượng chất kết dính giúp cải thiện cường độ sớm và các tính chất kỹ thuật khác của cốt liệu. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích của cốt liệu tăng, trong khi độ hút nước, độ bão hòa nước và độ nén dập giảm khi hàm lượng xi măng tăng.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cốt liệu thô bằng cốt liệu tro bay đến tính công tác và khối lượng thể tích bê tông: Độ sụt của bê tông duy trì ổn định trong khoảng 20±2 cm khi thay thế cốt liệu thô bằng cốt liệu tro bay từ 0 đến 60%. Khối lượng thể tích của bê tông giảm nhẹ khi tỷ lệ thay thế tăng, dao động trong khoảng 2285 – 2446 kg/m³, vẫn thuộc nhóm bê tông nặng.

  3. Ảnh hưởng đến cường độ chịu nén và chịu kéo khi uốn của bê tông: Cường độ chịu nén và chịu kéo khi uốn của bê tông giảm dần khi tỷ lệ cốt liệu tro bay tăng. Ở mức thay thế 20 – 40%, cường độ chịu nén đạt khoảng 80 – 90% so với bê tông đối chứng sử dụng 100% đá dăm. Cường độ chịu kéo khi uốn cũng giảm nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho bê tông cường độ cao.

  4. Ảnh hưởng đến độ hút nước của bê tông: Độ hút nước của bê tông tăng khi tỷ lệ cốt liệu tro bay tăng, phản ánh tính xốp và khả năng hấp thụ nước cao hơn của cốt liệu tro bay so với đá dăm tự nhiên.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm cường độ bê tông khi tăng tỷ lệ cốt liệu tro bay là do cấu trúc rỗng xốp và độ hút nước cao của cốt liệu tro bay, làm giảm liên kết vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa cốt liệu và xi măng. Tuy nhiên, việc bổ sung Na₂SO₄ giúp thúc đẩy phản ứng pozzolanic, tăng cường độ sớm và cải thiện tính chất cơ học của cốt liệu, từ đó giảm thiểu phần nào sự suy giảm cường độ bê tông.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả này phù hợp với xu hướng chung khi cốt liệu nhân tạo nhẹ thường làm giảm cường độ bê tông so với cốt liệu tự nhiên, nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật trong phạm vi thay thế hợp lý. Việc duy trì độ sụt ổn định cho thấy tính công tác của bê tông không bị ảnh hưởng đáng kể, thuận lợi cho thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi cường độ chịu nén và chịu kéo theo tỷ lệ thay thế cốt liệu, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của cốt liệu tro bay và bê tông ứng dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ phối trộn cốt liệu tro bay: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ tro bay:xi măng khoảng 85:15 và bổ sung 2.5% Na₂SO₄ để sản xuất cốt liệu tro bay có tính chất kỹ thuật tối ưu, đảm bảo cường độ và độ bền cho bê tông cường độ cao. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng, thời gian áp dụng: ngay trong các dự án nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm.

  2. Giới hạn tỷ lệ thay thế cốt liệu thô: Đề xuất tỷ lệ thay thế cốt liệu thô bằng cốt liệu tro bay trong khoảng 20 – 40% theo thể tích để đảm bảo cường độ bê tông đạt 80 – 90% so với bê tông truyền thống, phù hợp cho các công trình yêu cầu bê tông cường độ cao. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và thiết kế kết cấu, áp dụng trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  3. Nâng cao công tác dưỡng hộ và kiểm soát độ hút nước: Khuyến khích áp dụng chế độ dưỡng hộ nước nghiêm ngặt để thúc đẩy phản ứng pozzolanic và giảm độ hút nước của bê tông, từ đó cải thiện độ bền và tuổi thọ công trình. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công, kỹ sư giám sát, trong suốt quá trình thi công và bảo dưỡng.

  4. Phát triển công nghệ sản xuất cốt liệu tro bay quy mô công nghiệp: Đầu tư nghiên cứu và hoàn thiện quy trình sản xuất cốt liệu tro bay với thiết bị tạo viên hiện đại, đảm bảo chất lượng đồng đều và khả năng sản xuất hàng loạt. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp vật liệu xây dựng, viện nghiên cứu, trong vòng 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Vật liệu xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về ứng dụng tro bay làm cốt liệu nhân tạo, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Thông tin về quy trình sản xuất cốt liệu tro bay và ảnh hưởng đến tính chất bê tông giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí nguyên liệu và tăng giá trị kinh tế.

  3. Các nhà thầu và kỹ sư thiết kế công trình xây dựng: Hiểu rõ về tính chất cơ học của bê tông sử dụng cốt liệu tro bay giúp thiết kế kết cấu phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về môi trường và xây dựng: Cung cấp dữ liệu thực tiễn về tái sử dụng phế thải công nghiệp, hỗ trợ xây dựng chính sách thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cốt liệu tro bay là gì và có ưu điểm gì so với cốt liệu tự nhiên?
    Cốt liệu tro bay là cốt liệu nhân tạo được sản xuất từ tro bay nhiệt điện phối trộn với xi măng và chất hoạt hóa. Ưu điểm gồm giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, tái sử dụng phế thải, giảm trọng lượng bê tông và thân thiện môi trường.

  2. Tỷ lệ thay thế cốt liệu thô bằng cốt liệu tro bay tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ thay thế từ 20% đến 40% theo thể tích là hiệu quả nhất, đảm bảo cường độ bê tông đạt 80 – 90% so với bê tông sử dụng 100% đá dăm tự nhiên.

  3. Việc bổ sung Na₂SO₄ có tác dụng gì trong sản xuất cốt liệu tro bay?
    Na₂SO₄ là chất hoạt hóa giúp thúc đẩy phản ứng hydrat hóa và pozzolanic của tro bay, tăng cường độ sớm và cải thiện các tính chất cơ học của cốt liệu và bê tông.

  4. Độ hút nước của bê tông sử dụng cốt liệu tro bay có ảnh hưởng như thế nào?
    Độ hút nước tăng khi tỷ lệ cốt liệu tro bay tăng do cấu trúc rỗng xốp của cốt liệu, có thể ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ bê tông nếu không được kiểm soát tốt qua chế độ dưỡng hộ.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế xây dựng không?
    Có, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cốt liệu tro bay trong bê tông cường độ cao với các tỷ lệ thay thế phù hợp, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường trong các công trình xây dựng.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình sản xuất cốt liệu tro bay nhân tạo với tỷ lệ tro bay:xi măng tối ưu 85:15 và bổ sung 2.5% Na₂SO₄, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết.
  • Cốt liệu tro bay có khối lượng riêng và thể tích thấp hơn đá dăm tự nhiên, độ hút nước và độ nén dập giảm khi tăng hàm lượng xi măng và bổ sung Na₂SO₄.
  • Bê tông sử dụng cốt liệu tro bay thay thế 20 – 40% cốt liệu thô đạt cường độ chịu nén 80 – 90% so với bê tông đối chứng, đồng thời duy trì độ sụt ổn định.
  • Việc sử dụng cốt liệu tro bay góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, tái sử dụng phế thải công nghiệp, hướng tới phát triển vật liệu xây dựng bền vững.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế, đồng thời hoàn thiện các giải pháp kiểm soát độ hút nước và tăng cường độ bền bê tông.

Hành động tiếp theo là triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp và áp dụng trong các dự án xây dựng thực tế nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật toàn diện. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu xây dựng được khuyến khích hợp tác phát triển công nghệ này.