Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhiệt điện tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, dẫn đến lượng tro, xỉ thải ra môi trường ngày càng tăng. Năm 2016, tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện tồn tại tại các bãi thải lên tới khoảng 22,7 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm 80-90%. Theo quy hoạch điện VII, đến năm 2020 lượng tro xỉ thải ra dự kiến đạt khoảng 25,4 triệu tấn/năm và tiếp tục tăng lên 38,3 triệu tấn/năm vào năm 2030. Việc xử lý và tái sử dụng tro, xỉ nhiệt điện là nhiệm vụ cấp bách nhằm giảm thiểu tác động môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng (VLXD).

Tro bay được sử dụng làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng và bê tông, giúp cải thiện tính chất kỹ thuật và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, tro bay tại các nhà máy nhiệt điện Việt Nam có hàm lượng mất khi nung (MKN) dao động rộng, từ khoảng 3% đến hơn 20%, trong khi tiêu chuẩn hiện hành quy định MKN tối đa chỉ từ 6-8%. Điều này gây khó khăn trong việc sử dụng tro bay có hàm lượng MKN cao mà không cần xử lý tốn kém.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định ảnh hưởng của hàm lượng MKN trong tro bay đến các tính chất của xi măng, từ đó đề xuất hàm lượng MKN và tỷ lệ tro bay thay thế xi măng hợp lý, đảm bảo chất lượng xi măng trong các môi trường sulfat và nước biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tro bay từ công nghệ đốt than phun tại Việt Nam, với các mẫu tro bay có MKN từ 8% đến 18%, phối trộn với clinker xi măng FICO và thạch cao, thực hiện thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy sử dụng tro bay nhiệt điện làm phụ gia khoáng, góp phần giảm lượng tro bay tồn dư, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành VLXD.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thủy hóa xi măng Portland: Quá trình thủy hóa của các pha chính trong clinker (C3S, C2S, C3A, C4AF) tạo thành các sản phẩm hydrat như C-S-H, Ca(OH)2, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của xi măng. Phản ứng thủy hóa được mô tả qua các phương trình hóa học tiêu chuẩn, trong đó sản phẩm Ca(OH)2 có thể phản ứng với phụ gia puzolan.

  • Lý thuyết hoạt tính puzolan: Tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính puzolan, chứa SiO2 và Al2O3 ở dạng vô định hình, phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra các hợp chất C-S-H, C-A-H làm tăng cường độ và giảm độ thấm của bê tông. Hoạt tính puzolan phụ thuộc vào thành phần hóa học, pha khoáng, độ mịn và nhiệt độ.

  • Khái niệm mất khi nung (MKN): MKN tương ứng với hàm lượng than chưa cháy trong tro bay, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và khả năng hấp thụ phụ gia cuốn khí. MKN cao làm tăng lượng nước tiêu chuẩn, kéo dài thời gian đông kết và giảm cường độ xi măng.

  • Tiêu chuẩn chất lượng tro bay: Các tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam quy định hàm lượng MKN tối đa trong tro bay dùng cho xi măng và bê tông dao động từ 3% đến 25%, tùy loại tro và lĩnh vực sử dụng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng clinker xi măng FICO, tro bay Duyên Hải (MKN 8,07%) và tro bay Phả Lại (MKN 36,4%) phối trộn để tạo ra các mẫu tro bay có MKN 8%, 12%, 15%, 18%. Thạch cao Thái Lan và nước biển Vũng Tàu được dùng trong thí nghiệm.

  • Thiết kế mẫu: 13 mẫu xi măng được chế tạo với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 0%, 10%, 15%, 20% cho từng mức MKN. Xi măng OPC gồm 96,5% clinker và 3,5% thạch cao, nghiền mịn đạt độ mịn Blaine 3500 cm²/g.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định thành phần hóa học bằng phương pháp tiêu chuẩn TCVN.
    • Phân tích pha khoáng bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Quan sát hình dạng hạt tro bay bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Phân bố kích thước hạt tro bay bằng máy phân tích kích thước hạt laser.
    • Thử nghiệm tính chất xi măng theo các tiêu chuẩn TCVN 6016:2011 (cường độ), TCVN 6017:2015 (thời gian đông kết, lượng nước tiêu chuẩn), TCVN 8824:2011 (độ co khô), TCVN 7713:2007 (độ bền sulfate và trong môi trường nước biển).

  • Timeline nghiên cứu:

    • Chế tạo mẫu và thử nghiệm cơ bản trong 3 tháng.
    • Đánh giá cường độ xi măng ở các tuổi 3 ngày, 28 ngày, 1 tháng, 3 tháng, 6 tháng.
    • Thí nghiệm độ nở sulfate và độ bền trong môi trường nước biển theo chu kỳ 1, 3, 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng MKN và tỷ lệ tro bay đến độ co khô của vữa xi măng:

    • Độ co khô tăng khi hàm lượng MKN và tỷ lệ tro bay thay thế xi măng tăng.
    • Mẫu có MKN 18% và tỷ lệ tro bay 20% có độ co khô cao hơn khoảng 15% so với mẫu OPC chuẩn.
    • Tuy nhiên, với MKN ≤ 12% và tỷ lệ tro bay ≤ 15%, độ co khô vẫn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn TCVN 8824:2011.

  2. Ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết:

    • Lượng nước tiêu chuẩn tăng từ 5% đến 12% khi MKN tăng từ 8% lên 18% và tỷ lệ tro bay tăng từ 10% lên 20%.
    • Thời gian đông kết ban đầu kéo dài thêm 30-60 phút với mẫu có MKN cao và tỷ lệ tro bay lớn.
    • Mẫu tro bay MKN 8% thay thế 10% xi măng có thời gian đông kết gần tương đương mẫu OPC.

  3. Ảnh hưởng đến cường độ xi măng trong môi trường nước thường, nước biển và dung dịch sulfate:

    • Cường độ chịu nén giảm khi hàm lượng MKN và tỷ lệ tro bay tăng, đặc biệt rõ ở tuổi 3 ngày và 28 ngày.
    • Ở tuổi 6 tháng, cường độ của mẫu có MKN 12% và tỷ lệ tro bay 15% đạt khoảng 85% cường độ mẫu OPC trong môi trường nước thường.
    • Trong môi trường nước biển và dung dịch sulfate 5%, cường độ giảm nhẹ hơn so với môi trường nước thường, cho thấy tro bay có tác dụng cải thiện độ bền sun phát và chống ăn mòn.

  4. Ảnh hưởng đến độ nở sulfate của vữa xi măng:

    • Độ nở sulfate tăng khi hàm lượng MKN và tỷ lệ tro bay tăng, nhưng với MKN ≤ 12% và tỷ lệ tro bay ≤ 15%, độ nở sulfate vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn TCVN 7713:2007.
    • Mẫu có MKN 18% và tỷ lệ tro bay 20% có độ nở sulfate vượt mức cho phép, không phù hợp cho môi trường có tính ăn mòn cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hàm lượng MKN trong tro bay ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất cơ lý của xi măng, đặc biệt là độ co khô, thời gian đông kết và cường độ chịu nén. MKN cao làm tăng lượng nước tiêu chuẩn và kéo dài thời gian đông kết do than chưa cháy trong tro bay làm giảm hoạt tính puzolan và ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, xu hướng giảm cường độ sớm và tăng cường độ muộn khi sử dụng tro bay có hàm lượng MKN cao là phù hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay có MKN cao cần được kiểm soát chặt chẽ về tỷ lệ thay thế để đảm bảo độ bền sulfate và độ bền trong môi trường nước biển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng MKN, tỷ lệ tro bay và các chỉ tiêu như độ co khô, cường độ xi măng ở các tuổi khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của MKN đến tính chất xi măng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát hàm lượng MKN trong tro bay sử dụng làm phụ gia xi măng:

    • Khuyến nghị sử dụng tro bay có hàm lượng MKN không vượt quá 12% để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà máy nhiệt điện và nhà máy xi măng.
    • Thời gian: Áp dụng ngay trong quy trình tuyển chọn nguyên liệu.

  2. Giới hạn tỷ lệ tro bay thay thế xi măng:

    • Tỷ lệ tro bay thay thế nên duy trì trong khoảng 10-15% để cân bằng giữa hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm.
    • Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất xi măng và các đơn vị thi công.
    • Thời gian: Áp dụng trong các dự án xây dựng hiện tại và tương lai.

  3. Phát triển công nghệ xử lý tro bay có MKN cao:

    • Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tuyển chọn, xử lý giảm MKN nhằm nâng cao chất lượng tro bay.
    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ vật liệu.
    • Thời gian: 2-3 năm tiếp theo.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với đặc thù tro bay Việt Nam:

    • Cập nhật tiêu chuẩn về hàm lượng MKN và các chỉ tiêu chất lượng tro bay phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Bộ Khoa học và Công nghệ.
    • Thời gian: 1-2 năm.

  5. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về sử dụng tro bay:

    • Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho các bên liên quan về lợi ích và kỹ thuật sử dụng tro bay trong sản xuất VLXD.
    • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu, hiệp hội ngành nghề.
    • Thời gian: Liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng:

    • Lợi ích: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ tro bay trong sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.
    • Use case: Thiết kế công thức xi măng hỗn hợp phù hợp với tro bay có hàm lượng MKN khác nhau.

  2. Các nhà máy nhiệt điện:

    • Lợi ích: Tăng hiệu quả xử lý và tiêu thụ tro bay, giảm tồn đọng phế thải, đáp ứng các quy định về bảo vệ môi trường.
    • Use case: Phối hợp với nhà máy xi măng để cung cấp tro bay đạt tiêu chuẩn sử dụng.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước và xây dựng tiêu chuẩn:

    • Lợi ích: Căn cứ khoa học để xây dựng hoặc điều chỉnh tiêu chuẩn kỹ thuật về tro bay và vật liệu xây dựng.
    • Use case: Ban hành quy định về hàm lượng MKN và hướng dẫn sử dụng tro bay trong ngành xây dựng.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu, xây dựng:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và cơ sở lý thuyết để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.
    • Use case: Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tro bay đến tính chất vật liệu xây dựng trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hàm lượng mất khi nung (MKN) trong tro bay là gì?
    MKN là chỉ số thể hiện hàm lượng than chưa cháy còn tồn tại trong tro bay, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu. MKN cao làm giảm hoạt tính puzolan và ảnh hưởng đến cường độ xi măng.

  2. Tại sao cần giới hạn hàm lượng MKN trong tro bay khi sử dụng làm phụ gia xi măng?
    Hàm lượng MKN cao làm tăng lượng nước tiêu chuẩn, kéo dài thời gian đông kết và giảm cường độ xi măng, ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của sản phẩm.

  3. Tỷ lệ tro bay thay thế xi măng tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 10-15% tro bay thay thế xi măng là hợp lý, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

  4. Tro bay có thể sử dụng trong môi trường nào?
    Tro bay được sử dụng trong sản xuất xi măng, bê tông và vữa xây dựng, đặc biệt hiệu quả trong môi trường nước thường, nước biển và dung dịch sulfate với điều kiện kiểm soát hàm lượng MKN và tỷ lệ sử dụng.

  5. Làm thế nào để xử lý tro bay có hàm lượng MKN cao?
    Có thể áp dụng các phương pháp tuyển chọn, xử lý vật lý hoặc hóa học để giảm MKN, nâng cao chất lượng tro bay trước khi sử dụng làm phụ gia xi măng.

Kết luận

  • Hàm lượng mất khi nung (MKN) trong tro bay ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ lý của xi măng như độ co khô, thời gian đông kết và cường độ chịu nén.
  • Tro bay có MKN ≤ 12% và tỷ lệ thay thế xi măng từ 10-15% có thể sử dụng hiệu quả trong sản xuất xi măng, đảm bảo độ bền trong môi trường nước biển và dung dịch sulfate.
  • Việc sử dụng tro bay có hàm lượng MKN cao hơn tiêu chuẩn hiện hành cần được kiểm soát chặt chẽ hoặc xử lý trước khi sử dụng để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng vật liệu.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với đặc thù tro bay Việt Nam, góp phần thúc đẩy sử dụng tro bay trong ngành VLXD.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển công nghệ xử lý tro bay, cập nhật tiêu chuẩn và đào tạo nâng cao nhận thức cho các bên liên quan nhằm tăng tỷ lệ tái sử dụng tro bay, giảm thiểu tác động môi trường.

Hành động ngay hôm nay để áp dụng kết quả nghiên cứu này trong sản xuất và quản lý vật liệu xây dựng, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp xi măng và bảo vệ môi trường!