Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hàm Lượng Mất Khi Nung Trong Tro Bay Đến Tính Chất Của Xi Măng

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung trong tro bay tới tính chất của xi măng, góp phần nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Hồ Xuân Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Lưu Thị Hồng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hàm Lượng Mất Khi Nung Trong Tro Bay Đến Tính Chất Của Xi Măng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả nghiên cứu
• 4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung trong tro bay và hàm lượng tro bay thay thế xi măng tới độ co khô của vữa xi măng
• 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung trong tro bay và hàm lượng tro bay thay thế xi măng tới lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết của hồ xi măng và cường độ của vữa xi măng
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung trong tro bay và hàm lượng tro bay thay thế xi măng tới độ nở của vữa xi măng trong dung dịch sulfat và nước biển
• 4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung trong tro bay và hàm lượng tro bay thay thế xi măng tới cường độ của vữa xi măng trong môi trường nước thường, dung dịch sulfat và nước biển
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của LOI Đến Xi Măng

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng mất khi nung (LOI) trong tro bay đến tính chất xi măng là một vấn đề cấp thiết. Việt Nam đang đối mặt với lượng lớn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện than. Việc sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng hoạt tính trong xi măng không chỉ giúp giải quyết vấn đề môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế. Tuy nhiên, hàm lượng LOI trong tro bay biến động lớn và ảnh hưởng đến cường độ xi măng, độ dẻo của xi măng, thời gian đông kết xi măng. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa LOI và các tính chất xi măng, từ đó đưa ra khuyến nghị sử dụng tro bay hiệu quả. Mục tiêu là thúc đẩy ứng dụng tro bay trong sản xuất xi măng, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững. Theo tài liệu gốc, năm 2016, Việt Nam tồn khoảng 22,7 triệu tấn tro, xỉ nhiệt điện tại các bãi thải, một con số đáng báo động về vấn đề môi trường.

1.1. Vấn đề môi trường và tiềm năng sử dụng tro bay

Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện. Việc thải bỏ tro bay gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng như ô nhiễm không khí, nước và đất. Tuy nhiên, tro bay lại có tiềm năng lớn trong việc thay thế xi măng và các vật liệu xây dựng khác. Việc sử dụng tro bay không chỉ giảm lượng chất thải mà còn giảm chi phí sản xuất và cải thiện độ bền của xi măng. Quyết định số 452/QĐ-TTG của Thủ tướng Chính phủ nhấn mạnh việc đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng.

1.2. Hàm lượng mất khi nung LOI và chất lượng tro bay

Hàm lượng mất khi nung (LOI) là một chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng tro bay. LOI cao thường chỉ ra sự hiện diện của lượng lớn than chưa cháy hoặc các chất hữu cơ khác trong tro bay. Theo tiêu chuẩn TCVN 10302:2014, tro bay loại F phải có LOI ≤ 8%. Tuy nhiên, tro bay tại Việt Nam thường có LOI cao hơn, gây khó khăn cho việc sử dụng trực tiếp. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của LOI đến tính chất xi măng để tìm ra giải pháp sử dụng tro bay hiệu quả hơn.

II. Thách Thức Hàm Lượng LOI Cao Ảnh Hưởng Tính Chất Xi Măng

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc sử dụng tro bay là hàm lượng LOI cao. LOI cao có thể gây ra nhiều vấn đề trong quá trình sản xuất và sử dụng xi măng. Than chưa cháy trong tro bay có thể ảnh hưởng đến mức độ hydrat hóa của xi măng, làm giảm cường độ xi măng và tăng độ co ngót của bê tông. Ngoài ra, LOI cao còn có thể ảnh hưởng đến độ bền sunfat của xi măng và khả năng chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt. Do đó, việc kiểm soát và giảm LOI trong tro bay là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng xi măng. Theo nghiên cứu, tro bay tại các NMNĐ tại Việt Nam có hàm lượng MKN khác biệt nhau nhiều, dao động từ khoảng 3% đến hơn 20% phụ thuộc vào điều kiện sản xuất.

2.1. Tác động của LOI đến quá trình hydrat hóa xi măng

LOI cao có thể làm chậm quá trình hydrat hóa xi măng. Than chưa cháy có thể hấp thụ nước và cản trở sự hình thành các sản phẩm hydrat hóa. Điều này dẫn đến việc giảm cường độ sớm của xi măng và kéo dài thời gian đông kết. Ngoài ra, than chưa cháy cũng có thể tạo ra các bọt khí trong xi măng, làm giảm độ đặc chắc và độ bền của vật liệu. Vì vậy, việc giảm LOI là cần thiết để cải thiện quá trình hydrat hóa và nâng cao chất lượng xi măng.

2.2. Ảnh hưởng của LOI đến độ bền của xi măng trong môi trường khắc nghiệt

LOI cao có thể làm giảm độ bền sunfat và khả năng chống ăn mòn của xi măng trong môi trường khắc nghiệt. Than chưa cháy có thể tạo ra các lỗ rỗng trong xi măng, tạo điều kiện cho các ion sunfat xâm nhập và gây ra phản ứng phá hủy. Ngoài ra, than chưa cháy cũng có thể bị oxy hóa, tạo ra các axit có hại cho xi măng. Do đó, việc kiểm soát LOI là rất quan trọng để đảm bảo độ bền của xi măng trong các công trình xây dựng ven biển hoặc trong môi trường có nồng độ sunfat cao.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng LOI Đến Tính Chất Xi Măng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của LOI đến tính chất xi măng. Các mẫu tro bay với hàm lượng LOI khác nhau (8.07%, 12%, 15%, 18%) được trộn với clinker xi măng theo tỷ lệ khác nhau (10%, 15%, 20%). Sau đó, các mẫu xi măng hỗn hợp được kiểm tra các tính chất như cường độ nén, độ co ngót, thời gian đông kết, độ bền sunfat và độ bền hóa học. Kết quả được phân tích thống kê để xác định mối quan hệ giữa LOI và các tính chất xi măng. Mục tiêu là tìm ra hàm lượng LOI tối ưu để sử dụng tro bay hiệu quả trong sản xuất xi măng. Theo tài liệu, clinker FICO được sản xuất tại Nhà máy xi măng Tây Ninh, đạt tiêu chuẩn TCVN7024:2013 loại C PC 50.

3.1. Vật liệu và quy trình chuẩn bị mẫu xi măng hỗn hợp

Nghiên cứu sử dụng clinker xi măng FICO, tro bay Duyên Hải, tro bay Phả Lại và thạch cao Thái Lan. Tro bay được phối trộn để tạo ra các mẫu có LOI khác nhau. Clinker được nghiền mịn với thạch cao theo tỷ lệ 96,5% clinker và 3,5% thạch cao. Sau đó, tro bay được trộn với clinker theo tỷ lệ 10%, 15% và 20% để tạo ra các mẫu xi măng hỗn hợp khác nhau. Quy trình chuẩn bị mẫu được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN để đảm bảo tính chính xác và khách quan của kết quả.

3.2. Các phương pháp thử nghiệm và đánh giá tính chất xi măng

Các mẫu xi măng hỗn hợp được kiểm tra các tính chất theo tiêu chuẩn TCVN. Cường độ nén được đo ở các tuổi 3 ngày, 28 ngày, 1 tháng, 3 tháng trong môi trường nước, nước biển và dung dịch sulfate 5%. Độ co ngót được đo theo TCVN 8824:2011. Thời gian đông kết được xác định theo TCVN 6017:2015. Độ bền sunfat được đánh giá theo TCVN 7713:2007. Kết quả được phân tích thống kê để xác định mối quan hệ giữa LOI và các tính chất xi măng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của LOI Đến Độ Bền Sunfat Xi Măng

Kết quả nghiên cứu cho thấy LOI có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền sunfat của xi măng. Các mẫu xi măng hỗn hợp có LOI cao thường có độ bền sunfat thấp hơn so với các mẫu có LOI thấp. Điều này có thể là do than chưa cháy tạo ra các lỗ rỗng trong xi măng, tạo điều kiện cho các ion sunfat xâm nhập và gây ra phản ứng phá hủy. Ngoài ra, LOI cao cũng có thể ảnh hưởng đến mức độ hydrat hóa của xi măng, làm giảm khả năng chống lại sự tấn công của sunfat. Việc sử dụng tro bay có LOI thấp hoặc xử lý tro bay để giảm LOI có thể cải thiện độ bền sunfat của xi măng. Theo tài liệu gốc, độ bền sulfate của vữa xi măng được thử nghiệm theo TCVN 7713:2007 ở tuổi 1 tháng, 3 tháng, 6 tháng.

4.1. Mối quan hệ giữa LOI và độ nở của vữa xi măng trong dung dịch sunfat

Nghiên cứu cho thấy LOI cao làm tăng độ nở của vữa xi măng trong dung dịch sunfat. Điều này chứng tỏ rằng LOI cao làm giảm độ bền sunfat của xi măng. Các mẫu có LOI cao thường có độ nở lớn hơn sau một thời gian ngâm trong dung dịch sunfat. Điều này có thể là do than chưa cháy tạo ra các lỗ rỗng và các phản ứng phụ, tạo điều kiện cho sự xâm nhập của sunfat và phá hủy cấu trúc xi măng.

4.2. Ảnh hưởng của LOI đến cường độ của vữa xi măng trong môi trường sunfat

LOI cao có thể làm giảm cường độ của vữa xi măng trong môi trường sunfat. Than chưa cháy có thể làm chậm quá trình hydrat hóa và giảm độ đặc chắc của xi măng. Ngoài ra, sự xâm nhập của sunfat có thể gây ra các phản ứng phá hủy, làm giảm cường độ của vữa. Do đó, việc kiểm soát LOI là rất quan trọng để đảm bảo cường độ và độ bền của xi măng trong môi trường sunfat.

V. Ứng Dụng Thực Tế Sử Dụng Tro Bay Có LOI Cao Trong Xi Măng

Mặc dù LOI cao có thể gây ra một số vấn đề, nhưng việc sử dụng tro bay có LOI cao trong sản xuất xi măng vẫn có thể thực hiện được nếu có các biện pháp kiểm soát và xử lý phù hợp. Một số phương pháp có thể được sử dụng để giảm ảnh hưởng của LOI bao gồm: lựa chọn tro bay từ các nguồn có LOI thấp, xử lý tro bay để giảm LOI, sử dụng các phụ gia khác để cải thiện tính chất của xi măng. Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp này có thể giúp tăng cường ứng dụng tro bay trong sản xuất xi măng, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững.

5.1. Xử lý tro bay để giảm hàm lượng mất khi nung LOI

Có nhiều phương pháp để xử lý tro bay và giảm LOI. Một trong những phương pháp phổ biến là đốt tro bay ở nhiệt độ cao để loại bỏ than chưa cháy. Ngoài ra, có thể sử dụng các phương pháp cơ học như tuyển nổi hoặc phân ly từ để tách than chưa cháy ra khỏi tro bay. Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp phụ thuộc vào tính chất của tro bay và chi phí xử lý.

5.2. Sử dụng phụ gia để cải thiện tính chất xi măng có LOI cao

Có thể sử dụng các phụ gia khác để cải thiện tính chất của xi măng có LOI cao. Ví dụ, việc sử dụng các phụ gia khoáng hoạt tính như silica fume hoặc metakaolin có thể giúp tăng cường độ và độ bền của xi măng. Ngoài ra, việc sử dụng các phụ gia hóa học như chất siêu dẻo có thể giúp cải thiện độ linh động và khả năng thi công của xi măng.

VI. Kết Luận LOI Ảnh Hưởng Và Giải Pháp Cho Xi Măng Tro Bay

Nghiên cứu này đã chỉ ra ảnh hưởng của LOI đến tính chất xi măng. LOI cao có thể làm giảm cường độ, độ bền sunfat và độ bền hóa học của xi măng. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay có LOI cao trong sản xuất xi măng vẫn có thể thực hiện được nếu có các biện pháp kiểm soát và xử lý phù hợp. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp sử dụng tro bay hiệu quả là rất quan trọng để giải quyết vấn đề môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa hàm lượng tro bay và hàm lượng LOI để đạt được tính chất xi măng tốt nhất. Theo tài liệu, cần phải khảo sát, đánh giá khả năng sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng, nghiên cứu tối ưu hóa lượng sử dụng tro bay đối với từng loại tro bay có hàm lượng MKN khác nhau.

6.1. Tóm tắt các khuyến nghị và giải pháp sử dụng tro bay hiệu quả

Các khuyến nghị và giải pháp sử dụng tro bay hiệu quả bao gồm: lựa chọn tro bay từ các nguồn có LOI thấp, xử lý tro bay để giảm LOI, sử dụng các phụ gia khác để cải thiện tính chất của xi măng, và tối ưu hóa hàm lượng tro bay trong hỗn hợp. Việc áp dụng các giải pháp này có thể giúp tăng cường ứng dụng tro bay trong sản xuất xi măng và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu tương lai về xi măng tro bay và độ bền vững

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến độ bền vững của công trình xây dựng. Việc nghiên cứu các phản ứng pozzolan của tro bay và tác động của chúng đến độ bền lâu dài của xi măng là rất quan trọng. Ngoài ra, cần nghiên cứu các giải pháp để giảm lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất xi măng tro bay và thúc đẩy việc sử dụng xi măng ít cacbon.

Nội dung chính

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!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Khái niệm xi măng Portland – xi măng Portland hỗn hợp 1. Xi măng Portland (PC) Xi măng portland là chất kết dính thủy lực được chế tạo bằng cách nghiền mịn clinker xi măng portland với một lượng thạch cao cần thiết [1]. Khi tiếp xúc với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa và tạo thành một dạng hồ gọi là hồ xi măng.

Tiếp theo, do sự hình thành của các sản phẩm thủy hóa, hồ xi măng bắt đầu quá trình đông kết, cuối cùng nhận được vật liệu có cường độ và độ ổn định nhất định. Xi măng portland hỗn hợp (PCB) Xi măng Portland hỗn hợp là chất kết dính thủy lực được tạo thành bằng cách nghiền mịn clinker xi măng Portland với một lượng thạch cao cần thiết và các loại phụ gia khoáng [2]. Khi tiếp xúc với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa và tạo thành một dạng hồ gọi là hồ xi măng. Tiếp đó, do sự hình thành của các sản phẩm thủy hóa, hồ xi măng bắt đầu quá trình đông kết, hóa cứng để cuối cùng nhận được vật liệu có cường độ và độ ổn định nhất định.

Xi măng Portland hỗn hợp bền sulfate Xi măng Portland hỗn hợp bền sulfate là một trong các loại xi măng Portland hỗn hợp (theo TCVN 6260:2009) hoặc xi măng Portland xỉ lò cao (theo TCVN 4316:2007) hoặc xi măng đa cấu tử (theo TCVN 9501:2013) khi thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 7711:2013 [ 3] Xi măng Portland hỗn hợp bền sulfate được phân loại theo ba mức độ bền: bền sulfate trung bình MS, bền sulfate cao HS và siêu bền sulfate US. 5 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH Bảng 1.Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Portland hỗn hợp [2] Bảng 1.Yêu cầu độ bền sulfate [3] 6 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH 1. Phụ gia và vai trò của phụ gia xi măng 1. Định nghĩa về phụ gia xi măng Phụ gia khoáng của xi măng là các vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo khi sử dụng trong xi măng poóc lăng hỗn hợp không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất xi măng, bê tông và bê tông cốt thép.Phụ gia khoáng được chia làm hai loại: phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy[4].

Tính chất và vai trò của phụ gia xi măng Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa: - Tăng độ linh động, độ sụt của bê tông. - Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình đóng rắn của bê tông. Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng: +Tăng cường độ sớm. +Tăng độ chống thấm.

+Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lượng tỏa ra khi bê tông đang hoá rắn để tránh các vết nứt do co ngót nhiệt đặc biệt là đối với các công trình bê tông khối lớn như: thủy điện, đập nước. + Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các thành phần của khoáng cốt liệu. +Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới. Tuy nhiên với mỗi loại phụ gia nhất định đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, với tỷ lệ tối ưu nhất định sử dụng trong xi măng, do đó cần phải thử nghiệm trước khi đưa phụ gia vào sử dụng để đảm bảo hiệu quả cao.

Giới thiệu chung về tro, xỉ nhiêt điện 1. Định nghĩa – quá trình tạo thành tro xỉ nhiệt điện Tro, xỉ nhiệt điện là sản phẩm cháy của quá trình đốt than để vận hành nhà máy nhiệt điện (NMNĐ), gồm: Tro đáy (xỉ đáy lò) hay còn gọi là xỉ, là các hạt thô, to thu được ở đáy lò đốt và tro bay. 7 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH Tro bay, là thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của NMNĐ từ quá trình đốt than [5]. Các hạt tro mịn bay lên được thu lại tại lọc bụi (lọc bụi túi, lọc bụi tĩnh điện).

Ngoài ra, còn có thạch cao, là sản phẩm của quá trình khử khí SO2 trong khói khi đốt. Thông thường lượng tro bay chiếm khoảng 80 - 90 %, còn xỉ chỉ chiếm khoảng 10 - 20%. Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam đang sử dụng một trong hai loại công nghệ đốt: Công nghệ lò đốt than phun – PC (Pulverised combustion) và Công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn - CFB (Circulating Fluidizing Bed). Công nghệ đốt than phun PC Than nhập về nhà máy được đưa vào kho chứa có hệ thống đảo trộn để đồng nhất than phục vụ quá trình đốt.

Than được nghiền mịn trên máy nghiền sấy liên hợp đến cỡ hạt ≤ 0,09 mm chuyển đến các két chứa. Than mịn được hệ thống cấp liệu, định lượng chuyển đến vòi phun than, phun vào lò và bị đốt cháy trong không gian của lò hơi. Nhiệt độ trong lò đốt khoảng 1400oC- 1600 oC nhằm mục đích gia nhiệt cho nước hóa hơi sinh áp lực để cấp cho turbine sinh công, phát điện. Than cháy để lại tro than, một phần quá nhiệt nóng chảy biến thành xỉ rơi xuống đáy lò được làm lạnh bằng nước, phần lớn tro than mịn theo gió lò vào lọc bụi điện để giữ lại, khí sạch thải ra môi trường.

Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh có trong than và yêu cầu khử khí SO2 mà các nhà máy nhiệt điện có thêm hệ thống FGD (Flue - Gas Desulfurization Gypsum) để hấp thụ khí SO2. Hệ thống FGD hoạt động sử dụng dung dịch đá vôi để hấp thụ khí SO2 sinh ra thạch cao. Đối với công nghệ đốt than phun PC, thạch cao FGD phát sinh và được thải ra riêng biệt với tro bay. Công nghệ đốt than tầng sôi CFB Công nghệ này sử dụng khi than có chất lượng thấp (nhiệt trị thấp) và hàm lượng lưu huỳnh cao.

Than được nhập về nhà máy chứa trong các kho có thể đảo trộn hoặc phối trộn các mẻ để đồng nhất.Than được gia công trên máy đập búa đến cỡ hạt <10 mm chứa trong các két có hệ thống cấp định lượng. 8 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH Đá vôi cũng được gia công đến cỡ hạt <10 mm chứa trong két có hệ thống cấp liệu và định lượng. Than và đá vôi được cấp vào lò đốt tầng sôi tuần hoàn để sinh nhiệt cấp cho nước hóa thành hơi cao áp cấp cho turbine sinh công, phát điện. Than cháy sinh nhiệt, cùng đá vôi được tuần hoàn trong buồng đốt phản ứng với khí SO2 của khói lò chuyển thành CaSO4.

Khói lò cùng tro mịn thu vào lọc bụi tĩnh điện, khí sạch thải ra môi trường theo ống khói. Các hạt tro than to và đá vôi đã hoặc chưa phản ứng hết rơi xuống đáy lò ra ngoài thành tro đáy (xỉ). Đối với các nhà máy sử dụng công nghệ CFB, thạch cao luôn luôn lẫn với tro bay. Các tính chất đặc trưng của tro, xỉ nhiệt điện Theo công nghệ đốt than của nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, tro, xỉ nhiệt điện được phân làm 2 loại: tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than phun PC và tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than tầng sôi CFB.Trong đó chủ yếu là các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ PC.

Theo Quy hoạch điện VII, đến năm 2020 và 2030 thì công suất của các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt than tầng sôi nước ta chiếm khoảng 10% trên tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện than. Tro bay, xỉ nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt PC: Tro bay được hình thành do các quá trình đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 1400-1600 oC, do vậy tro bay thu được gồm hỗn hợp các hạt bị nóng chảy và các hạt than chưa cháy hết. Phần vật liệu bị nóng chảy khi được làm lạnh nhanh tạo thành chủ yếu pha thủy tinh và các hạt hình cầu, ngoài ra còn một lượng nhỏ pha tinh thể. Các hạt tro bay hình cầu có thể là hạt cầu rỗng (chứa nhiều hạt cầu con trong nó) hoặc là các hạt cầu đặc.

Pha thủy tinh chiếm khoảng (60-90)% khối lượng tro bay. Pha thủy tinh và pha tinh thể không hoàn toàn độc lập với nhau mà thường pha trộn lẫn, thông thường pha tinh thể nằm trong cấu trúc pha thủy tinh hoặc gắn liền với bề mặt các hình cầu của pha thủy tinh. Do vậy, cấu trúc tổng thể của tro bay là phức tạp và pha trộn[6]. 9 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH Hình 1.

Ảnh SEM hạt tro bay công nghệ đốt than phun Xỉ được hình thành cùng với quá trình hình thành tro bay, tuy nhiên khi tro than nóng chảy kết thành tảng có kích thước lớn rơi xuống đáy lò và được làm lạnh nhanh bằng nước nên thành phần chủ yếu là pha thủy tinh và lẫn rất ít than chưa cháy. Tro bay, xỉ nhà máy nhiệt điện theo công nghệ đốt CFB: Quá trình đốt than tầng sôi ở nhiệt độ khoảng 800 oC-900oC và được đốt tuần hoàn rất lâu trong lò đốt. Các hạt than được đốt cháy, một phần tro than vỡ ra rất mịn và nhẹ bay lên cùng khí nóng gọi là tro bay (trong tro bay có lẫn cả than mịn chưa cháy hết), phần tro than dạng hạt to (hạt cát) rơi xuống đáy là được làm lạnh nhanh gọi là xỉ. Do công nghệ đốt ở nhiệt độ thấp (800oC-900oC) nên phần lớn phần vật liệu không cháy trong than chưa bị nóng chảy, đó là các khoáng chiếm lượng lớn trong tro bay, xỉ như khoáng quazt, khoáng chứa Al2O3 , hợp chất sắt oxyt, hợp chất CaO.

Các hạt tro bay CFB có hình dạng góc cạnh (hình 1. Ngoài ra, các hạt tro bay CFB có tỷ diện bề mặt lớn, kết dính với nhau và độ xốp giữa các hạt lớn. Tro bay CFB có hàm lượng SO 3, CaSO4, CaCO 3, CaO lớn hơn so với tro bay công nghệ đốt than phun do bột đá vôi được phun vào trong quá trình đốt để khử SO 2 trong khí thải. 10 LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ XUÂN VINH Hình 1.Ảnh SEM hạt tro bay công nghệ đốt than tầng sôi 1.

Ưu điểm của tro bay Sử dụng tro bay trong SX xi măng, bê tông và vữa xây dựng mang lại lợi ích kinh tế, kỹ thuật đáng kể, như: - Do nhu cầu ít nước nên giảm co (Giảm tỷ lệ N/X, từ đó giảm hiện tượng nứt do co ngót); - Tăng cường độ bê tông. Cường độ 28 ngày tiếp tục tăng do tác dụng chậm của tro bay với CH tạo ra CSH mới.