Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của thành phần tro bay đến khả năng lưu biến của bê tông

Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến khả năng lưu biến của bê tông sử dụng tro bay, cung cấp giải pháp tối ưu cho ngành xây dựng.

• Tác giả: Trần Văn Nhứt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính lưu biến của bê tông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.2. Mô hình chất lỏng Bingham
• 1.2.3. Mối quan hệ giữa độ sụt và ứng suất trượt tới hạn
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Trạng thái của quá trình đóng rắn chất kết dính xi măng
• 2.2. Cơ sở lưu biến học của vật liệu
• 2.3. Cơ chế tương tác của các phụ gia với hỗn hợp bê tông
• 2.4. Cơ sở phương pháp xác định đặc trưng lưu biến
• 3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Nguyên vật liệu
• 3.1.1. Phụ gia dẻo
• 3.1.2. Phụ gia siêu dẻo
• 3.2. Thành phần cấp phối thực nghiệm
• 3.3. Phương pháp thực nghiệm
• 3.3.1. Phương pháp xác định độ sụt và thời gian sụt
• 3.3.2. Phương pháp xác định đường kính chảy xòe và thời gian chảy T500
• 3.3.3. Phương pháp xác định độ nhớt
• 3.3.4. Phương pháp xác định ứng suất trượt tới hạn
• 3.3.5. Phương pháp xác định thời gian chảy qua phễu V
• 3.3.6. Phương pháp xác định cường độ nén
• 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước – xi măng và hàm lượng chất kết dính xi măng – tro bay
• 4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và thành phần phụ gia đến độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông
• 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và thành phần phụ gia đến ứng suất trượt tới hạn của hỗn hợp bê tông
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và phụ gia đến khả năng chảy và thời gian chảy của hỗn hợp bê tông
• 4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và phụ gia đến khả năng phát triển cường độ của bê tông
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính lưu biến của bê tông

Nghiên cứu về tro bay và ảnh hưởng của nó đến tính lưu biến của bê tông đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành xây dựng. Tro bay, một sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, không chỉ là một nguồn tài nguyên tái chế mà còn có thể cải thiện các đặc tính của bê tông. Việc sử dụng tro bay trong bê tông không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu suất của vật liệu. Nghiên cứu này sẽ phân tích các đặc điểm lưu biến của bê tông khi thay thế một phần xi măng bằng tro bay, từ đó đưa ra những kết luận quan trọng cho ngành xây dựng.

1.1. Đặc điểm của tro bay và vai trò trong bê tông

Tro bay là một loại phụ gia khoáng có khả năng cải thiện tính chất của bê tông. Nó giúp tăng cường độ bền, giảm thiểu sự co ngót và cải thiện tính lưu biến của hỗn hợp bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng tro bay có thể làm giảm ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo của bê tông, từ đó nâng cao khả năng thi công.

1.2. Tính lưu biến của bê tông và các yếu tố ảnh hưởng

Tính lưu biến của bê tông được xác định bởi nhiều yếu tố như tỷ lệ nước - xi măng, loại phụ gia sử dụng và hàm lượng tro bay. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng hàm lượng tro bay từ 10% đến 30% có thể làm giảm đáng kể độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông, giúp cải thiện khả năng thi công.

II. Thách thức trong việc sử dụng tro bay trong bê tông

Mặc dù việc sử dụng tro bay mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Một trong những vấn đề chính là sự biến đổi trong tính chất của bê tông khi thay thế xi măng bằng tro bay. Điều này có thể dẫn đến sự không đồng nhất trong chất lượng bê tông, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chịu lực của công trình.

2.1. Vấn đề về chất lượng bê tông khi sử dụng tro bay

Sự thay đổi trong tỷ lệ tro bay có thể ảnh hưởng đến độ bền và tính công tác của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng nếu không kiểm soát tốt hàm lượng tro bay, bê tông có thể gặp phải các vấn đề như co ngót và nứt nẻ.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát tỷ lệ nước xi măng

Tỷ lệ nước - xi măng là yếu tố quan trọng quyết định tính lưu biến của bê tông. Việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể làm thay đổi tỷ lệ này, dẫn đến sự cần thiết phải điều chỉnh các thông số khác trong quá trình trộn bê tông.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính lưu biến của bê tông

Để nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính lưu biến của bê tông, các phương pháp thí nghiệm đã được áp dụng. Các mẫu bê tông được trộn với các tỷ lệ tro bay khác nhau và sau đó được kiểm tra về độ nhớt dẻo và ứng suất trượt tới hạn. Phương pháp này giúp xác định rõ ràng mối quan hệ giữa hàm lượng tro bay và các đặc tính lưu biến của bê tông.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và quy trình thực hiện

Mẫu bê tông được thiết kế với các tỷ lệ tro bay từ 10% đến 50% thay thế cho xi măng. Các thí nghiệm được thực hiện để đo độ nhớt dẻo và ứng suất trượt tới hạn, từ đó đánh giá khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng tro bay từ 10% đến 30% có thể làm giảm đáng kể độ nhớt dẻo và ứng suất trượt tới hạn của bê tông. Điều này cho thấy tro bay có khả năng cải thiện tính lưu biến của hỗn hợp bê tông.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tro bay trong bê tông

Việc sử dụng tro bay trong bê tông không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa kinh tế và môi trường. Tro bay giúp giảm chi phí sản xuất bê tông và đồng thời giảm thiểu lượng chất thải từ các nhà máy nhiệt điện. Nghiên cứu cho thấy rằng bê tông sử dụng tro bay có khả năng làm việc tốt hơn và độ linh động cao hơn.

4.1. Lợi ích kinh tế khi sử dụng tro bay

Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay có thể giúp giảm chi phí sản xuất bê tông. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh giá xi măng ngày càng tăng cao.

4.2. Tác động tích cực đến môi trường

Sử dụng tro bay giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải từ các nhà máy nhiệt điện. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng không khí mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu tro bay

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tro bay đến tính lưu biến của bê tông đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro bay có thể cải thiện đáng kể các đặc tính của bê tông. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ tro bay và các thành phần khác trong hỗn hợp bê tông nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tro bay có thể thay thế xi măng với tỷ lệ từ 10% đến 30% mà không làm giảm chất lượng bê tông. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng tro bay trong ngành xây dựng.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để xác định các tỷ lệ tối ưu của tro bay và các phụ gia khác nhằm nâng cao tính lưu biến và khả năng làm việc của bê tông. Đồng thời, cần nghiên cứu thêm về tác động lâu dài của tro bay đến độ bền của bê tông.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của cơ sở hạ tầng đô thị và công nghiệp tại Việt Nam đòi hỏi sản lượng bê tông thương phẩm ngày càng gia tăng, kéo theo nhu cầu tiêu thụ xi măng Pooclăng rất lớn. Tuy nhiên, ngành công nghiệp nhiệt điện đốt than trong nước thải ra ước tính khoảng 1,3 triệu tấn tro bay mỗi năm, trong khi khối lượng được xử lý tái sử dụng ban đầu chỉ đạt khoảng 100.000 tấn trên tổng số 600.000 tấn phát sinh tại một số nhà máy trọng điểm. Theo định hướng Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, việc tập trung vận hành các trung tâm nhiệt điện quy mô lớn như Vĩnh Tân, Duyên Hải, Sông Hậu đã đặt ra yêu cầu cấp bách về việc tái chế nguồn phế thải rắn này nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hướng tới sản xuất vật liệu xây dựng bền vững.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi hiện nay là việc thi công bê tông bơm đòi hỏi hỗn hợp phải có độ linh động cao, duy trì độ sụt tiêu chuẩn từ 8 đến 12 cm, đồng thời phải hạn chế tối đa nguy cơ phân tầng, tách nước hay nghẹt ống bơm khi vận chuyển qua cự ly dài. Việc chỉ dựa vào phép thử độ sụt truyền thống không thể phản ánh đầy đủ bản chất chuyển động và ma sát nội tại của hỗn hợp.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm xác định các đặc trưng lưu biến cơ bản bao gồm ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông khi sử dụng tro bay loại F thay thế xi măng với tỷ lệ từ 10% đến 50% theo khối lượng. Thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với hàm lượng chất kết dính 400 kg/m3 và 500 kg/m3, tỷ lệ Nước trên Chất kết dính là 0,4 và 0,5 kết hợp phụ gia dẻo và siêu dẻo. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học chính xác, giúp giảm thiểu 15% đến 25% ứng suất trượt tới hạn và tối ưu hóa chi phí sản xuất bê tông thương phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa hóa lý silicat và lưu biến học chất lỏng phi Newton. Quá trình rắn chắc của chất kết dính xi măng được giải thích thông qua thuyết Baikor - Rebinder với ba giai đoạn kế tiếp nhau gồm: giai đoạn hòa tan của các khoáng clanke, giai đoạn hóa keo tạo thành các cấu trúc ngưng keo của khoáng C-S-H và ettringite, và giai đoạn kết tinh hình thành đá xi măng chịu lực.

Về mặt lưu biến học, hỗn hợp bê tông tươi được mô tả theo mô hình chất lỏng nhớt dẻo Bingham thông qua phương trình quan hệ giữa ứng suất cắt, ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo. Khi ứng suất cắt vượt qua giá trị ứng suất trượt tới hạn, hỗn hợp bắt đầu chuyển động chảy dẻo.

Bên cạnh đó, tương tác tĩnh điện giữa các hạt mịn có kích thước từ 1 đến 100 µm trong môi trường nước được giải thích bởi lý thuyết lớp khuếch tán Gouy-Chapmann và lý thuyết lớp kép Stern với chiều dày dao động từ 10 đến 1000 Å. Các hạt tro bay tích điện phân bố không đồng đều trên bề mặt tạo nên lực đẩy tĩnh điện và lực đẩy không gian khi có mặt phụ gia hóa học gốc polycarboxylate, phá vỡ cấu trúc kết bông của vữa xi măng và giải phóng lượng nước tự do bị giam hãm. Bốn khái niệm trọng tâm xuyên suốt nghiên cứu gồm: ứng suất trượt tới hạn, độ nhớt dẻo, độ chảy xòe theo mô hình Coussot và hiệu ứng bi lăn của hạt tro bay hình cầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ quy trình thực nghiệm đồng bộ trên 18 tổ hợp cấp phối bê tông mác B20, sử dụng xi măng PC40 có cường độ nén 28 ngày đạt 44 N/mm2, tro bay loại F có độ mịn Blaine 3400 cm2/g với hàm lượng SiO2 chiếm 51,63%, đá dăm kích thước hạt lớn nhất 20 mm, cát tự nhiên có mô đun độ lớn 1,6 và phụ gia hóa học Sikaplast 257 cùng Viscocrete 3000.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được thiết kế theo mô hình ma trận biến thiên có kiểm soát với cỡ mẫu 18 mẻ trộn, thay đổi tỷ lệ tro bay từ 10%, 20%, 30%, 40% đến 50% ứng với hai hàm lượng chất kết dính 400 kg/m3 và 500 kg/m3. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích lưu biến thông qua thiết bị côn Abrams cải tiến của De Larrard kết hợp mô hình giải tích Coussot là nhằm thay thế các thiết bị lưu biến kế đắt tiền bằng một phương pháp hiện trường đơn giản, tin cậy, cho phép xác định trực tiếp thời gian sụt T, độ sụt S, độ chảy xòe và thời gian chảy T500.

Quy trình đánh giá được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn TCVN 3106:1993, TCVN 9340:2012 đối với hỗn hợp tươi và TCVN 3118:2012 đối với cường độ nén trên mẫu trụ 150x300 mm sau 3 ngày và 28 ngày bảo dưỡng tiêu chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm cho thấy việc thay thế xi măng bằng tro bay từ 10% đến 30% kết hợp phụ gia hóa học cải thiện vượt bậc tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi.

Thứ nhất, ứng suất trượt tới hạn của hỗn hợp bê tông giảm từ 15% đến 25% khi tăng tỷ lệ tro bay, giúp hỗn hợp dễ dàng bắt đầu quá trình chảy dưới tác động của trọng lượng bản thân hoặc áp lực bơm ban đầu.

Thứ hai, độ nhớt dẻo của bê tông có xu hướng giảm liên tục theo hàm lượng tro bay và phụ gia dẻo Sikaplast 257 (tỷ trọng 1,135 kg/lít), tạo điều kiện cho vữa lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô.

Thứ ba, khi phối trộn tro bay với phụ gia siêu dẻo thế hệ mới Viscocrete 3000 (tỷ trọng 1,07 kg/lít), giá trị độ nhớt dẻo duy trì ở mức ổn định, không bị suy giảm quá mức, qua đó ngăn chặn hiện tượng phân tầng và tách nước ngay cả khi độ sụt đạt trên 18 cm.

Thứ tư, về mặt cơ học, cấp phối chứa 10% đến 20% tro bay vẫn đảm bảo sự phát triển cường độ nén ở tuổi 28 ngày tương đương với mẫu đối chứng không tro bay, đạt cường độ trên 22 N/mm2 ở 3 ngày và vượt mức thiết kế 44 N/mm2 ở 28 ngày khi kiểm soát tỷ lệ Nước trên Chất kết dính ở mức 0,4.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm ứng suất trượt tới hạn và cải thiện độ linh động là do cấu trúc hình học đặc thù của hạt tro bay nhiệt điện. Các hạt tro bay có dạng hình cầu nhẵn bóng hoạt động tương tự như những ổ bi siêu nhỏ, làm giảm ma sát tiếp xúc nội tại giữa các hạt cát và đá dăm Dmax 20 mm. Khi kết hợp với phụ gia gốc polycarboxylate, chuỗi polyme hấp phụ lên bề mặt hạt tạo ra lực cản lập thể mạnh mẽ, phân tán đồng đều các hạt xi măng bị vón cục trong môi trường nước.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị hồi quy tương quan giữa độ sụt và ứng suất trượt tới hạn theo công thức cải tiến của Hu, phản ánh sự suy giảm phi tuyến của ứng suất khi độ sụt tăng từ 80 mm lên 200 mm. Bảng so sánh giữa đường kính chảy xòe thực nghiệm và đường kính chảy xòe tính toán theo mô hình Coussot khi áp dụng hệ số điều chỉnh k cho thấy độ sai lệch nhỏ hơn 5%, khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết. So với các nghiên cứu dùng tro bay truyền thống không có phụ gia siêu dẻo, việc bổ sung đồng thời bột đá vôi có độ mịn Blaine 4900 cm2/g giúp làm đầy vi cấu trúc lỗ rỗng, tối ưu hóa thời gian chảy qua phễu V từ 8 đến 15 giây mà không làm suy giảm tính kết dính của hệ vữa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn thi công xây dựng, các giải pháp kỹ thuật và quy trình quản lý được đề xuất cụ thể như sau:

• Thiết lập tỷ lệ cấp phối tro bay tối ưu ở mức 20% đến 30% thay thế xi măng cho các dòng bê tông thương phẩm mác B20 đến B30, do các kỹ sư trạm trộn thực hiện nhằm mục tiêu cắt giảm 15% đến 20% chi phí nguyên liệu xi măng trong giai đoạn thi công 2024-2025.
• Kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ Nước trên Chất kết dính trong khoảng 0,40 đến 0,45 kết hợp định lượng phụ gia siêu dẻo từ 4 đến 5 lít trên một mét khối bê tông, do bộ phận thí nghiệm hiện trường giám sát hàng ngày để duy trì độ sụt bơm ổn định từ 10 đến 14 cm.
• Áp dụng phương pháp đánh giá lưu biến bằng côn Abrams cải tiến tại công trường để kiểm tra đồng thời độ sụt và thời gian sụt T dưới 5 giây, do các đơn vị tư vấn giám sát thực hiện từ quý 1 năm 2025 nhằm ngăn ngừa rủi ro nghẹt đường ống bơm cao tầng.
• Ban hành quy chuẩn kỹ thuật nội bộ về kiểm định chất lượng tro bay nguồn nhiệt điện, yêu cầu độ mịn Blaine đạt tối thiểu 3400 cm2/g và hàm lượng mất khi nung dưới 5%, do các chủ đầu tư và nhà máy sản xuất bê tông ban hành trong vòng 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ và chuyên viên phòng thí nghiệm tại các trạm trộn bê tông thương phẩm: Ứng dụng công thức tính toán lưu biến và tỷ lệ cấp phối tro bay từ 10% đến 30% để tối ưu hóa tính dễ bơm của bê tông tươi, giảm thiểu hiện tượng mài mòn thiết bị và tiết kiệm năng lượng bơm.
• Đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu thi công xây dựng: Sử dụng phương pháp đo đạc nhanh bằng côn Abrams cải tiến để nghiệm thu tính công tác của hỗn hợp bê tông ngay tại hiện trường các công trình nhà cao tầng và hạ tầng giao thông.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật Xây dựng và Vật liệu Xây dựng: Sử dụng toàn bộ khung lý thuyết về mô hình Bingham, cơ chế Stern và mô hình giải tích Coussot làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về lưu biến học vật liệu silicat.
• Các nhà hoạch định chính sách môi trường và doanh nghiệp nhiệt điện than: Tham khảo giải pháp kỹ thuật tiêu thụ tro xỉ phế thải với khối lượng lớn, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm phát thải khí nhà kính trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng.

Câu hỏi thường gặp

Tro bay cải thiện tính linh động của hỗn hợp bê tông tươi như thế nào? Nhờ cấu trúc hạt hình cầu nhẵn bóng và kích thước siêu mịn từ 1 đến 100 µm, tro bay tạo ra hiệu ứng bi lăn làm giảm ma sát giữa các hạt cốt liệu thô. Khi kết hợp với nước, tro bay phân tán điện tích đồng đều, làm giảm lực liên kết tĩnh điện gây vón cục, từ đó giúp hỗn hợp bê tông tự chảy dẻo và linh động hơn.

Tại sao cần xác định ứng suất trượt tới hạn thay vì chỉ đo độ sụt truyền thống? Độ sụt chỉ phản ánh trạng thái biến dạng tĩnh cuối cùng của khối bê tông sau khi rút côn. Trong khi đó, ứng suất trượt tới hạn phản ánh chính xác lực cắt tối thiểu cần thiết để phá vỡ liên kết cấu trúc và bắt đầu dòng chảy, là thông số quyết định trực tiếp đến áp lực khởi động máy bơm và khả năng vận chuyển vữa qua đường ống dài.

Tỷ lệ tro bay thay thế xi măng bao nhiêu là tối ưu cho bê tông bơm? Tỷ lệ thay thế tro bay từ 20% đến 30% theo khối lượng là khoảng tối ưu nhất. Ở khoảng hàm lượng này, ứng suất trượt tới hạn giảm từ 15% đến 25%, độ nhớt dẻo duy trì ổn định, hỗn hợp không bị tách nước hay phân tầng và cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày vẫn đạt yêu cầu thiết kế mác B20.

Cơ chế hoạt động của phụ gia siêu dẻo polycarboxylate trong hệ vữa tro bay là gì? Phụ gia polycarboxylate hoạt động theo cơ chế lực đẩy cản trở không gian và lực đẩy tĩnh điện. Các mạch nhánh polyme dài hấp phụ lên bề mặt hạt xi măng và tro bay, tạo ra lớp màng ngăn các hạt kết tụ lại với nhau, giải phóng lượng nước tự do bị giam hãm trong các chùm hạt để tạo màng bôi trơn cho hỗn hợp.

Việc thay thế tro bay ở hàm lượng cao trên 40% có ảnh hưởng xấu đến bê tông không? Khi tỷ lệ tro bay vượt quá 40%, thời gian ninh kết của bê tông bị kéo dài đáng kể và tốc độ phát triển cường độ ban đầu ở 3 ngày bị suy giảm do phản ứng thủy hóa puzơlanic diễn ra chậm. Đồng thời, độ nhớt dẻo giảm quá thấp có thể gây phân tầng cốt liệu thô nếu không điều chỉnh lượng hạt mịn và tỷ lệ nước một cách chính xác.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công mối quan hệ định lượng giữa hàm lượng tro bay nhiệt điện từ 10% đến 50% với các thông số lưu biến cốt lõi gồm ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo của bê tông tươi.
• Khẳng định phạm vi cấp phối tối ưu khi sử dụng 20% đến 30% tro bay kết hợp phụ gia polycarboxylate giúp giảm 15% đến 25% ứng suất trượt tới hạn mà vẫn đảm bảo cường độ nén 28 ngày đạt mác B20.
• Phát triển và kiểm chứng thành công phương pháp đo lưu biến hiện trường bằng thiết bị côn Abrams cải tiến kết hợp mô hình tính toán số Coussot với độ chính xác cao.
• Đóng góp giải pháp khoa học bền vững trong việc xử lý và tiêu thụ hàng triệu tấn tro xỉ nhiệt điện than, giảm phát thải carbon cho ngành xây dựng Việt Nam.
• Lộ trình 12 tháng tới cần tập trung ứng dụng quy trình cấp phối này vào các trạm trộn bê tông thương phẩm phục vụ thi công hạ tầng đô thị và công trình thủy lợi lớn.
• Các kỹ sư và nhà quản lý chất lượng nên áp dụng ngay bộ thông số lưu biến học này để tối ưu hóa thiết kế thành phần bê tông bơm, đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vượt trội cho dự án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngành xây dựng hiện nay vẫn và đang phát triển về công nghệ cũng như nâng cao bản chất của cấu trúc vật liệu bê tông. Chính vì thế mà nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng phát triển. Hiện tại con người không chỉ muốn sử dụng nguồn vật liệu truyền thống mà còn muốn tìm tòi, nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu hơn nữa. Bê tông được sử dụng như vật liệu bền vững và phục vụ cho các công trình hạ tầng cho các nước đang phát triển.

Nhu cầu về bê tông và các tính chất ngày càng cao của bê tông đang là yêu cầu cần đặt ra cho xu hướng phát triển kết cấu bền vững và thân thiện với môi trường.Tro bay là phế thải công nghiệp nhiệt điện đang được phát triển xây dựng rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long. Khí thải từ lò đốt than cho các nhà máy nhiệt điện trước khi ra ngoài môi trường sẽ đi qua hệ thống lọc bụi, bụi được thu hồi chính là tro bay. Việc xử lý tro bay đã ảnh hưởng rất nhiều về môi trường ở khu vực xung quanh các nhà máy nhiệt điện, điển hình là xử lý tro bay tại nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân năm 2016. Các nước trên thế giới cũng đã đưa ra hướng tái sử dụng nguồn chất thải công nghiệp này.

Trên thế giới, nhiệt điện than vẫn chiếm xấp xỉ một nửa tổng nguồn (40% - 50%), có một số nước tỉ lệ này còn cao hơn 50%. Nhiều nước phát triển nhiệt điện than, được xem như là nguồn điện cơ bản của họ. [1-5] Đối với Việt Nam, nhiệt điện than hiện đang chiếm khoảng 40%, trong thời gian tới, có thể sẽ tăng lên. Theo quy hoạch Điện VII thì nhiệt điện than sẽ tăng trên 50%.

Việc nghiên cứu tái sử dụng tro bay đang được quan tâm và phát triển mạnh mẽ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng để tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu dồi dào này, đồng thời góp phần đáng kể cải tạo môi trường sống, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, lượng tro bay sản xuất ra là 600.000 tấn nhưng chỉ có 100.000 tấn được sử dụng. Ở nước ta, các nhà máy nhiệt 1 điện ước tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay. Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng năm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải ra từ hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu than.

Bên cạnh đó, Văn phòng Chính phủ vừa có thông báo ý kiến kết luận của Thủ tướng Chính phủ tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về các đề án điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 và Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030 (Đề án điều chỉnh Quy hoạch than 60). Sau hơn 4 năm thực hiện Quy hoạch điện VII và Quy hoạch than 60, với sự nỗ lực của các cấp, các ngành với chính sách và các cơ chế phù hợp, khuyến khích, thúc đẩy đầu tư các nguồn lực trong và ngoài nhà nước, đến nay ngành Điện và ngành Than Việt Nam đã đạt được những thành tựu quan trọng: Giai đoạn 2011 - 2015, ngành Điện đã góp phần quan trọng trong phát triển kinh tế với mức tăng trưởng kinh tế đạt bình quân gần 6%/năm, sản lượng điện thương phẩm tăng bình quân 10,6%/năm, đưa vào vận hành trên 18.500 MW công suất nguồn điện mới, nâng tổng công suất nguồn điện hiện nay của cả nước lên gần 39. Về phát triển nguồn nhiệt điện than, Thủ tướng Chính phủ yêu cầu tập trung phát triển 4 trung tâm nhiệt điện than tại miền Nam, gồm: Vĩnh Tân, Duyên Hải, Sông Hậu, Long Phú; các dự án nhiệt điện than khác chỉ xem xét phát triển tại các Trung tâm Điện lực được quy hoạch khi đáp ứng các điều kiện thuận lợi cho vận chuyển cung cấp than và đấu nối nhà máy vào hệ thống điện quốc gia, gần trung tâm phụ tải điện. Vì vậy việc xử lí để tái sử dụng chất thải rắn này là vấn đề vô cùng cấp bách.

[6, 7] Hiện nay, ở Việt Nam việc đầu tư xây dựng công trình dân dụng và hệ thống hạ tầng đang diễn ra mạnh mẽ và là vấn đề ưu tiên cấp thiết đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội, văn hóa, du lịch… Do đó, sản lượng xi măng Portland ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, trong tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và xu hướng sử dụng các nguyên liệu khác thân thiện với môi trường để thay thế xi 2 măng trong thành phần của bê tông ngày càng được quan tâm. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong thành phần bê tông đã được triển khai phục vụ cho các công trình đê, đập và công trình xây dựng. Bên cạnh đó, trong các công trình xây dựng việc sử dụng hỗn hợp bê tông bơm trộn sẵn ngày càng phổ biến nhờ những ưu điểm vượt trội về chất lượng, độ ổn định, giảm diện tích sử dụng trong quá trình xây dựng công trình và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường do quá trình vận chuyển vật liệu rời gây ra.

Hỗn hợp bê tông bơm tại thời điểm vận chuyển bằng bơm cần có độ sụt trong khoảng khoảng 8-12 cm. Mặt khác, như đã biết, để đảm bảo tính bơm đạt yêu cầu, hỗn hợp bê tông bơm cần có hàm lượng vữa đủ lớn cho phép tạo ra lớp vữa bôi trơn thành ống. Bê tông được xem là có khả năng bơm được hay có độ linh động cần thiết để thi công. Các thông số liênquan điều kiện công trường như loại bơm sử dụng, kích cỡ, chiều dài, vậtliệu làm ống bơm, lưu lượng yêu cầu và thông số liên quan đến kỹ thuật bơm như thành phần tính chất hỗn hợp bê tông, độ nhớt bê tông.

Nói chung, các thông số liên quan đến điều kiện công trường gần như đã được xác định trước, vì vậy áp lực bơm chủ yếu phụ thuộc vào các thông số liên quan đến kỹ thuật bơm. Khi đó, thông số tính chất của hỗn hợp bê tông dùng để thi công và vận chuyển liên quan đến khả năng lưu biến của nó. Thời gian cũng là một yếu tố quan trọng vì hỗn hợp bê tông thương phẩm thông thường sẽ được trộn ở trạm trộn, sau đó dùng xe vận chuyển đến công trường. Việc vận chuyển này nhiều lúc sẽ mất rất nhiều thời gian, đặc biệt là công trình thi công trong khu vực đô thị hoặc tại những khu vực có giao thông khó khăn.Khi đó, các thông số độ sụt thực tế không phản ánh hết được tính dễ bơm hay khó bơm của bê tông cũng như không đủ để dự báo khả năng yêu cầu của thiết bị trong thi công mà cần có các thông số khác về tính lưu biến của hỗn hợp bê tông.1 Thi công bê tông tại các công trường Hình 1.2 Mô hình dòng chảy hỗn hợp bê tông trong thiết bị bơm [8] Trên cơ sở kết hợp tro bay với các thành phần nguyên liệu trong cấp phối, nghiên cứu thực nghiệm ành hưởng của tro bay đến khả năng thi công, vận chuyển và sử dụng hỗn hợp bê tông trong công trình xây dựng.

Kết quả đánh giá giúp xác định tính công tác, khả năng thay đổi các đặc tính lưu biến của hỗn hợp bê tông là rất cần thiết trong việc lựa chọn thiết bị và phương án thi công.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu về đặc tính lưu biến của hỗn hợp bê tông được các nước trên thế giới triển khai bằng các sử dụng các loại phụ gia hóa học, phụ gia khoáng để đánh giá ảnh hưởng đến độ linh động và khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông. Các nghiên cứu trên thế giới đặc tính bề mặt của tro bay làm thay đổi khả năng phân 4 tán và tương tác của hạt tro bay trong môi trường. Do đó, việc sử dụng tro bay sẽ có khả năng được kết hợp với các loại chất kết dính vô cơ, làm thay đổi các đặc trưng lưu biến của hỗn hợp vật liệu. [1983, 12, 13] đã nghiên cứu và xem xét hỗn hợp bê tông có ứng xử lưu biến nhớt – dẻo theo mô hình lưu biến Bingham đặc trưng bởi hai thông số là ứng suất trượt và độ nhớt dẻo, tác giả đã nghiên cứu các đặc tính của hỗn hợp bê tông và xây dựng thông qua mối quan hệ giữa ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo.

Việc xây dựng mô hình lưu biến có thể dùng đánh giá các thông số của hỗn hợp bê tông tươi, qua đó xác định vai trò của các thành phần trong cấp phối bê tông, đánh giá được khả năng làm việc và điều kiện thi công trong các môi trường khác nhau.3 Mô hình chất lỏng Bingham Tác giả De Larrard và cộng sự [1994, 14, 15] đã sử dụng mối quan hệ giữa ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo, và dựa vào mô hình chất lỏng Herschel- Bulkley để mô tả khả năng công tác và tính chảy của vữa xi măng và xây dựng mối quan hệ giữa ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông. Khi đó, nghiên cứu tập trung vào sự phân tán của các hạt xi măng trong môi trường 5 nước để tạo thành hỗn hợp huyền phù, làm thay đổi dần độ nhớt dẻo. Tính lưu biến của vữa sẽ ảnh hưởng đến khả năng lưu biến của hỗn hợp bê tông. [1998, 16] đã nghiên cứu và xây dựng mô hình toán dùng để mô phỏng tính lưu biến của hỗn hợp bê tông trên cơ sở mô hìinh chất lỏng Herschel-Bulkley và Bingham.

Nghiên cứu đã đánh giá và so sánh các đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông thông qua giá trị ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo bằng thí nghiệm của lưu biến kế và mô hình toán. Nghiên cứu đã đánh giá độ sụt của hỗn hợp bê tông có vai trò như một giá trị ban đầu để đánh giá tính lưu biến của bê tông. Đồng thời, việc sử dụng các loại phụ gia dẻo, siêu dẻo và phụ gia khoáng cũng tác động trực tiếp đến độ nhớt và ứng suất trượt. Khi đó, giá trị độ nhớt dẻo được xác định là thành phần quan trọng của lưu biến và mô hình chất lỏng Bingham cho kết quả phù hợp với thực nghiệm hơn so với mô hình Herschel-Bulkley.