CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG TRO BAY TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về bê tông xi măng tro bay 1.1 Giới thiệu chung Tro bay là một loại khoáng hoạt tính pozzolan tồn tại dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy. Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần carbon chưa cháy hết. Thành phần của tro bay thường chứa các silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, sắt oxit, magie oxit và lưu huỳnh oxit, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy. Cũng giống như các phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông khác như muội silic, tro bay là một loại pozzolan nhân tạo với thành phần chính tạo hiệu ứng pozzolan là các silic oxit, nhôm oxit chứa trong tro bay.
Đối với ngành xây dựng, tro bay được biết đến như là một loại khoáng hoạt tính pozzolan dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông. Theo ACI 232R, bê tông xi măng tro bay (Fly ash Concrete - FC) được hiểu là bê tông xi măng Portland trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định để thay thế một phần chất kết dính xi măng Portland. Trong lịch sử phát triển của ngành, tro bay đã được sử dụng trong BTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công trình. Ở mức độ thông thường, để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kết cấu thì tỷ lệ tro bay chiếm từ 15-30 khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn là từ 30-50 dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trong các kết cấu bê tông khối lớn.
Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bê tông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 dùng cho các kết cấu công trình yêu cầu đòi hỏi về độ bền cao. Các nghiên cứu của Owen và của Jiang cùng cộng sự đã chỉ ra rằng mức độ tổn thất về độ sụt của bê tông xi măng tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều kiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta. Theo Mehta, sử dụng tro bay trong bê tông còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt và tăng độ bền chống thấm nước. Tại Trà vinh hiện nay có đến 4 nhà máy nhiệt điện, khi đi vào hoạt động, nhà máy sẽ tăng cường năng lực cung ứng điện phục vụ phát triển kinh tế - xã hội khu vực đồng bằng 5 sông Cửu Long.
Theo thống kê của Sở Tài Nguyên và Môi trường Tỉnh Trà Vinh thì mỗi năm lượng tro xỉ ra môi trường lên đến 1. Đến năm 2020 nếu vận hành 4 nhà máy nhiệt điện tại Duyên Hải thì lượng tro, xỉ mỗi năm 2. Mặc dù được gọi là phế phẩm của nhà máy nhiệt điện và gây ô nhiễm môi trường nhưng đây lại là nguồn vật liệu quý cho mặt đường bê tông xi măng bởi vì nó cải thiện một số tính năng công tác và độ bền cho bê tông.2 Các ưu điểm của bê tông xi măng tro bay Trong báo cáo khoa học “Fly ash in concrete – a literature study of advantages and disadvantages” (tạm dịch: Tro bay trong bê tông – một nghiên cứu về các ưu điểm và nhược điểm” của mình, V.Mehta đã tiến hành nghiên cứu và so sánh những điểm khác biệt trong tính chất của bê tông tro bay hàm lượng cao với bê tông xi măng Portland truyền thống và đã đưa ra được những ưu – nhược điểm của loại vật liệu này 1.1 Tính kinh tế Với xu hướng phát triển của ngành năng lượng trên toàn cầu trong tương lai là một phần năng lượng điện sẽ được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện. Điều này mở ra một hy vọng rằng sẽ có rất nhiều tro bay có sẵn trong tương lai.
Tuy nhiên, xử lý tro bay bằng phương pháp chôn lấp theo cách thường làm từ trước đến nay hoàn toàn không hề thân thiện với môi trường. Lượng tro bay sản xuất ra trên toàn thế giới xấp xỉ hơn 600 triệu tấn hằng năm, và chỉ có khoảng 10 lượng tro bay được sử dụng trong bê tông. Theo Wikipedia, 65 lượng tro bay được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện trong trạng thái sẵn sàng bị chôn lấp mà không hề được tận dụng. Chính vì điều này đã góp phần làm cho giá thành của tro bay giảm đi đáng kể.
Xét về giá thành vật liệu trên thị trường hiện nay, tro bay loại F có giá dao động từ 300đ đến 680đ/kg, trong khi đó xi măng Portland có giá vào khoảng 1300đ đến 1500đ/kg. Nếu chỉ cần sử dụng tro bay thay thế 30 khối lượng xi măng thì chúng ta đã có thể tiết kiệm được đến 20 chi phí cho việc sử dụng chất kết dính. Như vậy rõ ràng rằng bài toán về kinh tế trong ngành xây dựng có thể được giải quyết một phần nào đó nhờ vào việc ứng dụng tro bay thay thế cho xi măng trong bê tông.2 Môi trường Trong quá khứ, tro bay chủ yếu được xả vào môi trường tự nhiên hoặc tồn tại dưới dạng bụi mịn trong không khí, nhưng ngày nay tro bay được chôn lấp hoặc lưu giữ trong các nhà máy năng lượng. Công dụng của tro bay như một phần thay thế clinker trong xi măng hoặc bổ sung tro bay trực tiếp vào bê tông sẽ giải quyết vấn đề về môi trường cho các nhà máy nhiệt điện.
Tro bay thay thế cho xi măng cũng sẽ mang lại lợi ích cho môi trường bằng cách giảm phát thải CO2 trong quá trình sản xuất xi măng và tiết kiệm năng lượng khi tro bay làm giảm đi sự tiêu tốn năng lượng để sản xuất xi măng. Việc sản xuất ra 1 tấn xi măng sẽ phát thải ra khoảng 1 tấn khí CO2. Một lợi ích khác nữa là việc giảm thiểu các kim loại độc trong tro bay khi được thải vào các bể chứa hoặc chôn lấp. Tro bay có thể chứa một lượng kim loại độc rất nhỏ có thể lọc được.
Sự kết hợp của tro bay trong bê tông có thể giải quyết vấn đề này bởi vì các sản phẩm hydrat hóa của cả xi măng Portland truyền thống và xi măng Portland hỗn hợp có thể tạo thành các phức hợp liên kết vĩnh viễn các chất độc hại do tro bay thải ra.3 Độ linh động Tro bay cải thiện khả năng làm việc của bê tông. Độ linh động đề cập tới sự dễ dàng khi xử lý, đổ và hoàn thiện của bê tông tươi hoặc bê tông dẻo. Bê tông tro bay dễ thi công hơn so với bê tông xi măng Portland truyền thống ở cùng độ sụt. Ở cùng một độ sụt, lượng nước ít hơn sẽ làm bê tông cố kết hơn và làm giảm khả năng phân tầng.
Lượng hạt mịn sẽ tăng và làm bê tông linh động hơn và cố kết hoàn chỉnh hơn. Theo ACI, các hạt tro bay lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu và hình dạng hạt hình cầu hoạt động như một chất bôi trơn trong ống bơm. Việc bơm bê tông và vấn đề bê tông lấp đầy ván khuôn trở nên dễ dàng hơn. Sự phân tầng và các khoảng trống trong hỗn hợp giảm đi vì độ kết dính và độ linh động của vữa bê tông tăng lên.4 Tính háu nước Tính háu nước và khả năng làm việc được điều chỉnh bởi thành phần hạt và độ mịn bề mặt.
Theo nhiều kết quả của nghiên cứu, bê tông tro bay thường cần ít nước hơn so với bê tông Portland truyền thống ở cùng một độ sụt. Dù rằng tro bay mịn hơn nhiều so với xi măng và độ mịn tăng thường làm tăng tính háu nước của hỗn hợp bê tông nhưng nhờ vào 7 hình dạng hạt hình cầu và nhẵn của tro bay đã làm giảm ma sát giữa các hạt và bù đắp lại cho các hiệu ứng bôi trơn trong bê tông xi măng nhều nước. Như vậy, việc sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng Portland thường sẽ làm giảm tính háu nước của bê tông.5 Nhiệt thủy hóa Bê tông hàm lượng lớn tro bay được sử dụng trong báo cáo của Malhotra và Mehta cho thấy sự gia tăng nhiệt độ tự phát khá thấp. Trong các khối bê tông lớn với kích thước 3.05m, nhiệt độ cao nhất ở giữa khối đạt 54oC (tăng 35oC từ nhiệt độ ban đầu khi đổ là 19oC).
Bê tông kết hợp xi măng Portland ASTM loại I có nhiệt độ tăng 65 oC. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự gia tăng nhiệt độ tự phát của bê tông tro bay thấp hơn khoảng 15-25°C so với bê tông thương phẩm không có tro bay. Đây rõ ràng là một lợi thế trong công tác bảo dưỡng và vận chuyển bê tông.6 Tính chống thấm Tính chống thấm được định nghĩa là hệ số đại diện cho khả năng chống lại sự thấm của nước truyền qua một mẫu bê tông bão hòa dưới áp lực thủy lực được duy trì bên ngoài. Tính chống thấm tỉ lệ thuận với độ bền, tính chống thấm càng cao thì độ bền của bê tông càng cao.
Thử nghiệm đã chỉ ra rằng bê tông được cân đối hợp lý bằng cách sử dụng kết hợp tro bay, các phụ gia giảm nước bình thường hoặc cao, và các phụ gia không khí có khả năng tạo ra mức độ thấm thấp tương tự như bê tông biến đổi latex và silica. Tính thấm của bê tông bị chi phối bởi nhiều yếu tố như lượng vật liệu xi măng, hàm lượng nước, cấp phối cốt liệu, độ chặt và hiệu quả hóa rắn. Khi bê tông tro bay được xử lý đúng cách, các sản phẩm phản ứng của tro bay sẽ lấp đầy một phần vào các không gian ban đầu bị chiếm chỗ trong quá trình trộn nước, do đó làm giảm tính thấm của bê tông đối với nước và các hóa chất mạnh. Độ thấm của bê tông hàm lượng lớn tro bay được được thử nghiệm trong báo cáo là rất thấp.
Thử nghiệm tấm bê tông dày 50 mm trong điều kiện dòng chảy không đồng trục với áp suất đơn trục 2.7MPa cho thấy độ thấm nhỏ hơn hoặc bằng 10-13m/s. Các mẫu bê tông được bảo dưỡng ở 20°C, độ thấm của bê tông tro bay (50 tro bay loại F) thấp hơn so với bê tông cấp tương đương không có tro bay. Khi nhiệt độ hóa rắn giảm xuống 5°C, độ thấm của bê tông tro bay có biểu hiện tăng lên và có rất ít sự khác biệt 8 giữa bê tông tro bay và bê tông đối chứng.