CHƯƠNG I TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG TRO BAY TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1. Khái niệm về bê tông khối lớn - Theo ACI 116-00 [37], BTKL là một thể tích bê tông đủ lớn và yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với sự phát sinh nhiệt do sự thủy hóa xi măng cũng như biến đổi thể tích kèm theo để giảm nứt nhiệt. Theo định nghĩa này, với một móng lớn có chiều dầy 0,9m chưa được xem là BTKL, mà phải có chiều dầy tối thiểu 1m mới được xem là BTKL. - Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 305:2004 [33], bê tông khối lớn - Quy phạm thi công và nghiệm thu: Kết cấu BT hoặc BTCT được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt thủy hóa của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông và do đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt.
Trong điều kiện nóng ẩm ở Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Khái niệm về tro bay Tro bay (tên tiếng Anh là fly ash), là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được trong các quá trình sản xuất công nghiệp, bao gồm silicafum, tro xỉ nhiệt điện, xỉ hạt lò cao… đây là phần mịn nhất của tro xỉ than. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Gọi là tro bay vì người ta dùng các luồng khí để phân loại tro: Khi thổi một luồng khi nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trước và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn.
Tro bay là một loại “puzolan nhân tạo” bao gồm 5 SiO2, Al2O3, Fe2O3 (chiếm khoảng 84%)… là những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàng từ 0,05 - 50 nanomet (1 nanomet = 1x10-9 m) tỉ diện 300 - 600m2/kg. Nhờ bị đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt (đạt khoảng 1.400OC) nên nó có tính puzolan là tính hút vôi rất cao. Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15 - 35%. Đó là sản phẩm đốt than linhit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%.
Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2 - 10%. Tro bay Phả Lại thuộc loại F. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng SiO2 có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với xi măng Portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt. Ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể.
Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới sử dụng sản phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu. Các công trình tiêu biểu đã sự dụng tro bay làm phụ gia là: Đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ những năm 1950 đã sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc sử dụng tro bay xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980. Từ thế kỷ trước, các nhà khoa học đã biết sử dụng tro bay của các nhà máy điện đốt than để làm phụ gia cho bê tông. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đã khẳng định được “sự kỳ diệu của tro bay” trong công nghệ bê tông, sản xuất xi măng.
Sơ đồ công nghệ tuyển nổi tro bay Dùng tro bay làm phụ gia bê tông sẽ làm tăng cường độ bê tông; làm tăng độ nhớt của vữa giúp bê tông chui vào các khe lỗ dễ dàng; “khử vôi tự do CaO” trong xi măng (khoảng 6%) là thành phần gây “nổ” làm giảm chất lượng bê tông trong môi trường nước. Hình ảnh của tro bay 7 Đặc biệt, trong việc đổ những khối bê tông cực lớn ở các công trình thủy điện, khi có phụ gia tro bay, ta có thể đổ bê tông gián đoạn mà không phải đổ liên tục như bê tông thường. Nó khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, giảm 10% nước trộn bê tông. Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sulfat cho xây dựng công trình ở các vùng nước lợ, nước mặn, đồng muối, công trình biển đảo.
Nó là phụ gia cho bê tông tự lèn đối với công trình đòi hỏi chịu lực cao. Với vữa trát tường, nó có thể thay thế 30 ÷ 35% xi măng, tạo bề mặt mịn, tốt, chống thấm. * Đặc biệt là trong công nghệ BTĐL ngoài vật liệu xi măng, cát, đá thì PGK tro bay không thể thiếu, việc sử dụng này có một số ưu điểm sau: + Giảm nhiệt thuỷ hoá CKD, hạn chế được nứt nhiệt cho bê tông; + Bổ sung lượng hạt mịn cho bê tông nghèo xi măng, giảm độ phân tầng tách nước, tăng tính dẻo cho HHBT và tăng độ đặc chắc, nâng cao tính chống thấm cho bê tông; + Tăng tính bền cho bê tông trong nước và trong đất có chất ăn mòn; + Giảm giá thành bê tông; Tuy nhiên, khi sử dụng tro bay có thể kéo dài thời gian đông kết, cường độ bê tông ở tuổi ngắn ngày (3, 7 ngày) thường thấp hơn bê tông đối chứng, nhưng cường độ ở tuổi dài ngày (90, 180, 360 ngày) có thể tương đương hoặc cao hơn so với bê tông đối chứng có cùng tỷ lệ N/CKD. Tình hình nghiên cứu, sử dụng tro bay cho bê tông khối lớn trên thế giới.
Việc nghiên cứu bê tông có hàm lượng tro bay cao đã được thực hiện từ đầu những năm 80 của thế kỷ 20 [58]. Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, đã đạt được những kết quả quan trọng như: Chế tạo được bê tông có hàm lượng tro bay, bê tông chất lượng cao có hàm lượng tro bay cao. 8 Trong các nghiên cứu về bê tông sử dụng tro bay có một số nghiên cứu đáng chú ý sau: - Theo [39], tro bay có ảnh hưởng đến một số tính chất của HHBT và bê tông đã đóng rắn như: Cường độ nén và sự phát triển cường độ, mô đun đàn hồi, từ biến, khả năng dính kết của bê tông với cốt thép, khả năng kháng va đập, khả năng chịu mài mòn, khả năng phát sinh nhiệt, bền ở nhiệt độ cao, bền chống đóng băng và tan băng, chống thấm và bảo vệ chống ăn mòn, giảm khả năng nở do phản ứng kiềm - silic, bền sunphát, co khô,v.v…Tro bay có thể ứng dụng trong hầu hết các loại bê tông như: Bê tông thương phẩm, bê tông làm đường, BTKL, BTĐL bê tông bơm, bê tông ứng lực trước căng trước và ứng lực trước căng sau, vữa xây, vữa rót,v.Fourier [49], đã sử dụng tro bay loại F để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông với tỷ lệ thay thế xi măng từ 30÷50 % theo khối lượng, hàm lượng CKD từ 300÷400 kg/m3, cường độ nén được xác định ở các tuổi 1, 7, 28, 56 ngày, đã kết luận: + Có thể sử dụng bê tông tro bay không phụ gia siêu dẻo với hàm lượng tro bay đạt đến 50% khối lượng CKD cho cường độ nén tuổi 28 ngày lớn hơn 40MPa. + Khi thay thế xi măng bằng 30% tro bay cường độ tuổi 1 ngày thấp hơn, tuy nhiên sau 28 ngày cường độ đạt cao hơn so với bê tông không có tro bay (loại tro bay Sundance).
Với tro bay Point Tupper, cường độ tuổi 28 ngày của bê tông tương đương với bê tông đối chứng (tỷ lệ thay thế tro bay 40 %, tổng hàm lượng CKD - 350 kg/m3). - Rafat Siddique [53], đã nghiên cứu thay thế xi măng bằng tro bay với tỷ lệ 40%, 45%, 50% theo khối lượng khi tổng hàm lượng CKD là 400 kg/m3. Qua kết quả nghiên cứu đưa ra một số kết luận sau: + Việc thay thế xi măng bằng tro bay với tỷ lệ 40%, 45%, 50% theo khối 9 lượng làm giảm cường độ nén, cường độ uốn, cường độ ép chẻ, môđun đàn hồi của bê tông ở tuổi 28 ngày. Tuy nhiên, sau 28 ngày tình hình được cải thiện.
+ Bê tông thay thế xi măng bằng tro bay với tỷ lệ 40%, 45%, 50% theo khối lượng có cường độ thiết kế tuổi 28 ngày cho phép sử dụng trong kết cấu chịu lực. + Khả năng chịu mài mòn của bê tông phụ thuộc vào cường độ nén và hàm lượng tro bay sử dụng. Khả năng chịu mài mòn của bê tông tăng khi tuổi của bê tông tăng ở tất cả các tỷ lệ tro bay sử dụng. Malhotra [48], đã nghiên cứu sự thay đổi lượng nước yêu cầu của bê tông khi sử dụng hàm lượng tro bay cao, trong nghiên cứu đã sử dụng 8 loại tro bay.
Tỷ lệ TB/CKD = 55% được giữ cố định. Mẫu đối chứng có tỷ lệ N/XM = 0,43; lượng xi măng bằng 396kg/m3. Độ sụt của HHBT được duy trì bằng 60±10mm, cường độ nén được xác định ở các tuổi 1, 3, 7, 28, 56 và 91 ngày, kết quả nghiên cứu rút ra kết luận sau: Khi sử dụng tro bay trong bê tông với hàm lượng cao cho phép giảm 8,8÷19,4% lượng dùng nước. - Rafat Siddique [52], đã nghiên cứu thay thế một phần cốt liệu mịn trong bê tông bằng tro bay loại F.
Các tỷ lệ thay thế tro bay so với cốt liệu mịn theo khối lượng lần lượt là 0%; 10%; 20%; 30%; 40%; 50%. Qua kết quả nghiên cứu đã rút ra kết luận sau: Cường độ nén, cường độ ép chẻ, cường độ uốn, môđun đàn hồi của bê tông thay thế cát bằng tro bay cho kết quả cao hơn so với mẫu đối chứng ở tất cả các ngày tuổi. Sự phát triển cường độ của bê tông có tro bay và bê tông đối chứng có sự khác biệt nhau rõ rệt từ tuổi 28 ngày. - Rawat Bhatta [46], đã nghiên cứu sử dụng bê tông có hàm lượng tro bay cao để xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ấn Độ, mác bê tông thiết kế 10 M25, M45, hàm lượng tro bay sử dụng 25%, 40%, 50% so với khối lượng CKD.