MỞ ĐẦU Để hội nhập với sự phát triển chung của thế giới, phát triển cơ sở hạ tầng phục vụ cho công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đang được Đảng và Nhà Nước coi là nhiệm vụ quan trọng. Vật liệu xây dựng đóng góp rất quan trọng trong việc xây dựng các công trình cơ sở hạ tầng. Trong đó bê tông xi măng là loại vật liệu sử dụng phổ biến rỗng rãi trên toàn thế giới kể từ thời kỳ tiền công nghiệp đến nay. Tính cấp thiết của đề tài Trong giai đoạn hiện nay, bê tông xi măng vẫn là vật liệu chủ đạo trong các công trình xây dựng (làm đường, làm cầu, làm nhà…), khối lượng bê tông chiếm trên 80% khối lượng của các công trình xây dựng.
Theo thống kê của Hiệp Hội Bê Tông thì hàng năm trên thế giới sử dụng khoảng 2,5 tỷ m3 bê tông các loại. Trong thành phần của bê tông xi măng thường và bê tông xi măng chất lượng cao hiện nay nói chung gồm các thành phần như: xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, cốt liệu lớn, phụ gia. Hỗn hợp cốt liệu được kết hợp với nhau theo tỷ lệ thích hợp - phù hợp cấp vùng tiêu chuẩn thành phần hạt trong tiêu chuẩn, nhằm đạt được độ đặc lớn nhất. Theo đó, hàm lượng xi măng trong thành phần bê tông xi măng chiếm một hàm lượng đáng kể, nhưng các tài nguyên để sản xuất vật liệu xi măng là các nguồn tài nguyên có hạn.
Vì vậy, nếu có thể thay thế một phần hàm lượng xi măng trong thành phần bê tông xi măng bằng các loại phế phẩm công nghiệp sẽ góp phần quan trọng trong việc giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường trong xây dựng và xử lý chất thải công nghiệp. Cùng với sự phát triển đất nước hiện nay, nhu cầu về điện của nước ta đang tăng mạnh qua từng năm. Để đáp ứng nhu cầu đó và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, chính phủ đã khởi động rất nhiều dự án nhiệt điện lớn trong vài năm gần đây. Cùng với sự mọc lên của hàng chục nhà máy nhiệt điện từ Bắc vào Nam là vấn đề cấp bách trong việc giải quyết khối lượng khổng lồ phế phẩm công nghiệp nhiệt điện – tro xỉ (hơn 16 triệu tấn tro xỉ/năm) để đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.
-8- Trên thế giới, việc sử dụng tro xỉ nhiệt điện - chất thải công nghiệp thay thế hàm lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông xi măng đã được áp dụng và được công nhận. Ở Việt Nam, hiện nay chúng ta cũng đã công nhận việc thay thế hàm lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông xi măng thông qua tiêu chuẩn TCVN 10302:2013 – tro bay cho bê tông, vữa xây dựng. Với các lý do trên đề tài “Nghiên cứu chế tạo bê tông thƣơng phẩm có hàm lƣợng tro bay cao trong xây dựng dân dụng” là một trong các hướng nghiên cứu để đưa ra giải pháp khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường và tận dụng phế phẩm công nghiệp trong điều kiện hiện tại ở Việt Nam. Mục đích và phạm vi nghiên cứu Sử dụng tro bay nhiệt điện hàm lượng cao từ các nhà máy nhiệt điện để thay thế hàm lượng xi măng trong hỗ hợp bê tông thương phẩm.
Đánh giá được khả năng áp dụng loại bê tông nhằm làm giảm giá thành và tái chế phế thải công nghiệp bảo vệ môi trường. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm. Khảo sát đánh giá và thống kê thực nghiệm. -9- Chƣơng 1 Tổng quan về bê tông xi măng có chứa thành phần tro bay nhiệt điện hàm lƣợng cao 1.1 Cơ sở khoa học của bê tông nhiều tro bay 1.1 Khái niệm chung Để giảm thiểu khí thải CO2 từ công nghiệp sản xuất xi măng và giảm khối lượng xi măng dùng trong bê tông, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, nhiều công trình sử dụng 1 phần tro bay để thay thế xi măng trong hỗn hợp bê tông.
Hàm lượng tro bay dùng để thay thế xi măng thường chiếm khoảng 10÷25% tổng khối lượng chất kết dính, loại bê tông này được gọi là Bê tông tro bay. Khi sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng thì sản phẩm bê tông có ưu điểm nổi bật là: Giảm nhiệt thuỷ hóa nên thích hợp cho bê tông khối lớn; giảm lượng nước sử dụng, giảm độ co ngót, cải thiện bề mặt thành phẩm. Để giảm thiểu hơn nữa lượng dùng xi măng đồng thời tăng tính ưu việt của bê tông tro bay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và xuất hiện khái niệm bê tông nhiều tro bay (hàm lượng tro bay chiếm trên 25% khối lượng chất kết dính). Khái niệm bê tông hàm lượng tro bay cao (HVFA) hay gọi là bê tông nhiều tro bay được Malhotra ở CANMET đưa ra từ năm 1988 [12].
Bê tông này sử dụng lượng nước rất thấp và có tối thiểu 50% khối lượng tro bay loại F hay loại C được thay thế cho xi măng. Tỷ lệ N/X nhỏ hơn 0.4, nhưng vì hàm lượng nước thấp và sử dụng phụ gia siêu dẻo nên độ sụt vẫn đạt từ 15-20cm. Khi không yêu cầu độ sụt cao thì không cần sử dụng phụ gia siêu dẻo. Bê tông hàm lượng tro bay cao có nhưng ưu điểm nổi bật: tính công tác tốt, giảm đáng kể nhiệt thủy hóa, có thể đạt cường độ sớm và cao nếu có sử dụng phụ gia, giảm co ngót khô, tăng độ bền cho kết cấu bê tông đáp ứng được xây dựng bền vững [11].2 Cấu trúc của bê tông nhiều tro bay Sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông xi măng truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông [9].
Khi ta đưa tro bay vào thành phần của bê tông, thành phần SiO2 vô định hình trong tro bay sẽ tạo ra các phản ứng puzzolan hóa, - 10 - hút lượng vôi tự do có trong bê tông; ngoài ra, một phần tro bay sẽ đóng vai trò là vi cốt liệu ch n lấp vào lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn, làm tăng độ đặc cho bê tông, từ đó làm cường độ cũng như độ bền của bê tông được cải thiện. Như vậy, khi sử dụng bê tông nhiều tro bay vào các công trình dân dụng, cũng như cầu đường sẽ làm tăng tuổi thọ của các công trình. Đặc biệt là đối với các kết cấu thường xuyên chịu ảnh hưởng trực tiếp của các tác nhân xâm thực (ion Cl-, SO42- .) như móng nhà cao tầng, mố, trụ cầu thì cần quan tâm đến độ bền của vật liệu chế tạo. Trong bê tông thông thường vùng tiếp giáp là vùng có nhiều lỗ rỗng hơn cả và có các hạt dạng keo Ca(OH)2.Vì vậy việc cải thiện cấu trúc của bê tông nhiều tro bay cũng giống như bê tông thường đó là trộn thêm vào bê tông các chất độn mịn để lấp đầy lỗ rỗng nhỏ, đồng thời nên sử dụng chất độn mịn hoạt tính (muội silica SF, tro trấu RHA., mê ta kao lanh) để có thể kết hợp với tro bay phản ứng với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thường tạo ra các sợi rắn CSH để tăng cường độ cho bê tông.2 Các nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhiều tro bay trên thế giới V.
Malhotra [14] trong nghiên cứu cho rằng có nhiều yếu tố bất lợi khi sản xuất xi măng, do vậy cần tăng cường việc sử dụng các nguyên vật liệu thay thế xi măng như tro bay, xỉ hạt lò cao, puzơlan tự nhiên, tro trấu, silicafume,v.v…nhằm giảm lượng tiêu thụ clanke. Vì vậy tác giả đã đặc biệt chú ý về vai trò của tro bay như một nguyên liệu cho công nghiệp sản xuất xi măng. Trong nghiên cứu này tác giả đã thay thế xi măng bằng tro bay tới 60% với tỷ lệ N/CKD 0,30 trong đó lượng xi măng sử dụng là 150 kg/m3, tro bay 200 kg/m3, lượng nước nhào trộn là 120 lít/m3. Tác giả đã nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông đến tuổi 10 năm.
Bê tông ở tuổi 1 ngày mới chỉ đạt 7,8MPa trong khi ở tuổi 10 năm cường độ bê tông đạt 112,3 MPa. Loại bê tông này đã sử dụng thành công ở một vài dự án ở Canada. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra những kết luận: - Do nguồn khí thải CO2 từ công nghiệp sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường, vì vậy nguyên liệu thay thế xi măng như tro bay, xỉ hạt lò cao,v.v…được sử dụng để thay thế xi măng pooclăng trong sản xuất bê tông cho phép giảm sản lượng clanke gián tiếp làm giảm lượng khí thải CO2. Tác giả đưa ra công nghệ sản xuất bê tông với hàm lượng tro bay cao.
Kết quả nghiên cứu này sẽ giúp cho các nước đang phát triển có thể lắp đặt các nhà máy xi măng công suất nhỏ hơn và việc thiếu hụt công suất này sẽ được bù bằng sử dụng các nguyên liệu thay thế. Theo tác giả với yêu cầu - 11 - phát triển bền vững thì việc sử dụng nguyên liệu thay thế trong công nghiệp sản xuất xi măng là cần thiết vì cùng lúc có thể đạt 3 mục tiêu kinh tế, môi trường và xã hội. - Có thể sử dụng hỗn hợp bê tông có phụ gia siêu dẻo kết hợp với từ 6070 % tro bay hoặc xỉ hạt lò cao theo khối lượng cho kết quả cường độ cao ở tuổi sớm, với tỷ lệ thay thế này sẽ mang lại giá trị kinh tế, tiêu tốn năng lượng thấp, tăng độ bền lâu,v.Vì vậy trong tương lai việc sử dụng các nguyên liệu thay thế một phần trong sản xuất xi măng là điều bắt buộc. - Sử dụng nguyên liệu thay thế kết hợp sử dụng phụ gia giảm nước sẽ đem đến hiệu quả kinh tế cũng như tăng cường độ bền cho bê tông chất lượng cao, giúp giải quyết sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.
Việc sử dụng công nghệ mới giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính đồng thời đáp ứng được nghị định thư TOKYO về giảm lượng khí thải ra môi trường. Trong nghiên cứu này chưa có các đánh giá về việc tỷ lệ N/CKD ảnh hưởng đến lượng dùng tro bay như thế nào. Fourier [17] 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 3050 % theo khối lượng, hàm lượng chất kết dính từ 300400 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 % cho cường độ nén tuổi 28 ngày lớn hơn 40MPa.