Tổng quan nghiên cứu

Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam, trong đó có Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng với công suất 1200 MW, thải ra hàng trăm ngàn tấn tro xỉ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trên diện tích khoảng 65 ha. Tỷ lệ tái sử dụng tro xỉ hiện nay chỉ dao động từ 5-25%, chưa khai thác hiệu quả tiềm năng tái chế lên đến trên 90%. Tro xỉ than chứa nhiều thành phần khoáng và kim loại nặng, đòi hỏi giải pháp xử lý và tái sử dụng phù hợp để giảm thiểu tác động môi trường. Trong lĩnh vực xây dựng, các giải pháp kè mái đất truyền thống như sử dụng đá hộc hoặc gạch bê tông cốt liệu vẫn còn nhiều hạn chế về khả năng liên kết, chịu lực và độ bền vững, đặc biệt khi chịu áp lực ngang lớn từ nền đất.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo gạch không nung phức hình từ hỗn hợp tro xỉ của Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng làm vật liệu kè mái đất công trình xây dựng, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6477:2011 về gạch bê tông. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế hình dạng gạch, cấp phối vật liệu, phương pháp tạo hình và đánh giá tính chất cơ lý của sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong 6 tháng tại Hải Phòng, với các thử nghiệm vật liệu và mô phỏng kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tro xỉ, đồng thời cải thiện chất lượng và độ bền của mái kè đất. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao độ bền công trình kè mái đất.

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 cơ học đất và áp lực đất: Nghiên cứu áp lực chủ động và bị động tác động lên mái kè, ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình.
  • Mô hình liên kết vật liệu phức hình: Thiết kế gạch không nung phức hình với nhiều góc cạnh để tạo liên kết móc xích giữa các viên, tăng khả năng chịu lực kéo và ổn định mặt kè.
  • Lý thuyết ép bán khô trong tạo hình vật liệu: Phân tích quá trình nén chặt bột phối liệu tro xỉ và xi măng, ảnh hưởng đến mật độ, cường độ và độ bền của gạch.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 6477:2011 về gạch bê tông không nung, làm cơ sở đánh giá chất lượng sản phẩm.

Các khái niệm chính bao gồm: tro bay, xỉ đáy, cấp phối hạt cốt liệu, cường độ chịu nén, độ hút nước, độ thấm nước, phương pháp ép rung tạo hình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm: mẫu tro bay và xỉ đáy lấy từ Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, xi măng PC40, cát sông Lô làm cốt liệu nhỏ. Các tính chất hóa học, khoáng học và vật lý của nguyên liệu được phân tích theo tiêu chuẩn ASTM C618 và TCVN hiện hành.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm xác định thành phần hạt, khối lượng thể tích, cường độ chịu nén, độ hút nước, độ thấm nước của gạch.
  • Thiết kế cấp phối lý thuyết dựa trên phương pháp Kirienko để xác định tỷ lệ tối ưu giữa cốt liệu lớn (5-10 mm) và nhỏ (0,14-5 mm).
  • Tạo hình gạch bằng phương pháp ép bán khô kết hợp rung, nhằm tăng mật độ và chất lượng sản phẩm.
  • Mô phỏng sự làm việc của mái kè gạch phức hình bằng phần mềm Plaxis, đánh giá chuyển vị và hệ số ổn định mái dốc.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài 6 tháng, với cỡ mẫu thí nghiệm gồm 60 viên gạch, chia thành 20 tổ mẫu để đảm bảo độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần và tính chất vật liệu: Tro bay nhiệt điện Hải Phòng có Mất khi nung (MKN) 14,41%, tổng hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 đạt 75,43%, khối lượng riêng 2,15 g/cm³, phù hợp làm phụ gia xi măng. Xỉ đáy có thành phần SiO2 55,74%, Al2O3 18,51%, Fe2O3 7,51%, khối lượng riêng 2,53 g/cm³. Cát sông Lô có mô đun độ lớn 3,1, khối lượng riêng 2,68 g/cm³, nằm trong vùng cấp phối tốt.

  2. Thiết kế cấp phối gạch không nung: Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa cốt liệu lớn và nhỏ là 52,42% : 47,58%. Lượng xi măng sử dụng khoảng 9,3 kg cho 10 lít hỗn hợp khô, nước chiếm 13% khối lượng chất khô. Lượng tro bay thay thế xi măng tối đa đạt 243,38 kg/m³, tương đương 48% lượng xi măng trong cấp phối.

  3. Tính chất cơ lý gạch không nung phức hình: Khối lượng thể tích mẫu đạt trung bình 2160 kg/m³. Cường độ chịu nén dao động từ 17,5 đến 20,5 MPa tùy theo tỷ lệ cát thay thế tro xỉ, trong đó cấp phối có 5-10% cát cho kết quả tốt nhất với cường độ khoảng 20 MPa. Độ hút nước giảm từ 12% xuống còn khoảng 6% khi tăng tỷ lệ cát, độ thấm nước cũng giảm tương ứng, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  4. Hiệu quả liên kết gạch phức hình: Phương án thiết kế gạch với 6 móc xích liên kết cho phép các viên gạch không thể quay tự do, tạo liên kết ngàm bền vững, tăng độ ổn định mái kè. Mô phỏng Plaxis cho thấy chuyển vị tối đa của tấm lát mái dưới tải trọng tiêu chuẩn chỉ khoảng 19x10⁻³ m, hệ số ổn định mái dốc đạt trên 1,2, đảm bảo an toàn công trình.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm nguyên liệu chính trong sản xuất gạch không nung phức hình là khả thi và hiệu quả. Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay lên đến gần 50% không làm giảm đáng kể cường độ chịu nén, đồng thời giảm chi phí và tác động môi trường. Thiết kế hình dạng gạch phức hình với nhiều góc cạnh và móc xích liên kết giúp khắc phục nhược điểm của vật liệu kè truyền thống như đá hộc và gạch bê tông hình khối đơn giản, vốn dễ bị phá hủy cục bộ do áp lực ngang đất.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, phương pháp ép rung kết hợp tạo hình gạch cho chất lượng sản phẩm vượt trội về mật độ và độ bền. Việc mô phỏng kỹ thuật bằng phần mềm Plaxis cung cấp bằng chứng rõ ràng về khả năng chịu lực và ổn định của mái kè sử dụng gạch phức hình, phù hợp với các công trình có mái dốc lớn và áp lực đất cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ khối lượng thể tích, cường độ chịu nén, độ hút nước và độ thấm nước theo tỷ lệ cát thay thế tro xỉ, cũng như bảng kết quả mô phỏng chuyển vị và hệ số ổn định mái dốc, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng sản xuất gạch không nung phức hình từ tro xỉ nhiệt điện: Khuyến khích các nhà máy nhiệt điện và doanh nghiệp vật liệu xây dựng phối hợp triển khai sản xuất gạch không nung phức hình với tỷ lệ tro xỉ thay thế xi măng khoảng 40-50%, nhằm giảm lượng tro xỉ thải ra môi trường và nâng cao giá trị sử dụng phế thải.

  2. Triển khai thi công mái kè bằng gạch phức hình tại các công trình xây dựng: Áp dụng cho kè mái đất taluy đường giao thông, kênh mương thủy lợi có độ dốc lớn và áp lực đất cao, với quy trình thi công chuẩn gồm đầm chặt, phủ lớp cát đen hoặc vải địa kỹ thuật, xếp gạch theo liên kết móc xích, đảm bảo độ ổn định và bền vững công trình trong vòng 1-2 năm đầu.

  3. Nâng cao công nghệ tạo hình gạch bằng phương pháp ép rung kết hợp: Đầu tư máy móc và công nghệ ép rung để sản xuất gạch có mật độ cao, bề mặt nhẵn, ít lỗ rỗng, tăng cường cường độ và độ bền, giảm khuyết tật sản phẩm, thời gian hoàn thiện nhanh.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công chi tiết: Phối hợp với các cơ quan quản lý xây dựng để ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật cho gạch không nung phức hình làm vật liệu kè mái đất, đồng thời đào tạo kỹ thuật thi công cho đội ngũ công nhân và kỹ sư xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sâu về vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, phương pháp tạo hình gạch không nung và ứng dụng trong công trình kè mái đất.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Áp dụng công nghệ chế tạo gạch không nung phức hình từ tro xỉ nhiệt điện để đa dạng hóa sản phẩm, nâng cao giá trị phế thải và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng công trình hạ tầng: Lựa chọn vật liệu kè mái đất có độ bền cao, chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện áp lực đất và yêu cầu kỹ thuật công trình.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và xây dựng: Xây dựng chính sách, tiêu chuẩn và hướng dẫn sử dụng vật liệu xây không nung từ phế thải công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gạch không nung phức hình là gì và có ưu điểm gì so với gạch truyền thống?
    Gạch không nung phức hình là loại gạch có hình dạng nhiều góc cạnh, liên kết móc xích giữa các viên giúp tăng độ bền và ổn định mái kè. So với gạch truyền thống, nó có khả năng chịu lực kéo tốt hơn, giảm phá hủy cục bộ và thân thiện môi trường do không qua nung.

  2. Tro xỉ nhiệt điện có thể thay thế bao nhiêu phần trăm xi măng trong sản xuất gạch?
    Theo nghiên cứu, tro bay nhiệt điện Hải Phòng có thể thay thế khoảng 40-50% lượng xi măng trong cấp phối gạch không nung mà vẫn đảm bảo cường độ và tính chất cơ lý phù hợp tiêu chuẩn.

  3. Phương pháp tạo hình gạch nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phương pháp ép bán khô kết hợp rung được áp dụng, giúp tăng mật độ vật liệu, giảm lỗ rỗng, tạo bề mặt nhẵn và nâng cao cường độ chịu nén của gạch.

  4. Gạch phức hình có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Gạch phức hình thích hợp làm vật liệu kè mái đất cho các công trình kênh mương thủy lợi, taluy đường giao thông, bờ sông có độ dốc lớn và chịu áp lực đất cao, nơi vật liệu truyền thống khó đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

  5. Làm thế nào để đảm bảo thi công mái kè bằng gạch phức hình đạt hiệu quả?
    Cần tuân thủ quy trình thi công gồm đầm chặt nền, phủ lớp cát đen hoặc vải địa kỹ thuật, xếp gạch theo liên kết móc xích, kiểm soát độ ẩm và dưỡng hộ sản phẩm đúng kỹ thuật để đảm bảo độ ổn định và bền vững công trình.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và thiết kế thành công gạch không nung phức hình từ hỗn hợp tro xỉ nhiệt điện Hải Phòng, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6477:2011.
  • Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa cốt liệu lớn, nhỏ và tro bay được xác định, cho sản phẩm có cường độ chịu nén trung bình trên 20 MPa.
  • Phương pháp ép rung kết hợp tạo hình giúp nâng cao mật độ và chất lượng gạch, giảm lỗ rỗng và khuyết tật bề mặt.
  • Mô phỏng kỹ thuật cho thấy mái kè sử dụng gạch phức hình có độ ổn định cao, khả năng chịu lực kéo và áp lực ngang đất tốt hơn vật liệu truyền thống.
  • Đề xuất triển khai sản xuất và ứng dụng gạch không nung phức hình trong các công trình kè mái đất tại Việt Nam, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế thi công mái kè bằng gạch phức hình tại một số công trình mẫu trong vòng 12 tháng để đánh giá hiệu quả lâu dài và hoàn thiện quy trình kỹ thuật. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm phối hợp phát triển ứng dụng giải pháp này.