Luận văn sản xuất gạch không nung từ tro bay và tro xỉ nhiệt điện Duyên Hải - ĐH Bách Khoa

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Tính mới của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG
• 1.1. Gạch không nung
• 1.1.1. Khái niệm về gạch không nung
• 1.1.2. Phân loại gạch không nung
• 1.1.3. Ưu, nhược điểm của gạch không nung
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Tro bay và tro xỉ
• 1.5. Quy trình sản xuất gạch không nung trong công nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHỐI LIỆU VÀ SẢN PHẨM GẠCH KHÔNG NUNG
• 2.1. Nguyên vật liệu sản xuất gạch không nung
• 2.1.1. Tro bay, tro xỉ
• 2.2. Phương pháp phối liệu cấp phối gạch không nung
• 2.2.1. Quá trình geopolymer hóa
• 2.3. Nghiên cứu phối liệu cấp phối vữa gạch trong phòng thí nghiệm
• 2.4. Thử nghiệm cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của vữa gạch
• 2.5. Quy trình phối trộn cấp phối gạch không nung
• 2.6. Khảo sát tính cơ lý của cấp phối gạch không nung
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tính chất cơ lý và hóa học của nguyên vật liệu
• 3.1.1. Tro bay, tro xỉ
• 3.1.2. Xi măng Hà Tiên PCB40
• 3.2. Khảo sát đặc tính cơ lý cấp phối gạch trong phòng thí nghiệm
• 3.3. Khảo sát đặc tính cơ lý của gạch không nung
• 3.3.1. Cường độ chịu nén
• 3.3.2. Cường độ chịu uốn
• 3.4. Hoạt độ phóng xạ của các mẫu gạch không nung
• 3.5. Dây chuyền sản xuất gạch không nung được đề xuất
• 3.6. Khái toán giá thành chi phí một viên gạch
• 3.7. Ứng dụng sản phẩm gạch xây đa màu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Sản Xuất Gạch Không Nung Từ Tro Bay

Bài viết này trình bày tổng quan về nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng tro bay và tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện. Việc tái sử dụng chất thải này không chỉ giảm thiểu tác động môi trường mà còn tạo ra vật liệu xây dựng thay thế thân thiện hơn. Gạch không nung đang dần trở thành lựa chọn ưu tiên, thay thế gạch đất sét nung truyền thống, vốn gây ra nhiều vấn đề về tài nguyên và ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng tro bay tro xỉ trong sản xuất gạch, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này góp phần hiện thực hóa mục tiêu phát triển vật liệu xanh và tái chế chất thải trong ngành xây dựng.

1.1. Khái Niệm và Ưu Điểm của Gạch Không Nung

Gạch không nung, hay còn gọi là vật liệu xây dựng không nung (VLXKN), là loại gạch được sản xuất mà không cần trải qua quá trình nung đốt. Điều này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí ô nhiễm, và sử dụng chất thải công nghiệp làm nguyên liệu. So với gạch đất sét nung, gạch không nung thân thiện với môi trường hơn và có thể sở hữu các tính năng vượt trội như cách âm, cách nhiệt tốt hơn. Đây là một giải pháp vật liệu xây dựng bền vững và hiệu quả.

1.2. Tình Hình Sử Dụng Gạch Không Nung Hiện Nay

Gạch không nung đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt ở các nước phát triển như châu Âu, Mỹ và Nhật Bản. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc sử dụng loại vật liệu xây dựng này còn hạn chế. Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách khuyến khích sử dụng VLXKN, bao gồm Quyết định số 567/QĐ-TTg và Chỉ thị số 10/CT-TTg. Mục tiêu là tăng cường sử dụng gạch không nung trong các công trình xây dựng và giảm dần việc sản xuất gạch đất sét nung để bảo vệ môi trường và tài nguyên.

II. Thách Thức Sử Dụng Tro Bay Tro Xỉ Sản Xuất Gạch Block

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc sử dụng tro bay tro xỉ trong sản xuất gạch block cũng đối mặt với những thách thức nhất định. Cần có nghiên cứu khoa học chi tiết để xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu, đảm bảo độ bền gạch không nung và các tiêu chuẩn gạch không nung. Một trong những lo ngại chính là hàm lượng các chất độc hại và hoạt động phóng xạ trong tro bay tro xỉ. Các nghiên cứu phải chứng minh rằng việc sử dụng chất thải này không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường. Ngoài ra, cần có các công nghệ sản xuất gạch phù hợp và quy trình sản xuất gạch được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.1. Vấn Đề Chất Lượng và Tiêu Chuẩn Gạch Không Nung

Việc đánh giá chất lượng gạch không nung sản xuất từ tro bay tro xỉ đòi hỏi các tiêu chuẩn gạch không nung phù hợp. Các tiêu chuẩn hiện hành thường dựa trên gạch bê tông hoặc gạch đất nung, chưa thực sự phản ánh đầy đủ đặc tính của gạch không nung từ chất thải này. Do đó, cần xây dựng bộ tiêu chuẩn riêng, bao gồm các chỉ tiêu về cường độ chịu nén, độ bền, độ hút nước, và hàm lượng chất độc hại. Điều này giúp đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm trên thị trường.

2.2. Rủi Ro Về Hoạt Độ Phóng Xạ và An Toàn Môi Trường

Tro bay và tro xỉ có thể chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Việc sử dụng chất thải này trong sản xuất gạch cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường. Các nghiên cứu cần đánh giá hoạt động phóng xạ của gạch không nung và so sánh với các ngưỡng cho phép theo quy định. Cần có các biện pháp xử lý và giảm thiểu rủi ro nếu hàm lượng phóng xạ vượt quá giới hạn. Điều này đảm bảo rằng gạch không nung từ tro bay tro xỉ là vật liệu xây dựng an toàn và bền vững.

III. Phương Pháp Sản Xuất Gạch Không Nung Từ Tro Bay Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp sản xuất gạch không nung sử dụng tro bay và tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải. Các cấp phối gạch không nung được chế tạo bằng cách kết hợp tro bay, tro xỉ, xi măng Portland PCB40 Hà Tiên và đá mi. Hàm lượng tro bay được sử dụng từ 40% đến 70% để thay thế một phần xi măng. Các thành phần được kiểm tra về tính chất lý hóa trước khi phối trộn. Các cấp phối gạch sau khi sản xuất được bảo dưỡng và thử nghiệm các tính chất cơ lý theo TCVN 6355:2009 và TCVN 6477:2016, bao gồm cường độ chịu nén, cường độ uốn và độ hút nước.

3.1. Quy Trình Phối Trộn Cấp Phối Gạch Không Nung

Quy trình phối trộn cấp phối gạch không nung đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm. Tro bay, tro xỉ, xi măng và đá mi được trộn theo tỷ lệ đã được nghiên cứu và tối ưu hóa. Việc trộn phải đảm bảo tính đồng nhất của hỗn hợp. Sau khi trộn, hỗn hợp được đưa vào khuôn để tạo hình gạch. Quá trình ép khuôn và bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của gạch.

3.2. Đánh Giá Tính Chất Cơ Lý Của Gạch Không Nung

Để đảm bảo chất lượng, gạch không nung được đánh giá về các tính chất cơ lý như cường độ chịu nén, cường độ uốn và độ hút nước. Cường độ chịu nén thể hiện khả năng chịu tải của gạch. Cường độ uốn cho biết khả năng chống lại sự biến dạng khi chịu lực. Độ hút nước ảnh hưởng đến khả năng chống thấm và độ bền của gạch trong điều kiện ẩm ướt. Các thử nghiệm này được thực hiện theo các tiêu chuẩn TCVN để đảm bảo tính tin cậy.

3.3. Tiêu Chuẩn Đánh Giá Khả Năng Chống Chịu Của Gạch

Các tiêu chuẩn của EC (1999) có thể được dùng để đánh giá các tiêu chí an toàn cho gạch không nung. Các tiêu chuẩn thường chú trọng các chỉ số về độ bền gạch không nung và khả năng chống chịu trước sự tác động của các yếu tố thời tiết. Các mẫu gạch không nung đều được theo dõi để đảm bảo không xảy ra hiện tượng ăn mòn hay biến đổi chất.

IV. Ứng Dụng Gạch Không Nung Tro Bay Tro Xỉ Thực Tế

Kết quả nghiên cứu cho thấy gạch không nung sản xuất từ tro bay tro xỉ có thể đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn. Tuy nhiên, việc đánh giá dựa trên tiêu chuẩn của gạch bê tông hay gạch đất nung chỉ mang tính tương đối. Cần có tiêu chuẩn riêng cho gạch không nung sử dụng tro bay tro xỉ. Việc sử dụng chất thải từ nhà máy nhiệt điện giúp giảm chi phí nguyên liệu. Gạch không nung từ tro bay tro xỉ có tiềm năng cạnh tranh với các loại gạch truyền thống và được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

4.1. Tiềm Năng Thay Thế Gạch Đất Sét Nung

Gạch không nung sản xuất từ tro bay tro xỉ có tiềm năng lớn trong việc thay thế gạch đất sét nung. Loại gạch truyền thống này gây ra nhiều vấn đề về môi trường và tài nguyên. Gạch không nung không chỉ thân thiện với môi trường hơn mà còn có thể có giá thành cạnh tranh hơn nhờ sử dụng chất thải làm nguyên liệu. Việc chuyển đổi sang sử dụng gạch không nung giúp giảm áp lực lên tài nguyên đất và giảm phát thải khí ô nhiễm.

4.2. Ứng Dụng trong Xây Dựng Công Trình

Gạch không nung từ tro bay tro xỉ có thể được sử dụng trong nhiều loại công trình xây dựng, từ nhà ở dân dụng đến các công trình công nghiệp. Gạch có thể được sử dụng để xây tường, lát nền, và các ứng dụng khác. Việc sử dụng gạch không nung giúp giảm chi phí xây dựng, tăng tính bền vững của công trình, và giảm tác động đến môi trường. Đây là một giải pháp vật liệu xây dựng hiệu quả và bền vững cho tương lai.

V. Kết Luận Nghiên Cứu Sản Xuất Gạch Không Nung Bền Vững

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng tro bay tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện để sản xuất gạch không nung. Việc sử dụng chất thải này không chỉ giúp giải quyết vấn đề môi trường mà còn tạo ra vật liệu xây dựng có giá thành cạnh tranh và chất lượng đảm bảo. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa quy trình sản xuất, xây dựng tiêu chuẩn riêng, và đánh giá tác động môi trường một cách toàn diện. Việc phát triển gạch không nung từ tro bay tro xỉ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

5.1. Hướng Phát Triển và Nghiên Cứu Tiếp Theo

Để phát triển gạch không nung từ tro bay tro xỉ một cách bền vững, cần có các nghiên cứu tiếp theo về các vấn đề như: Tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn để đạt cường độ cao nhất và giá thành thấp nhất. Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại phụ gia xây dựng đến tính chất của gạch. Xây dựng quy trình sản xuất hiệu quả và thân thiện với môi trường. Đánh giá tác động môi trường của việc sử dụng tro bay tro xỉ trong sản xuất gạch một cách toàn diện.

5.2. Đề Xuất Chính Sách và Khuyến Nghị

Để khuyến khích sử dụng gạch không nung từ tro bay tro xỉ, cần có các chính sách hỗ trợ từ nhà nước, bao gồm: Ưu đãi về thuế và tài chính cho các doanh nghiệp sản xuất gạch không nung. Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn riêng cho gạch không nung từ tro bay tro xỉ. Tăng cường tuyên truyền và giáo dục về lợi ích của gạch không nung đối với môi trường và sức khỏe. Khuyến khích sử dụng gạch không nung trong các công trình xây dựng công cộng.

VI. Phân Tích Giá Thành Gạch Không Nung Từ Tro Bay Tro Xỉ

Việc sử dụng nguyên liệu phế phẩm từ nhà máy nhiệt điện đã làm giảm đáng kể giá thành gạch không nung. Với chi phí nguyên liệu thấp, gạch không nung từ tro bay tro xỉ có thể cạnh tranh trực tiếp với các loại gạch truyền thống khác trên thị trường. Điều này giúp thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi gạch không nung và góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

6.1. So Sánh Chi Phí Nguyên Vật Liệu

So sánh chi phí nguyên vật liệu cho gạch không nung từ tro bay tro xỉ với gạch đất sét nung cho thấy sự khác biệt đáng kể. Việc sử dụng tro bay tro xỉ giúp giảm chi phí nguyên liệu đáng kể so với việc sử dụng đất sét. Điều này làm cho gạch không nung có giá thành cạnh tranh hơn và dễ dàng tiếp cận thị trường.

6.2. Khái Toán Giá Thành và Lợi Nhuận

Việc khái toán giá thành và tiềm năng lợi nhuận của gạch không nung giúp các nhà đầu tư và doanh nghiệp có cái nhìn rõ ràng về tiềm năng của sản phẩm. Với giá thành cạnh tranh và nhu cầu ngày càng tăng, gạch không nung từ tro bay tro xỉ có thể mang lại lợi nhuận hấp dẫn cho các nhà sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có 25 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành, mỗi năm phát thải khoảng 13 triệu tấn tro xỉ, trong đó tro bay chiếm tỷ trọng từ 80% đến 85%. Tình trạng này khiến các bãi chứa chất thải công nghiệp rơi vào tình trạng quá tải nghiêm trọng, điển hình như bãi chứa tại Trung tâm Nhiệt điện Duyên Hải với diện tích 31 ha và khối lượng tro xỉ tích lũy vượt 1,73 triệu tấn. Trong khi đó, ngành sản xuất gạch đất sét nung truyền thống đang chiếm tới 90% đến 95% thị phần vật liệu xây dựng, tiêu tốn khoảng 1,5 triệu m³ đất sét canh tác và 150.000 tấn than cho mỗi 1 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn, đồng thời xả thải ra môi trường 0,57 triệu tấn khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính.

Nhằm hiện thực hóa mục tiêu của Quyết định số 452/QĐ-TTg và Chỉ thị số 10/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ về đẩy mạnh xử lý chất thải nhiệt điện làm vật liệu xây dựng, nghiên cứu này được triển khai nhằm chế tạo gạch không nung 4 lỗ chất lượng cao từ nguồn tro bay và tro xỉ của Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh). Bằng cách kết hợp tro nhiệt điện với xi măng Portland PCB40 Hà Tiên và cốt liệu đá mi, đề tài đặt mục tiêu thiết lập các cấp phối tối ưu có hàm lượng tro bay thay thế từ 40% đến 70% lượng xi măng, tạo ra sản phẩm đạt mác chịu lực M7,5 theo tiêu chuẩn quốc gia.

Công trình được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM và Công ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Bách Khoa TP.HCM trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 01/2024. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường và giảm áp lực diện tích bãi chứa chất thải rắn, mà còn mang lại giá trị kinh tế to lớn khi cắt giảm từ 25% đến 35% chi phí nguyên liệu sản xuất so với các dòng gạch xây dựng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng hóa học và vật liệu chuyên sâu: lý thuyết thủy hóa xi măng Portland truyền thống và cơ chế polyme hóa vô cơ (Geopolymerization) do Joseph Davidovits đề xuất.

Trong quá trình thủy hóa, khoáng alit (3CaO.SiO2) và belit (2CaO.SiO2) có trong xi măng nung ở nhiệt độ 1450 °C phản ứng với nước để giải phóng ion Ca2+ và tạo thành mạng lưới gel canxi silicat hydrat (C-S-H) vô định hình, đồng thời sản sinh ra một lượng lớn canxi hydroxit Ca(OH)2 làm môi trường kiềm hóa mạnh mẽ với độ pH vượt trên 12.

Song song với đó, quá trình geopolymer hóa diễn ra khi môi trường kiềm cao hòa tan các liên kết Si-O-Si và Al-O-Si trong pha thủy tinh hoạt tính của tro bay và tro xỉ. Các monomer dạng tứ diện sialate trải qua phản ứng đa ngưng tụ (polycondensation) để tạo thành chuỗi polymer vô cơ ba chiều bền vững có công thức thực nghiệm là Mn{-(SiO2)z-AlO2-}n. Sự cộng hưởng giữa gel C-S-H và mạng lưới poly(sialate) giúp lấp đầy hoàn toàn các vi lỗ rỗng, liên kết chặt chẽ các hạt cốt liệu đá mi, tạo nên cấu trúc khối đồng nhất có cường độ cơ học cao và khả năng chống thấm vượt trội.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu tro bay và tro xỉ được thu thập đại diện từ bãi chứa của Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh). Phương pháp lấy mẫu tuân thủ nghiêm ngặt quy trình kiểm định: thu thập tại 5 vị trí khác nhau trên bãi thải, mỗi vị trí lấy 3 điểm xáo trộn ngẫu nhiên và tiến hành đồng nhất hóa để thu về 1.000 kg tro bay và 1.000 kg tro xỉ phục vụ đúc thử nghiệm 300 đến 500 viên gạch thành phẩm.

Thiết kế cấp phối vữa và gạch được thực hiện theo phương pháp thể tích tuyệt đối, kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) trong khoảng 0,16 đến 0,18 nhằm đạt độ đặc chắc cao nhất. Nghiên cứu khảo sát 4 cấp phối chính mã hóa gồm CP4, CP8, CP14 và CP15 với tỷ lệ tro bay biến thiên từ 40% đến 70%, kết hợp đá mi có khối lượng riêng 2,77 g/cm³.

Các phương pháp phân tích thực nghiệm bao gồm:

• Đánh giá chỉ tiêu cơ lý: Xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn trên mẫu kích thước 40×40×160 mm và mẫu gạch 4 lỗ ở các mốc thời gian 7, 14 và 28 ngày tuổi bằng máy nén thủy lực tự động theo tiêu chuẩn TCVN 6355:2009 và TCVN 6477:2016.
• Đánh giá độ hút nước: Thử nghiệm độ bão hòa nước theo TCVN 6355-4:2009 nhằm kiểm soát độ bền thời tiết.
• Đánh giá an toàn bức xạ: Sử dụng hệ phổ kế bức xạ gamma phông thấp GC3520 (Canberra) để đo hoạt độ phóng xạ tự nhiên của Radium-226, Thorium-232 và Potassium-40, đối chiếu trực tiếp với bộ tiêu chuẩn an toàn châu Âu EC 1999 và quy chuẩn Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích thành phần hóa lý cho thấy tro bay Duyên Hải 1 có khối lượng riêng 3,40 kg/L, độ ẩm 3,84%, trong khi tro xỉ đạt khối lượng riêng 1,98 kg/L và độ ẩm 5,90%. Phân tích hàm lượng kim loại nặng khẳng định nguồn tro này hoàn toàn an toàn: nồng độ ngâm chiết Asen (As) chỉ đạt 0,028 mg/L (thấp hơn 71 lần so với ngưỡng tối đa 2,0 mg/L của QCVN 07:2009/BTNMT), các nguyên tố Chì (Pb), Thủy ngân (Hg), Cadimi (Cd) đều ở mức không phát hiện hoặc thấp hơn hàng trăm lần so với quy chuẩn.

Khảo sát cơ tính cho thấy sự vượt trội của các cấp phối sử dụng hàm lượng tro cao. Sau 28 ngày bảo dưỡng, cấp phối CP4 (50% tro bay, 10% tro xỉ, 30% xi măng, 10% đá mi) đạt cường độ chịu nén lên tới 12,3 MPa. Đáng chú ý, cấp phối CP14 chứa tới 70% tro bay kết hợp 15% tro xỉ và chỉ sử dụng 15% xi măng vẫn đạt cường độ chịu nén 8,6 MPa, vượt mốc yêu cầu 7,5 MPa của mác gạch M7,5 theo TCVN 6477:2016 tới 14,6%. Cường độ chịu uốn sau 28 ngày của các mẫu gạch đạt mức 2,1 MPa đến 3,4 MPa.

Độ hút nước của tất cả các cấp phối gạch dao động từ 8,5% đến 11,2%, thấp hơn đáng kể so với giới hạn trần 14% quy định trong TCVN 6355-4:2009. Về an toàn phóng xạ, chỉ số nguy hiểm bức xạ gamma (I) của các mẫu gạch thành phẩm ghi nhận trong khoảng 0,38 đến 0,52, hoàn toàn nằm dưới ngưỡng an toàn tối đa I ≤ 1,0 của tiêu chuẩn EC 1999.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia tăng cường độ nén và giảm độ rỗng của gạch không nung bắt nguồn từ sự tương tác bổ trợ giữa các cỡ hạt. Hạt tro bay siêu mịn hoạt động như một chất vi điền đầy (micro-filler) xen kẽ giữa các hạt tro xỉ và đá mi, đồng thời giải phóng oxit silic và oxit nhôm để phản ứng với canxi hydroxit tự do tạo thành mạng gel khoáng bao bọc cốt liệu.

So sánh với các công bố quốc tế trước đây, khi hàm lượng tro bay vượt quá 45% thường khiến cường độ nén suy giảm dưới 6,5 MPa do thiếu hụt liên kết kết dính, thì trong nghiên cứu này, việc duy trì tỷ lệ N/CKD thấp từ 0,16 đến 0,18 kết hợp rung ép thủy lực đã giúp cấp phối chứa 70% tro bay đạt cường độ nén trên 8,5 MPa.

Dữ liệu thực nghiệm phản ánh rõ nét sự phát triển cường độ theo thời gian: tại 7 ngày tuổi cường độ đạt khoảng 55% đến 65% mác thiết kế, và tăng trưởng vượt bậc sau 28 ngày nhờ quá trình geopolymer hóa kéo dài. Sự biến thiên này được thể hiện rõ ràng qua các biểu đồ đường tiến triển phát triển cường độ nén và bảng ma trận tương quan giữa tỷ lệ tro/xi măng với hệ số hút nước, minh chứng rằng việc cắt giảm xi măng xuống 10% đến 15% hoàn toàn không làm suy giảm độ bền kết cấu khi tỷ lệ cốt liệu hạt thô được phối trộn hợp lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ sản xuất gạch không nung sử dụng tro bay, tro xỉ trên quy mô công nghiệp, các giải pháp mang tính chiến lược được đề xuất như sau:

• Hoàn thiện dây chuyền sản xuất tự động hóa đồng bộ: Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng cần đầu tư nâng cấp hệ thống máy ép rung thủy lực có áp lực ép định hình đạt trên 25 MPa và chu kỳ ép tự động dưới 20 giây. Mục tiêu là đảm bảo độ đồng đều cấu trúc cho các cấp phối chứa từ 50% đến 70% tro bay, hoàn thành lắp đặt và chạy thử nghiệm trong thời gian từ 6 đến 9 tháng.
• Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên biệt: Đề nghị Bộ Xây dựng phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành biên soạn và ban hành bộ Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) riêng biệt dành cho gạch không nung sử dụng hàm lượng tro xỉ nhiệt điện cao trong giai đoạn 2024 - 2025, thay thế việc áp dụng đối chứng tương đối theo các tiêu chuẩn gạch đất sét nung hoặc gạch bê tông hiện nay.
• Tối ưu hóa chuỗi cung ứng và vận chuyển tro xỉ: Các tập đoàn năng lượng và đơn vị quản lý nhà máy nhiệt điện cần ký kết hợp đồng cung ứng dài hạn, hỗ trợ hệ thống xuất tro bay khô kín trực tiếp từ silo ra xe bồn chuyên dụng, hướng tới mục tiêu tiêu thụ trên 80% tổng lượng phát thải tro xỉ hàng năm trước năm 2026.
• Thực thi cơ chế ưu đãi tài chính và chính sách thuế: Bộ Tài chính và hệ thống ngân hàng cần triển khai gói tín dụng xanh với lãi suất ưu đãi dưới 5%/năm, đồng thời miễn giảm 50% thuế tài nguyên cho các dự án vật liệu xanh sử dụng trên 60% phế thải công nghiệp, áp dụng chính thức từ quý 3 năm 2024.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo thực tiễn và chuyên môn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các doanh nghiệp và nhà máy sản xuất gạch không nung: Nắm bắt chính xác công thức cấp phối tối ưu (tro bay 40% - 70%, xi măng 10% - 30%) để ứng dụng trực tiếp vào dây chuyền sản xuất đại trà, giúp hạ giá thành nguyên liệu đầu vào từ 20% đến 35% cho mỗi đơn vị sản phẩm.
• Ban quản lý các nhà máy nhiệt điện than: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật khả thi để giải phóng hàng triệu tấn tro xỉ tồn đọng tại các bãi chứa rộng từ 15 đến 74 ha, chuyển hóa gánh nặng bãi thải thành nguồn nguyên liệu thứ cấp có giá trị thương mại.
• Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu xây dựng: Sở hữu tập dữ liệu thực nghiệm toàn diện về chỉ tiêu cơ lý (mác nén M7,5, độ hút nước dưới 12%, an toàn bức xạ) để tự tin chỉ định và nghiệm thu gạch không nung tro xỉ trong các công trình dân dụng và công nghiệp.
• Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Xây dựng: Kế thừa hệ phương pháp tính toán thể tích tuyệt đối, cơ chế phản ứng geopolymer hóa và kỹ thuật kiểm soát phóng xạ để mở rộng nghiên cứu sang các nguồn phụ phẩm khác như bùn đỏ bauxite hoặc tro trấu.

Câu hỏi thường gặp

• Gạch không nung sử dụng tới 70% tro bay có đáp ứng đủ độ bền chịu lực cho công trình không? Hoàn toàn đáp ứng tốt. Kết quả kiểm định sau 28 ngày cho thấy cấp phối CP14 với 70% tro bay và chỉ 15% xi măng đạt cường độ chịu nén 8,6 MPa, vượt mốc yêu cầu của mác gạch M7,5 theo TCVN 6477:2016. Mạng lưới liên kết puzolanic và geopolymer giúp cấu trúc gạch rắn chắc tương đương bê tông thông thường.

• Gạch làm từ tro xỉ nhiệt điện có gây nguy cơ nhiễm xạ cho người sử dụng không? Tuyệt đối an toàn. Thử nghiệm trên hệ phổ kế gamma phông thấp GC3520 xác định chỉ số nguy hiểm bức xạ (I) của gạch thành phẩm chỉ nằm trong khoảng 0,38 đến 0,52. Mức này thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng an toàn quốc tế là 1,0 theo hướng dẫn của Ủy ban Châu Âu EC 1999.

• Kim loại nặng trong tro bay nhiệt điện có bị rò rỉ ra môi trường sống hay không? Không xảy ra hiện tượng rò rỉ. Thử nghiệm ngâm chiết theo chuẩn QCVN 07:2009/BTNMT cho thấy hàm lượng Asen chỉ đạt 0,028 mg/L (ngưỡng cho phép là 2,0 mg/L), các kim loại độc hại khác như Chì hay Thủy ngân đều ở mức không phát hiện do đã bị khóa chặt trong ma trận liên kết thủy hóa.

• Giá thành sản xuất của loại gạch không nung tro bay này có cạnh tranh không? Giá thành cực kỳ cạnh tranh. Nhờ sử dụng nguồn tro bay, tro xỉ phế thải có chi phí rất thấp và giảm lượng xi măng đắt tiền xuống chỉ còn 10% đến 15%, chi phí nguyên liệu cho 1 viên gạch giảm từ 25% đến 35% so với việc sản xuất gạch đất sét nung hoặc gạch bê tông cốt liệu truyền thống.

• Thời gian bảo dưỡng và lưu kho của gạch trước khi xuất xưởng là bao lâu? Sau khi ép định hình, gạch được lưu giữ trong khuôn 24 giờ trước khi tháo dỡ. Sau đó, sản phẩm chỉ cần được dưỡng hộ ẩm tự nhiên hoặc phun sương trong điều kiện tiêu chuẩn từ 5 đến 7 ngày là cấu trúc đã đạt độ cứng vững cần thiết để vận chuyển và thi công ngoài công trường.

Kết luận

• Tái sử dụng thành công phế thải tro bay và tro xỉ từ Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 với tỷ lệ phối trộn cao đạt từ 40% đến 70% trong cấp phối vật liệu xây dựng.
• Chế tạo thành phẩm gạch không nung 4 lỗ đạt cường độ chịu nén từ 8,6 MPa đến 12,3 MPa, vượt tiêu chuẩn mác M7,5 theo TCVN 6477:2016 và độ hút nước dưới 11,2%.
• Xác lập độ an toàn tuyệt đối về môi trường và phóng xạ với chỉ số nguy hiểm bức xạ I từ 0,38 đến 0,52 cùng hàm lượng ngâm chiết kim loại nặng thấp hơn tiêu chuẩn QCVN 07:2009/BTNMT hàng chục lần.
• Mang lại hiệu quả kinh tế - sinh thái vượt bậc thông qua việc giảm 25% đến 35% chi phí nguyên liệu và góp phần cắt giảm 0,57 triệu tấn CO2 trên mỗi tỷ viên gạch thay thế.
• Đề xuất hoàn thiện quy trình công nghệ ép rung thủy lực tự động với áp lực trên 25 MPa và kiến nghị ban hành quy chuẩn kỹ thuật chuyên biệt cho gạch tro xỉ nhiệt điện.

Công trình đã chứng minh tính khả thi toàn diện về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường của việc sản xuất gạch không nung từ tro bay hàm lượng cao. Trong giai đoạn 2024 - 2026, việc mở rộng chuyển giao công nghệ cho các nhà máy vật liệu xây dựng là bước đi cấp thiết. Các doanh nghiệp và đơn vị quan tâm hãy liên hệ ngay với đội ngũ nghiên cứu để nhận tài liệu chuyển giao công nghệ và tư vấn giải pháp kỹ thuật tối ưu!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG 1. Gạch không nung 1. Khái niệm về gạch không nung Gạch không nung là một loại gạch cần sự tác động về cơ học để định hình và tự đóng rắn mà không cần qua giai đoạn nung.

Độ bền của gạch không nung là nhờ công đoạn ép, rung và thành phần kết dính của chúng. Sức nén một viên gạch không nung đạt tối đa 35 MPa. Gạch không nung có khoảng 300 tiêu chuẩn quốc tế khác nhau về kích cỡ viên gạch khác nhau. Một số loại gạch không nung được thể hiện Hình 1.

Gạch không nung ở Việt Nam còn được gọi là gạch block, gạch bê tông, gạch block bê tông. Mặc dù được phổ biến trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, gạch không nung vẫn chiếm tỷ lệ thấp. Một số loại gạch không nung 1. Phân loại gạch không nung 1.

Gạch xi măng cốt liệu Gạch xi măng cốt liệu (hay còn gọi là gạch bê tông, gạch block) là một loại gạch không nung được tạo thành từ hỗn hợp bê tông cứng gồm xi măng, cốt liệu (mạt đá, cát, xỉ lò cao, tro xỉ nhiệt điện), phụ gia, khoáng, nước. Đây là loại gạch chiếm tỷ lệ sử dụng nhiều nhất trong các loại gạch không nung. Một số chủng loại gạch xi măng cốt liệu được thể hiện trong Hình 1. Một số loại gạch xi măng cốt liệu 1.

Gạch không nung tự nhiên Gạch không nung tự nhiên được sản xuất từ các biến thể và sản phẩm phong hóa của đá bazan, nên thích hợp sử dụng tại những vùng có nguồn puzolan tự nhiên, hình thức sản xuất mang tính địa phương, tự phát, quy mô nhỏ được thể hiện trong Hình 1. Gạch không nung tự nhiên được phong hóa từ đá bazan 1. Gạch ba vanh Gạch ba vanh thường được sản xuất từ những nguyên liệu chính như vôi, xỉ than và một lượng nhỏ xi măng làm chất kết dính. Gạch ba vanh được sản xuất thủ công có độ nén thấp nên chỉ thích hợp sử dụng cho các công trình nhỏ, một số loại gạch ba Trang 7 ________________________________________________________________________________ vanh phổ biến được thể hiện trong Hình 1.

Một số loại gạch ba vanh 1. Gạch bê tông nhẹ Gạch bê tông nhẹ có hai loại cơ bản là gạch bê tông nhẹ bọt và gạch bê tông nhẹ khí chưng áp. − Gạch bê tông nhẹ bọt (Hình 1.5) sản xuất bằng công nghệ tạo bọt, khí trong kết cấu nên tỷ trọng viên gạch giảm đi nhiều nhưng cường độ chịu nén cao, trở thành đặc điểm ưu việt của loại gạch này. Gạch bê tông nhẹ bọt − Gạch bê tông khí chưng áp (Hình 1.6) hay còn gọi tắt là gạch AAC, gạch siêu Trang 8 ________________________________________________________________________________ nhẹ vì tỷ trọng chỉ bằng 1/2 hoặc 1/3 gạch nung thông thường.

Gạch bê tông khí chưng áp có nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, bảo ôn, chống cháy. Gạch bê tông siêu nhẹ AAC 1. Ưu, nhược điểm của gạch không nung 1. Ưu điểm − Gạch không nung không làm từ đất sét nung, thân thiện với môi trường, giảm chu trình đốt nóng bằng củi để nung, giảm lượng CO2 ra ngoài môi trường.

− Sản xuất gạch không nung không cần bỏ vốn đầu tư cao do nguồn nguyên liệu tái tạo, tiết kiệm chi phí. − Độ bền tốt có thể đáp ứng các yêu cầu cường độ chịu lực khác nhau, ngoài ra còn có tính cách âm, ít bị thấm nước, bảo ôn. Nhược điểm − Khả năng chịu lực theo phương ngang yếu, không linh hoạt khi thiết kế kiến trúc với nhiều góc cạnh. − Không có khả năng chống thấm tốt, dễ gây nứt do co dãn nhiệt.

So sánh gạch không nung và gạch nung đất sét Trang 9 ________________________________________________________________________________ Bảng 1. So sánh gạch không nung và gạch nung đất sét Loại gạch Gạch đất nung Gạch không nung Thông số – Đất sét, làm hao tổn tài – Đá nghiền, bùn bồi lắng, nguyên đất canh tác nông tro bay, tro xỉ từ nhà máy Nguyên liệu nghiệp nhiệt điện, có thể thêm xi măng và một số chất phụ gia – Nung nóng, tạo khí CO2 – Sử dụng tác động cơ học làm ô nhiễm môi trường; bằng ép, rung hoặc ép và Công nghệ tiêu hao năng lượng rung, không làm ô nhiễm nhiều. môi trường. – Đa dạng về hình dáng và – Thông thường có kích Hình dáng và kích kích thước.

thước to hơn gạch nung, thước giúp giảm chi phí và thời gian thi công. − Chi phí cao do sử dụng − Chi phí thấp do sử dụng Giá thành nguồn tài nguyên thiên phế thải từ công nghiệp, từ nhiên. môi trường nước thải. – Gạch đặc 1600 kg/m3; − Tỷ trọng cao hơn gạch gạch lỗ, thành mỏng, nhỏ đất nung (lớn hơn 1900 Tỷ trọng hơn 1000 kg/m3.

kg/m3 đối với gạch đặc và từ 1000 kg/m3 đến 1400 kg/m3 đối với gạch lỗ. Tình hình nghiên cứu ngoài nước VLXKN với những ưu điểm về nguồn nguyên liệu sản xuất, cũng như đáp ứng các tiêu chuẩn tính chất cơ lý hóa cần thiết trong xây dựng đã tạo nên vị thế trong đóng góp trong xây dựng trên thế giới như Châu Âu, Mỹ, Nhật,. Tại các nước phát triển hiện nay, công nghiệp chiếm vị trí mũi nhọn trong sự phát triển kinh tế. Cùng với sự duy trì và phát triển các ngành công nghiệp nhằm phục vụ nhu cầu con người, Trang 10 ________________________________________________________________________________ không thể tránh việc tạo ra các phế thải gây hại cho môi trường.

Do đó, tái sử dụng nguồn phế liệu cũng góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, phục vụ cho sự phát triển bền vững. Bùn bồi lắng là một trong các nguồn phế thải gây ảnh hưởng nuôi trồng thủy sản, cũng như giao thông đường thủy. Bùn bồi lắng có chứa các thành phần kim loại nặng như Cd, Zn, Cu,. gây ô nhiễm môi trường.

Theo các nghiên cứu ngoài nước, các sông ở Việt Nam cũng chứa các thành phần kim loại nặng: Cr, Zn, Pb. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tận dụng bùn bồi lắng để chế tạo vật liệu xây dựng nhằm xử lý được lượng chất thải này ra môi trường. Năm 2009, đã có nhóm nghiên cứu của giáo sư Mazen Samara tại Pháp sử dụng bùn bồi lắng để chế tạo gạch nung [3]. Kết quả cho thấy loại gạch này vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ nén, độ thấm ướt, giãn nở.

Năm 2011, nhóm nghiên cứu của Đại học Ningo, Trung Quốc cũng đã nghiên cứu sử dụng bùn bồi lắng của nước thải kết hợp với một số phụ gia khoáng tạo độ xốp, tăng độ bền nén cho gạch nung [4]. Năm 2012 tại Mỹ, nhóm nghiên cứu của giáo sư Andrea tại Viện Kỹ thuật Georgia đã thử nghiệm chế tạo gạch nung từ bồi lắng sông Savannah Harbor [5]. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 50% bồi lắng thay thế đất sét để tạo ra gạch nung. Kết quả cho thấy các tính chất của gạch đều đạt tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, tiến hành thử nghiệm chế tạo gạch chịu lửa (fired brick) từ đất bồi lắng của sông Savannah Harbor.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 50% đất bồi lắng để thay thế cho đất sét trong quy trình chế tạo gạch chịu lửa. Mẫu gạch sau đó được nung đến 900 oC và 1000 oC. Kết quả phân tích cho thấy tính chất của gạch thỏa mản các tiêu chuẩn của Mỹ (ASTM). Đối với các nghiên cứu liên quan gạch không nung thì các nguyên liệu phế thải thường được sử dụng là: tro bay, tro xỉ, bột gỗ, bột vải.

Năm 2007, nhóm nghiên cứu của Parki Turgut đã thử nghiệm việc sử dụng chất thải mùn cưa gỗ và bột đá vôi để chế tạo gạch không nung [6]. Nghiên cứu cho thấy các tính chất cơ lý của vật liệu gạch như cường độ nén, cường độ uốn, độ hút nước đạt các tiêu chuẩn quốc tế có liên Trang 11 ________________________________________________________________________________ quan, có tiềm năng để thay thế khối bê tông, tấm trần, tấm chắn cách âm. Việc tái sử dụng chất thải gỗ cho vật liệu xây dựng cũng sẽ góp phần làm giảm chi phí cho xây dựng các tòa nhà. Năm 2012, nhóm nghiên cứu của Freidin cũng đã sử dụng các nguyên liệu chính là các phế thải từ nhà máy điện đốt than để chế tạo gạch không nung, đồng thời nghiên cứu thêm một số phụ gia nhằm thay thế xi măng trong thành phần vật liệu xây dựng [7].

Năm 2013, nhóm nghiên cứu của Anuj Kumar chế tạo các vật liệu khối lát không nung bằng bùn đỏ và tro bay bằng phương pháp geopolymerization (địa polymer) [8]. Geopolymerization là một công nghệ dựa trên các phản ứng hóa học của silic vô định hình và chất rắn có hàm lượng nhôm cao với một dung dịch kiềm cao ở môi trường nhiệt độ tương đối thấp để tạo thành vô định hình bán tinh thể aluminosilic. Công nghệ này còn gọi là polymer vô cơ. Công nghệ này đã được nghiên cứu sử dụng nguyên liệu là tro bay, bùn đỏ.

Các thông số công nghệ ảnh hưởng là hàm lượng phụ gia kiềm, nhiệt độ xử lý, thời gian xử lý. Các yếu tố này khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng. Sản xuất gạch không nung từ phế thải công nghiệp là đề tài đang được nghiên cứu ở nhiều quốc gia. Gạch không nung làm từ vật liệu phế thải công nghiệp mang lại một giải pháp đầy hứa hẹn.

Nhóm nghiên cứu của Eliche-Quesada đã sử dụng tro bay than (CFA) làm nguyên liệu sản xuất hai loại vật liệu xây dựng là gạch đất sét nung và gạch không nung [9]. Gạch đất sét nung được sản xuất bằng cách sử dụng đất sét thương mại kết hợp với tro bay từ 0 – 50% khối lượng được đúc ở áp suất 10 MPa và nung ở 1000 oC (4 giờ). Gạch không nung được sản xuất bằng cách sử dụng hai chất thải làm nguyên liệu thô: CFA và cặn vôi (geosilex) với các tỷ lệ khác nhau CFA (80 – 30% khối lượng) và cặn vôi (20 – 70% khối lượng) đã được nghiên cứu. Nguyên liệu thô được đúc ở áp suất 10 MPa và xử lý trong nước ở nhiệt độ phòng trong 28 ngày.

Kết quả chỉ ra rằng việc kết hợp tới 20% khối lượng CFA đã tạo ra gạch đất sét nung có tính chất cơ lý tương tự như gạch đối chứng không có chất thải. Tuy nhiên, việc bổ sung lượng CFA cao hơn (30 – 50% khối lượng) dẫn đến tính chất cơ học giảm rõ rệt hơn do độ xốp tăng lên. Đặc tính công nghệ của gạch không nung Trang 12 ________________________________________________________________________________ cho thấy độ hút nước giảm khi hàm lượng tro bay than giảm. Gạch không nung chứa từ 40 đến 60% khối lượng CFA có giá trị cường độ nén cao nhất trong khoảng 43 – 46 MPa.

Gạch nung đất sét-CFA và gạch không nung CFA-cặn vôi có đặc tính công nghệ tối ưu, đạt tiêu chuẩn chất lượng.