Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt là từ các nhà máy nhiệt điện đốt than. Theo ước tính, mỗi năm các nhà máy nhiệt điện phía Bắc thải ra hàng trăm triệu tấn tro xỉ than, phần lớn được chứa trong các hồ chứa gần khu công nghiệp và dân cư, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường đất và nước do chứa kim loại nặng. Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng, với công suất 1200 MW, cũng thải ra lượng phế thải lớn nhưng chưa có hệ thống xử lý và tái sử dụng hiệu quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu việc sử dụng tro tuyển từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia trong bê tông, áp dụng cho công trình cảng Lạch Huyện - Hải Phòng, một cảng quốc tế nước sâu quy mô lớn. Mục tiêu chính là giảm thiểu tác động môi trường từ phế thải nhiệt điện, đồng thời nâng cao tính chất cơ lý của bê tông, đặc biệt là cường độ chịu nén và khả năng chống thấm. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi vật liệu và công nghệ hiện có tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn thi công và bảo dưỡng bê tông tại công trình cảng.

Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc bảo vệ môi trường, tiết kiệm diện tích chôn lấp phế thải mà còn góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện và cảng biển, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của ngành vật liệu xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bê tông có phụ gia khoáng hoạt tính, đặc biệt là tro bay và tro tuyển. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Hiệu ứng tường chắn (Wall Effect): Tro bay có thành phần SiO₂ hoạt tính phản ứng với sản phẩm thủy hóa Ca(OH)₂ tạo ra các hợp chất CSH, làm tăng độ đặc chắc vùng giao diện chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi măng, từ đó nâng cao cường độ và khả năng chống thấm của bê tông.

  2. Hiệu ứng hình cầu (Ball Bearing Effect): Các hạt tro bay có dạng hình cầu mịn giúp cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước cần thiết khi trộn mà vẫn giữ được độ linh động.

  3. Hiệu ứng phân tán (Dispersion Effect): Tro bay phân tán giữa các hạt xi măng, tăng diện tích tiếp xúc với nước, thúc đẩy quá trình thủy hóa.

  4. Hiệu ứng tăng độ đặc chắc vi cấu trúc (Increased Packing Density): Tro bay lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, làm tăng độ đặc chắc và giảm độ rỗng.

Các khái niệm chính bao gồm: tro tuyển (tro bay tuyển), phụ gia siêu dẻo, cường độ chịu nén, khả năng chống thấm, tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD), và quy hoạch toán học thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp thực nghiệm và toán học. Vật liệu nghiên cứu gồm xi măng PC30 Chinfon Hải Phòng, cát sông Lô, đá Kiện Khê, tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng và phụ gia siêu dẻo Sikament R4. Các tính chất cơ lý của vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được áp dụng để thiết kế cấp phối bê tông với các mức hàm lượng tro tuyển khác nhau, nhằm tìm ra thành phần tối ưu cho bê tông có cường độ và khả năng chống thấm cao. Phần mềm Maple hỗ trợ tính toán và mô phỏng các phương trình toán học liên quan.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều cấp phối bê tông với tỷ lệ tro tuyển từ 10% đến 50% so với khối lượng chất kết dính, được thử nghiệm ở các tuổi bê tông 1, 7, 28, 60, 90 và 120 ngày. Phương pháp chọn mẫu là chọn các mức biến thiên của yếu tố ảnh hưởng theo thiết kế trực giao bậc hai, giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết mà vẫn đảm bảo độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát vật liệu, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu đến thiết kế cấp phối bê tông và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật tại công trình cảng Lạch Huyện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tro tuyển đến cường độ bê tông: Bê tông sử dụng tro tuyển với hàm lượng 10% xi măng có cường độ nén tăng từ 16-25% so với bê tông không sử dụng tro tuyển khi kết hợp phụ gia siêu dẻo. Ở tuổi 28 ngày, cường độ bê tông có tro tuyển đạt trung bình 20,3 MPa, cao hơn 15% so với mẫu đối chứng.

  2. Khả năng chống thấm: Bê tông có tro tuyển 10% kết hợp phụ gia siêu dẻo nâng cao khả năng chống thấm trung bình 0,5 MPa so với bê tông truyền thống. Khả năng chống thấm giảm 40-43% khi không bảo dưỡng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, nhấn mạnh vai trò bảo dưỡng.

  3. Giảm lượng nước trộn: Sử dụng tro tuyển giúp giảm lượng nước trộn từ 8,8% đến 19,4% so với bê tông không sử dụng tro tuyển, nhờ hiệu ứng hình cầu và phân tán của tro tuyển, giữ nguyên tính công tác của hỗn hợp.

  4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Việc thay thế xi măng bằng tro tuyển giảm lượng xi măng sử dụng khoảng 116 kg/m³ bê tông, tương đương giảm phát thải CO₂ đáng kể. Diện tích hồ chứa phế thải giảm, giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng có tính chất khoáng hoạt tính cao, phù hợp làm phụ gia khoáng trong bê tông công trình cảng biển. Cường độ bê tông tăng rõ rệt ở tuổi muộn (28-120 ngày) do phản ứng puzơlan của tro tuyển, phù hợp với yêu cầu bê tông khối lớn và công trình thủy lợi, thủy điện không đòi hỏi cường độ sớm.

Khả năng chống thấm được cải thiện nhờ tăng độ đặc chắc vùng giao diện chuyển tiếp, giảm lỗ rỗng và tăng cường liên kết giữa xi măng và cốt liệu. Việc giảm lượng nước trộn không chỉ nâng cao tính công tác mà còn giảm lỗ rỗng trong bê tông, tăng độ bền và tuổi thọ công trình.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng tro bay trong bê tông chất lượng cao, bê tông khối lớn, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường. Biểu đồ thể hiện sự phát triển cường độ theo tuổi bê tông và khả năng chống thấm dưới các điều kiện bảo dưỡng khác nhau sẽ minh họa rõ nét các phát hiện này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ tro tuyển 10-25% trong thiết kế bê tông công trình cảng biển: Động từ hành động là "thiết kế" và "áp dụng" nhằm tối ưu cường độ và khả năng chống thấm, thời gian thực hiện trong giai đoạn thi công cảng Lạch Huyện, do chủ đầu tư và nhà thầu thi công chịu trách nhiệm.

  2. Kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giảm lượng nước trộn: Giải pháp này giúp duy trì tính công tác của bê tông, giảm lỗ rỗng, nâng cao độ bền, được thực hiện song song với thiết kế cấp phối, do nhà cung cấp vật liệu và kỹ sư thiết kế đảm nhận.

  3. Xây dựng quy trình bảo dưỡng bê tông phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm: Bảo dưỡng đúng cách giúp duy trì cường độ và khả năng chống thấm, giảm thiểu rạn nứt do co ngót và nhiệt độ, áp dụng trong suốt quá trình thi công và bảo dưỡng công trình, do nhà thầu thi công và giám sát thực hiện.

  4. Phát triển hệ thống thu gom và xử lý tro tuyển tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng: Giải pháp này nhằm tận dụng tối đa phế thải, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí xử lý, thời gian thực hiện dài hạn, do các cơ quan quản lý môi trường và nhà máy nhiệt điện phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro tuyển, giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công.

  2. Chuyên gia môi trường và quản lý phế thải công nghiệp: Luận văn cung cấp giải pháp tái sử dụng phế thải nhiệt điện, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý bền vững.

  3. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Thông tin về đặc tính tro tuyển và phụ gia siêu dẻo giúp phát triển sản phẩm bê tông chất lượng cao, thân thiện môi trường.

  4. Các cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị đầu tư: Cung cấp dữ liệu và khuyến nghị để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về sử dụng phế thải công nghiệp trong xây dựng, góp phần phát triển kinh tế xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tro tuyển là gì và tại sao nó được sử dụng trong bê tông?
    Tro tuyển là phế thải từ quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện, chứa các oxit silic, canxi và magie có tính hoạt tính khoáng. Nó được sử dụng trong bê tông để cải thiện cường độ, giảm nhiệt thủy hóa và tăng khả năng chống thấm.

  2. Hàm lượng tro tuyển tối ưu trong bê tông là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng tro tuyển từ 10-25% so với khối lượng chất kết dính là phù hợp để đạt cường độ và tính chống thấm tốt, đồng thời đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông.

  3. Phụ gia siêu dẻo có vai trò gì khi sử dụng tro tuyển?
    Phụ gia siêu dẻo giúp giảm lượng nước trộn cần thiết mà vẫn giữ được độ linh động của bê tông, từ đó giảm lỗ rỗng và tăng cường độ bê tông khi sử dụng tro tuyển.

  4. Việc sử dụng tro tuyển có ảnh hưởng đến thời gian đông kết của bê tông không?
    Có, tro tuyển làm chậm thời gian đông kết của bê tông, điều này phù hợp với bê tông khối lớn và công trình yêu cầu cường độ phát triển ở tuổi muộn.

  5. Lợi ích môi trường khi sử dụng tro tuyển trong bê tông là gì?
    Sử dụng tro tuyển giảm lượng xi măng cần thiết, từ đó giảm phát thải CO₂ trong sản xuất xi măng, đồng thời giảm diện tích và nguy cơ ô nhiễm từ các hồ chứa phế thải nhiệt điện.

Kết luận

  • Tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng có thể sử dụng hiệu quả làm phụ gia khoáng trong bê tông công trình cảng Lạch Huyện, nâng cao cường độ và khả năng chống thấm.
  • Hàm lượng tro tuyển tối ưu từ 10-25% kết hợp phụ gia siêu dẻo giúp giảm lượng nước trộn, tăng tính công tác và độ bền bê tông.
  • Việc bảo dưỡng bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm là cần thiết để duy trì chất lượng bê tông sử dụng tro tuyển.
  • Sử dụng tro tuyển góp phần giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng cấp phối bê tông tối ưu tại công trình thực tế, đồng thời phát triển hệ thống thu gom và xử lý tro tuyển tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng.

Hành động kêu gọi: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà quản lý nên phối hợp để mở rộng ứng dụng tro tuyển trong xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.