MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ xƣa đến nay, gạch là một trong những vật liệu xây dựng phổ biến không chỉ trong nƣớc mà trên toàn thế giới. Theo ƣớc tính từ các nghiên cứu trƣớc, mỗi năm Việt Nam và thế giới tiêu thụ tƣơng ứng khoảng 42 và 1.000 triệu viên gạch [11,39]. Theo ƣớc tính của Bộ Xây dựng, hàng năm nƣớc ta tiêu thụ khoảng 20-22 tỷ viên gạch.
Với tốc độ xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng nhƣ hiện nay, dự báo đến năm 2022 lƣợng gạch cần cho xây dựng khoảng hơn 40 tỷ viên, một số lƣợng khổng lồ. Tuy nhiên, hầu hết là gạch đất sét nung, còn đƣợc gọi là gạch truyền thống. Để sản xuất đƣợc lƣợng gạch nhƣ trên cần tiêu hao một lƣợng lớn nhiên liệu đốt và các tài nguyên thiên nhiên khác nhƣ: đất sét, than đá, đất nông nghiệp … Quá trình sản xuất gạch đất sét nung cũng thải ra môi trƣờng lƣợng lớn các khí độc hại, đặc biệt là khí CO2, gây ô nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính. Vì vậy, Thủ tƣớng Chính phủ đã ban hành các chính sách khuyến khích phát triển sản xuất các loại vật liệu xây dựng không nung thay thế cho vật liệu nung truyền thống.
Hiện nay, gạch không nung ở Việt Nam đƣợc sản xuất chủ yếu từ xi măng, cát hoặc mạt đá, và nƣớc. Khối lƣợng đơn vị thể tích và cƣờng độ chịu nén của chúng dao động trong khoảng 2. Tuy nhiên, việc sản xuất xi măng cũng tiêu hao nhiều tài nguyên thiên nhiên và gây ra nhiều tác động xấu đến môi trƣờng. Gần đây, việc khai thác quá giới hạn cát sông cũng gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng đến môi trƣờng nƣớc, sạt lở bờ sông và xói mòn.
Trong khi việc nghiền đá để làm cốt liệu gây ra các ô nhiễm môi trƣờng về tiếng ồn và bụi bẩn. Mặt khác, nhiều loại rác thải rắn trong công nghiệp đƣợc thải ra hàng ngày do nhu cầu sản xuất hàng hóa tiêu dùng và các điều kiện sống khác của con ngƣời ngày càng tăng. Những loại rác thải này cũng gây ra ô nhiễm môi trƣờng, gây áp lực lên các bãi chứa, ảnh 1 hƣởng đến sức khỏe ngƣời dân ở những vùng lân cận. Vì vậy, việc biến những rác thải công nghiệp này thành vật liệu xây dựng không những có lợi ích về mặt môi trƣờng mà còn có lợi ích về mặt kinh tế.
Trong số các loại chất thải công nghiệp, tro đáy và tro bay của nhà máy nhiệt điện đƣợc sử dụng phổ biến trong sản xuất gạch không nung. Trong khi tro bay đƣợc sử dụng nhƣ chất kết dính [7,10,14,22,29,34,40] còn tro đáy đƣợc sử dụng nhƣ cốt liệu mịn [16,23,26,28,38]. Mặc dù các kết quả thí nghiệm khác nhau giữa các nghiên cứu, tuy nhiên hầu hết đều cho rằng có thể sử dụng tro bay và tro đáy trong sản xuất gạch không nung. Bên cạnh đó, một số loại rác thải công nghiệp khác nhƣ phế thải trong quá trình khai thác mỏ đồng [6], mỏ vàng [35], bùn đỏ trong khai thác quặng nhôm [22] cũng đƣợc nghiên cứu sử dụng trong sản xuất gạch không nung.
Việc tái sử dụng các chất thải rắn công nghiệp trong sản xuất gạch không nung cũng là xu hƣớng trong cuộc cách mạng 4.0 đối với ngành xây dựng và đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vỏ trấu là rác thải trong nông nghiệp, phát sinh trong quá trình xay xát lúa thành gạo. Ƣớc tính năm 2010, gần 149 triệu tấn vỏ trấu đƣợc phát thải trên toàn thế giới [21]. Những thập niên gần đây, Việt Nam đƣợc biết đến nhƣ là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới.
Chính vì lẽ đó, một lƣợng lớn vỏ trấu đƣợc thải ra hàng năm tại Việt Nam. Một phần chúng đƣợc sử dụng nhƣ nhiên liệu đốt ở các vùng nông thôn, một phần khác đƣợc dùng trong nông nghiệp để cải tạo đất. Tuy nhiên, một lƣợng lớn còn lại đƣợc đổ xuống sông, gây ra các tác hại đến môi trƣờng [11]. Vì vậy, sử dụng vỏ trấu trong sản xuất các vật liệu xây dựng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới.
Một số nghiên cứu sử dụng vỏ trấu trong thành phần gạch đất sét nung [17,30,33,36], trong khi một số ít sử dụng chúng trong gạch không nung [11,13]. Cần chú ý thêm rằng, khi đốt ở 2 nhiệt độ cao, tro trấu nghiền có thể đƣợc sử dụng nhƣ chất kết dính [11-13,19] còn tro trấu thô đƣợc sử dụng nhƣ cốt liệu mịn [11-13]. Hầu hết các nghiên cứu trƣớc đều cho rằng có thể sử dụng vỏ trấu hoặc tro trấu trong sản xuất gạch đất sét nung hoặc gạch không nung. Mặc dù các phẩm chất của gạch bị giảm, tuy nhiên khối lƣợng đơn vị của gạch cũng giảm đáng kể, vì vậy vỏ trấu có tiềm năng lớn trong sản xuất gạch nhẹ không nung.
Tuy nhiên các nghiên cứu về sử dụng vỏ trấu trong gạch không nung còn ít. Trong nghiên cứu này, vỏ trấu thô và tro đáy đƣợc sử dụng làm cốt liệu mịn trong sản xuất gạch không nung thân thiện với môi trƣờng. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng vỏ trấu lên các đặc tính kỹ thuật của gạch không nung cũng đƣợc nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu Xác định ảnh hƣởng của hàm lƣợng vỏ trấu lên các đặc tính kỹ thuật của gạch không nung sử dụng vỏ trấu và tro đáy làm cốt liệu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: gạch không nung, tro đáy, vỏ trấu - Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng vỏ trấu để thay thế tro đáy trong thành phần cấp phối của gạch không nung. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế thành phần gạch không nung sử dụng vỏ trấu và tro đáy của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn làm cốt liệu. Trong đó, vỏ trấu đƣợc sử dụng để thay thế 0%, 3%, 6%, và 9% khối lƣợng tro đáy. - Đúc mẫu, tiến hành các thí nghiệm: Khuyết tật ngoại quan, khối lƣợng đơn vị thể tích, cƣờng độ chịu nén, độ hút nƣớc, vận tốc truyền xung siêu âm, hệ số hấp thụ nhiệt, vi cấu trúc.
- Tổng hợp kết quả thí nghiệm, phân tích, xử lý số liệu. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế thành phần gạch không nung; các nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc liên quan đến việc sử dụng phế thải công nghiệp và nông nghiệp trong sản xuất gạch không nung, đặc biệt là sử dụng tro đáy và vỏ trấu. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu gạch, sử dụng tro đáy và vỏ trấu làm cốt liệu mịn. Trong đó, vỏ trấu đƣợc sử dụng lần lƣợt với các hàm lƣợng là 0%, 3%, 6%, và 9% so với khối lƣợng tro đáy.
- Phƣơng pháp thống kê toán học: Tổng hợp và xử lý số liệu. - Phƣơng pháp so sánh: So sánh các thông số kỹ thuật của các mẫu gạch từ thí nghiệm với TCVN 6477-2016 và với các kết quả nghiên cứu trƣớc, từ đó đề xuất hàm lƣợng sử dụng vỏ trấu hợp lý trong sản xuất gạch không nung thân thiện với môi trƣờng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Việc sử dụng vỏ trấu và tro đáy làm cốt liệu mịn trong thành phần cấp phối của gạch không nung làm giảm khối lƣợng đơn vị thể tích và hệ số truyền nhiệt của viên gạch, có thể áp dụng cho các công trình tạm thời và kết cấu cách nhiệt. Sử dụng các phế phẩm công nghiệp (tro bay, tro đáy) kết hợp với phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu) trong thành phần gạch không nung giúp giảm giá thành sản xuất, giảm thiểu các chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng.
- Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xử lý một phần chất thải nông nghiệp (vỏ trấu) và chất thải của nhà máy nhiệt điện (tro đáy), khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên, góp phần vào việc bảo vệ môi trƣờng và phát triển bền vững. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Các nghiên cứu về gạch không nung Gạch là một trong những loại vật liệu xây dựng thông dụng và đƣợc sử dụng rộng rãi cả ở trong nƣớc và nƣớc ngoài. Trong đó gạch đất sét nung thƣờng đƣợc sử dụng cho kết cấu tƣờng xây chính nhƣng có giá thành cao do quá trình nung gạch tiêu tốn nhiều nhiên liệu nhƣ: than củi, đặc biệt là than đá.
Bên cạnh đó, quá trình nung lại thải vào bầu khí quyển nhiều khí thải độc hại, đặc biệt là CO2 gây ra hiệu ứng nhà kính. Vì vậy, phƣơng án thay thế gạch đất sét nung truyền thống bằng gạch không nung hiện nay đang rất đƣợc quan tâm. Trên thế giới, gạch không nung đƣợc nghiên cứu và phát triển rất đa dạng, chủ yếu sử dụng các loại vật liệu là phế thải trong sản xuất công nghiệp nhƣ tro bay, bột đá vôi, bụi mỏ, phôi rỉ sắt, … Trong nghiên cứu của Turgut [29], gạch không nung không sử dụng xi măng đƣợc sản xuất từ tro bay loại C, bột đá vôi và nƣớc với áp lực nén tạo mẫu 20 MPa. Bột đá vôi đƣợc trộn với tro bay theo các tỉ lệ 10%, 20% và 30% về thể tích.
Kết quả tạo ra các mẫu gạch không nung có khối lƣợng thể tích từ 1,7–1,84 T/m3, độ hút nƣớc 13,74–19,35%, độ rỗng 25,28-33,48% và hệ số dẫn nhiệt 0,91-1,02 W/m. Chindaprasirt và Pimraksa [14] sử dụng hỗn hợp tro bay và vôi với các tỉ lệ trộn khác nhau, sau đó gia nhiệt trong điều kiện bão hòa nƣớc ở 130 ± 5 oC với áp suất 0,14 MPa để sản xuất gạch không nung. Với tỉ lệ trộn là 90% tro bay và 10% vôi, gạch không nung tạo ra có cƣờng độ nén lên đến 47-62,5 MPa, độ hút nƣớc 16,4- 18,5%, khối lƣợng đơn vị thể tích từ 1,6-1,66 T/m3. Trong một nghiên cứu khác của Kumar [34] hỗn hợp tro bay, vôi và thạch cao đƣợc sử dụng làm chất kết dính trong sản xuất gạch không nung.
Kết quả cho thấy loại gạch không nung này hoàn toàn có thể thay thế cho gạch đất sét nung truyền thống với khối lƣợng đơn vị thể tích nhỏ hơn, cƣờng độ nén 5 tƣơng đƣơng và độ hút nƣớc từ 28,9-37%. Nghiên cứu của Shakir và các cộng sự [7] kết hợp tro bay, bụi mỏ và phôi gỉ sắt để sản xuất gạch không nung sử dụng xi măng làm chất kết dính. Cƣờng độ nén của gạch trong nghiên cứu này đạt 6,2-26,3 MPa, khối lƣợng đơn vị thể tích 1,9-2,4 T/m3, độ hút nƣớc 12,9- 19,1% và vận tốc truyền xung siêu âm đo đƣợc từ 2060-3540 m/s. Ngoài ra, các chất thải công nghiệp khác cũng đƣợc nghiên cứu tái sử dụng trong sản xuất gạch không nung.