Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp bê tông đóng góp khoảng 7% tổng lượng khí thải CO2 toàn cầu, chủ yếu do sản xuất xi măng Portland – thành phần chính trong bê tông. Ở Việt Nam, mỗi năm phát sinh hơn 25 triệu tấn tro, xỉ từ các nhà máy nhiệt điện than, dự kiến đến năm 2030 tồn trữ lên đến 422 triệu tấn nếu không được tái chế. Tro bay, chiếm 80-90% lượng tro, xỉ thải ra, được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để thay thế xi măng, giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Bê tông hàm lượng tro bay cao (HVFC) là loại bê tông có tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay trên 50%, được đánh giá là bê tông xanh, thân thiện môi trường.

Tuy nhiên, HVFC gặp hạn chế lớn về phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm giảm tính ứng dụng trong xây dựng kết cấu. Nghiên cứu này tập trung sử dụng tro bay thay thế xi măng Portland với tỷ lệ 60%, 70%, 80% nhằm chế tạo bê tông kết cấu có cường độ nén tối thiểu 12 MPa ở 3 ngày, 20 MPa ở 7 ngày và 40 MPa ở 28 ngày. Đồng thời, nghiên cứu áp dụng bổ sung vôi Ca(OH)2, silica fume và phụ gia tăng tốc ba thành phần (Natri Thiocyanate, Diethanolamine, Glycerol) để thúc đẩy phát triển cường độ sớm, cải thiện tính công tác và độ bền của bê tông HVFC.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022, với mục tiêu phát triển bê tông HVFC đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải CO2 và xử lý hiệu quả tro bay nhiệt điện tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phản ứng pozzolanic: Tro bay có thành phần chủ yếu là silica và alumina hoạt tính, phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra sản phẩm C-S-H giúp tăng cường độ bê tông theo thời gian. Tuy nhiên, phản ứng này diễn ra chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, gây hạn chế phát triển cường độ ban đầu của HVFC.

  • Hiệu ứng lấp đầy (Filler effect): Tro bay có kích thước hạt nhỏ, hình cầu giúp lấp đầy các lỗ rỗng mao quản trong bê tông, làm tăng độ đặc chắc, giảm độ thấm và cải thiện độ bền lâu dài.

  • Tác động của phụ gia tăng tốc: Các hóa chất như Natri Thiocyanate (NaSCN), Diethanolamine (DEA), Glycerol (Gly) được sử dụng để kích hoạt phản ứng hydrat hóa xi măng, thúc đẩy phát triển cường độ sớm, rút ngắn thời gian đông kết.

  • Bổ sung vôi Ca(OH)2: Do lượng Ca(OH)2 sinh ra từ xi măng giảm khi thay thế nhiều tro bay, việc bổ sung vôi giúp cung cấp đủ kiềm cho phản ứng pozzolanic, tăng cường độ và cải thiện tính bền của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD), cường độ nén, cường độ uốn, mô đun đàn hồi, độ co ngót khô, tính thấm, khả năng chống ăn mòn sulfate và clorua, phản ứng kiềm-silic.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, xi măng Portland OPC có hàm lượng C3A cao, silica fume, vôi Ca(OH)2 và phụ gia hóa học tăng tốc (NaSCN, DEA, Gly).

  • Thiết kế cấp phối: Chế tạo các mẫu bê tông HVFC với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 60%, 70%, 80%. Bổ sung vôi Ca(OH)2 từ 5% đến 30% tổng lượng chất kết dính, silica fume từ 2% đến 10%, và phụ gia tăng tốc với liều lượng 0.05% theo khối lượng chất kết dính.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu đại diện theo tiêu chuẩn ASTM, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng tái lập kết quả.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm cơ lý như đo cường độ nén, uốn, nén chẻ, mô đun đàn hồi, độ co ngót khô; thí nghiệm độ bền cacbonat hóa, chống xâm thực sulfate và clorua; phân tích cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ nhiễu xạ tia X (XRD).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thiết kế cấp phối, thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng vôi Ca(OH)2: Bổ sung vôi từ 10% đến 20% giúp tăng cường độ nén ở tuổi sớm rõ rệt. Cường độ nén mẫu HVFC thay thế 80% tro bay với 15% vôi đạt khoảng 12 MPa ở 3 ngày, 20 MPa ở 7 ngày và 40 MPa ở 28 ngày, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho bê tông kết cấu.

  2. Tác động của silica fume: Thêm silica fume từ 4% đến 6% cải thiện tính công tác và tăng cường độ nén, uốn. Cường độ uốn đạt tối thiểu 4 MPa và cường độ chẻ bửa đạt 3 MPa ở 28 ngày, cao hơn 10-15% so với mẫu không có silica fume.

  3. Hiệu quả của phụ gia tăng tốc ba thành phần: Sử dụng hỗn hợp NaSCN, DEA, Gly với liều lượng 0.05% giúp rút ngắn thời gian đông kết khoảng 2 giờ và tăng cường độ nén ở tuổi sớm lên 15-20%, đặc biệt hiệu quả với mẫu có tỷ lệ tro bay 80%.

  4. Tính bền và cấu trúc: HVFC có khả năng chống cacbonat hóa, xâm thực sulfate và thấm ion clorua tốt hơn bê tông sử dụng 100% xi măng OPC. Độ sâu xâm nhập CO2 thấp hơn 30%, độ dài thay đổi do sulfate giảm 25%, độ thấm ion clorua giảm 40%. Cấu trúc vi mô SEM cho thấy bê tông HVFC đặc chắc, ít lỗ rỗng hơn, sản phẩm C-S-H phát triển đồng đều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện cường độ và độ bền là do sự kết hợp giữa phản ứng pozzolanic của tro bay với Ca(OH)2 bổ sung và tác dụng lấp đầy của silica fume. Phụ gia tăng tốc thúc đẩy phản ứng hydrat hóa xi măng, giúp khắc phục nhược điểm phát triển cường độ chậm của HVFC. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các báo cáo về HVFC có hàm lượng tro bay cao, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế trong điều kiện Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phát triển cường độ nén theo thời gian với các tỷ lệ vôi và silica fume khác nhau, bảng so sánh độ bền cacbonat hóa, chống sulfate và thấm clorua giữa HVFC và bê tông thường, cùng hình ảnh SEM minh họa cấu trúc vi mô.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bổ sung vôi Ca(OH)2 từ 10-20% trong công thức bê tông HVFC để tăng cường độ sớm, đảm bảo tiến độ thi công và chất lượng kết cấu. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thiết kế cấp phối; chủ thể: các nhà sản xuất bê tông và kỹ sư thiết kế.

  2. Sử dụng silica fume với tỷ lệ 4-6% nhằm cải thiện tính công tác và độ bền lâu dài của bê tông HVFC. Thời gian thực hiện: áp dụng trong sản xuất; chủ thể: nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

  3. Áp dụng phụ gia tăng tốc ba thành phần (NaSCN, DEA, Gly) với liều lượng chuẩn 0.05% để rút ngắn thời gian đông kết và tăng cường độ sớm, phù hợp với điều kiện thi công thực tế. Thời gian thực hiện: trong quá trình trộn bê tông; chủ thể: nhà thầu thi công và nhà sản xuất bê tông.

  4. Khuyến khích sử dụng HVFC thay thế xi măng Portland từ 60-80% trong các công trình kết cấu nhằm giảm phát thải CO2 và xử lý hiệu quả tro bay nhiệt điện, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng. Thời gian thực hiện: dài hạn; chủ thể: các cơ quan quản lý, nhà thầu và chủ đầu tư.

  5. Tăng cường nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật về HVFC cho cán bộ kỹ thuật và công nhân xây dựng để đảm bảo thi công và bảo dưỡng đúng quy trình, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về bê tông HVFC, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình: Tham khảo để áp dụng công nghệ HVFC trong thiết kế kết cấu bê tông, tối ưu hóa vật liệu, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả thi công.

  3. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông thương phẩm: Hướng dẫn thiết kế cấp phối, lựa chọn nguyên liệu và phụ gia phù hợp để sản xuất bê tông HVFC đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và thân thiện môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn về sử dụng tro bay trong bê tông, thúc đẩy phát triển bê tông xanh và giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông hàm lượng tro bay cao (HVFC) là gì?
    HVFC là loại bê tông trong đó tro bay thay thế trên 50% khối lượng xi măng Portland, giúp giảm phát thải CO2 và tăng tính bền vững cho công trình.

  2. Nhược điểm lớn nhất của HVFC là gì?
    HVFC phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm giảm tiến độ thi công và ứng dụng trong các công trình yêu cầu cường độ nhanh.

  3. Làm thế nào để cải thiện cường độ sớm của HVFC?
    Có thể bổ sung vôi Ca(OH)2, silica fume và sử dụng phụ gia tăng tốc như Natri Thiocyanate, Diethanolamine, Glycerol để thúc đẩy phản ứng hydrat hóa và pozzolanic.

  4. HVFC có bền hơn bê tông thường không?
    Có, HVFC có khả năng chống cacbonat hóa, xâm thực sulfate và thấm ion clorua tốt hơn nhờ cấu trúc vi mô đặc chắc và sản phẩm hydrat hóa ổn định.

  5. Ứng dụng thực tế của HVFC ở Việt Nam như thế nào?
    Hiện chủ yếu ứng dụng trong bê tông đầm lăn cho đập thủy điện và mặt đường, nghiên cứu mở rộng cho bê tông trộn sẵn kết cấu với tỷ lệ tro bay lên đến 80% đang được phát triển.

Kết luận

  • Bê tông HVFC với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng từ 60-80% có thể đạt cường độ nén tối thiểu 12 MPa (3 ngày), 20 MPa (7 ngày) và 40 MPa (28 ngày), phù hợp cho kết cấu công trình.
  • Bổ sung vôi Ca(OH)2, silica fume và phụ gia tăng tốc ba thành phần là giải pháp hiệu quả để cải thiện cường độ sớm và tính công tác của HVFC.
  • HVFC có tính bền vượt trội so với bê tông sử dụng 100% xi măng OPC, góp phần giảm phát thải CO2 và xử lý tro bay nhiệt điện hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc ứng dụng rộng rãi HVFC trong ngành xây dựng Việt Nam, hướng tới phát triển bê tông xanh, bền vững.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các phụ gia và công nghệ kích hoạt tro bay để nâng cao hơn nữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của HVFC.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và sản xuất bê tông thương phẩm, đồng thời triển khai đào tạo kỹ thuật cho cán bộ và công nhân xây dựng. Đẩy mạnh hợp tác nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ HVFC phù hợp với điều kiện Việt Nam.