Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY Trong phạm vi tổng quan trình bày các quy định chung đối với BTXM làm mặt đường ô tô; khái quát về BTXM tro bay và các quá trình phản ứng thủy hóa, phản ứng puzơlan; ảnh hưởng của tro bay đến các đặc tính của bê tông và các công trình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong xây dựng đường ô tô trên thế giới và Việt Nam. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, cấp cao thường được dùng làm mặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất bánh xe lên mặt đường từ 5 ÷ 7 kPa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao [1],[3],[4]. Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường BTXM khác nhau. Theo các tài liệu [1],[3],[11],[31] thì mặt đường BTXM gồm các loại kết cấu chính: mặt đường BTXM thông thường; mặt đường BTXM cốt thép có khe nối; mặt đường BTXM lưới thép và mặt đường BTXM lưới thép liên tục.
Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN chính thức nên việc thiết kế mặt đường BTXM được thực hiện theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [12]; thi công và nghiệm thu theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT [13] do Bộ GTVT ban hành. Quy định về tính năng của bê tông xi măng Theo các quy định kỹ thuật [12],[13] thì BTXM làm mặt đường ô tô phải đáp ứng được các yêu cầu chính như sau: a. Cường độ kéo kéo uốn (cường độ kéo uốn) Cường độ kéo uốn thiết kế ( Rku ) đối với đường cấp II trở lên phải lớn hơn tk 5,0 MPa và với đường cấp III trở xuống phải lớn hơn 4,5 MPa. Cường độ nén Trong các quy định [12],[13] không đưa ra yêu cầu trực tiếp về cường độ nén 6 thiết kế ( Rn ).
Trong khi đó đây là chỉ tiêu quan trọng cần được xác định để tính tk toán, thiết kế thành phần vật liệu bê tông; theo các tài liệu [8],[9] giữa cường độ nén và kéo uốn có mối quan hệ như sau: Rkutk = k r Rntk (MPa) (1.1) trong đó: Rku , Rn – tương ứng là cường độ kéo uốn và cường độ nén thiết kế; tk tk kr – hệ số có giá trị trong khoảng 0,70 ÷ 0,75. Bê tông có cường độ nén càng cao thì kr càng nhỏ do tốc độ phát triển cường độ kéo uốn chậm hơn cường độ nén. Với hệ số kr tối thiểu là 0,7 thì khi đó cường độ nén thiết kế của bê tông được xác định như trong Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô Cường độ thiết kế, MPa TT Loại mặt đường BTXM Kéo uốn Nén 1 Mặt đường cao tốc, cấp I, cấp II ≥ 5,0 ≥ 51,0 2 Mặt đường cấp III trở xuống ≥ 4,5 ≥ 41,3 Bên cạnh đó, theo quy định [12],[13] thì cường độ trung bình yêu cầu chế tạo trong phòng thí nghiệm cần lớn hơn cường độ thiết kế tối thiểu từ 1,15 ÷ 1,2 lần. Độ mài mòn Với mặt đường ô tô cấp III trở lên, độ mài mòn phải nhỏ hơn 0,3 g/cm2; với đường ô tô cấp IV trở xuống phải nhỏ hơn 0,6 g/cm2.
Quy định về vật liệu chế tạo bê tông xi măng a) Xi măng Theo quy định [13] thì có thể sử dụng các loại xi măng poóc lăng, poóc lăng hỗn hợp, poóc lăng bền sunphát để làm mặt đường BTXM. - Hàm lượng xi măng tối đa không nên lớn hơn 400 kg/m3; hàm lượng xi măng tối thiểu phải lớn hơn 290 kg/m3 [1],[13]. - Tỷ lệ nước / xi măng (N/X) lớn nhất trong phạm vi 0,44 ÷ 0,48; mặt đường cấp càng cao thì chọn trị số N/X lớn nhất càng nhỏ [1],[13]. 7 b) Cốt liệu nhỏ (Cát) Cát có thể là cát sông hoặc cát xay có thành phần hạt hợp lý thì độ rỗng nhỏ, cường độ bê tông sẽ cao, mô đun độ lớn trong phạm vi 2,2 ÷ 3,5 [13].
Cốt liệu thô (Đá dăm) Cốt liệu thô có thể là đá dăm, sỏi cuội nghiền tạo ra bộ khung chịu lực cho bê tông và có thành phần hạt theo quy định. Cỡ hạt danh định lớn nhất không lớn hơn 25 mm với sỏi cuội nghiền; không lớn hơn 37,5 mm đối với đá dăm. d) Yêu cầu về nước Nước không lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu cơ, độ pH ≥ 4; hàm lượng muối ≤ 0,005 mg / mm3 và hàm lượng ion SO4 ≤ 0,0027 mg / mm3. e) Yêu cầu về phụ gia Trong bê tông có thể sử dụng các loại phụ gia giảm nước, phụ gia làm chậm đông kết và phụ gia khoáng hoạt tính cao.
Khái quát về bê tông xi măng tro bay 1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay Theo ACI 232R [37], bê tông xi măng tro bay (FC) được hiểu là bê tông xi măng poóc lăng (PC) trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định để thay thế một phần chất kết dính xi măng poóc lăng. Theo Michael [86] trong lịch sử phát triển, tro bay được sử dụng trong BTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công trình (Bảng 1. Ở mức độ thông thường, để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kết cấu thì tỷ lệ tro bay từ 15 ÷ 30 % khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn từ 30 ÷ 50 % dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trong các kết cấu bê tông khối lớn.
Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bê tông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 % dùng cho các kết cấu công trình yêu cầu đòi hỏi về độ bền cao. Hiện nay với BTXM chất lượng cao (HPC), hàm lượng tro bay thường dùng từ 10 ÷ 30 % lượng chất kết dính. Trong BTXM lượng tro bay thêm vào bằng hoặc 8 cao hơn lượng xi măng bớt đi, vì tro bay có khối lượng riêng nhỏ hơn xi măng. Các nghiên cứu của Owen [80], của Jiang và cộng sự [74] cho ra rằng với BTXM chất lượng cao tùy thuộc vào chất lượng tro bay và lượng xi măng được thay thế.
Mức độ tổn thất độ sụt của BTXM tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều kiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta [28]. Theo Mehta [91], sử dụng tro bay trong bê tông chất lượng cao còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt và tăng độ bền chống thấm nước.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM TT Tỷ lệ tro bay / chất kết dính Phân loại theo hàm lượng tro bay 1 < 15 % Thấp 2 15 ÷ 30 % Trung bình 3 30 ÷ 50 % Cao 4 > 50 % Rất cao 1. Tính chất tro bay nhiệt điện Tro bay nhiệt điện là sản phẩm muội sinh ra trong quá trình đốt than ở các nhà máy nhiệt điện. Tro bay trong khí thải được thu thập lại bởi thiết bị lọc bụi tĩnh điện.
Khi lơ lửng trong khí thải, các hạt tro bay thường có dạng hình cầu kích thước từ 0,5 µm đến 100 µm. Thành phần chủ yếu là dioxide silic (SiO2) dưới dạng vô định hình và tinh thể, oxit nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3). Tính chất hóa học của các oxit trong tro bay chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của loại than được đốt cháy [2],[7],[43],[58],[76]. Tiêu chuẩn ASTM C618 [43] phân tro bay thành hai loại chính là tro bay loại F và loại C, sự khác biệt chính của hai loại này là ở các hàm lượng oxit canxi, oxit silic, oxit nhôm và oxit sắt có trong từng loại tro bay.
Tro bay loại F có hàm lượng SiO2, Al2O3 cao và hàm lượng CaO, MgO thấp. Ngược lại tro bay loại C có hàm lượng SiO2, Al2O3 thấp và hàm lượng CaO, MgO cao. Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 [22] cũng đã đưa ra quy định về tro bay tùy theo lĩnh vực sử dụng như trong Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM Tiêu chuẩn Mỹ (ASTM C618) TCVN 10302:2014 [22] TT Thành phần [43] F C F C F C SiO2 + Al2O3 + 1 70 50 70 45 70 45 Fe2O3, min % 2 SO3, max % 5 5 5 5 3 5 3 Độ ẩm, max % 3 3 3 3 3 3 Hàm lượng mất khi 4 6 6 15 9 12 5 nung MKN, max % BTXM không cốt 5 Lĩnh vực - - BTXM cốt thép thép Theo Bảng 1.3 cho thấy các chỉ tiêu về hàm lượng ôxit (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3), hàm lượng SO3, độ ẩm của hai tiêu chuẩn là gần tương đương nhau; trong khi đó chỉ tiêu về hàm lượng mất khi nung trong TCVN 10302:2014 được nới rộng hơn so với ASTM C618. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện Khi nhiên liệu than đi qua khu vực nhiệt độ cao trong lò, các thành phần vật liệu không ổn định và các bon bị đốt cháy trong khi những tạp chất khoáng khác được cuốn đi theo ống khói dưới dạng tro.
Phần lớn tro cuốn ra ngoài theo đường ống khói được gọi là tro bay. Sau đó tro bay được tách ra khỏi ống khói bằng phương pháp lọc tĩnh điện và màng lọc. Ở các nhà máy nhiệt điện hiện đại, tro bay sau khi được lọc tĩnh điện thì có thể dùng trực tiếp như là vật liệu cho BTXM mà không cần phải có biện pháp xử lý [7]. Để tro bay trở thành vật liệu sản xuất bê tông thì cần phải qua quá trình tuyển, tổng công suất tuyển hiện nay khoảng 500.
Các công nghệ tuyển bao gồm công nghệ tuyển nổi; công nghệ tách tĩnh điện; công nghệ phân ly bằng ly tâm; công nghệ đốt các bon [26],[33]. Sản lượng tro bay ở Việt Nam Nước ta có nguồn nguyên liệu than dồi dào với trữ lượng lớn, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc do gần nguồn than. Trong 10 quá trình đốt tạo ra lượng tro và xỉ rất lớn, chiếm khoảng 30 % ÷ 35 % lượng than sử dụng; khoảng 20 ÷ 30 % tro xỉ hình thành rơi xuống đáy lò hơi thành xỉ đơn, phần còn lại khoảng 70 ÷ 80 % là tro bay [7]. Theo số liệu báo cáo của Hội tuyển khoáng Việt Nam [7], thì mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn tro bay (Bảng 1.