Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông cho dầm bê tông cốt thép

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế xi măng trong bê tông cho dầm bê tông cốt thép, nâng cao hiệu quả và bền vững.

• Tác giả: Bùi Lý Vĩ
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lương
• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng Miền Trung
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tro Bay Thay Thế Một Phần Xi Măng Trong Bê Tông Để Sử Dụng Cho Dầm Bê Tông Cốt Thép
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Phú Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế xi măng

Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông đã trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành xây dựng. Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, có khả năng cải thiện tính chất của bê tông. Việc sử dụng tro bay không chỉ giúp giảm chi phí mà còn bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng xi măng cần thiết. Nghiên cứu này sẽ phân tích các lợi ích và thách thức của việc sử dụng tro bay trong dầm bê tông cốt thép.

1.1. Đặc điểm và tính chất của tro bay

Tro bay có kích thước hạt siêu mịn, chủ yếu là silic dioxit. Đặc tính này giúp tro bay có khả năng hút vôi cao, làm tăng cường độ và độ bền của bê tông. Nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng tro bay, bê tông có thể đạt được cường độ cao hơn so với bê tông thông thường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng tro bay trong bê tông

Việc thay thế xi măng bằng tro bay không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn cải thiện tính chất của bê tông. Tro bay giúp tăng khả năng chống thấm, giảm co ngót và cải thiện độ bền với thời gian. Điều này làm cho bê tông trở nên bền vững hơn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

II. Vấn đề và thách thức trong ứng dụng tro bay

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng tro bay trong bê tông cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự biến đổi chất lượng của tro bay từ các nguồn khác nhau. Điều này có thể ảnh hưởng đến tính đồng nhất và hiệu quả của bê tông. Ngoài ra, việc kiểm soát tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Chất lượng tro bay và ảnh hưởng đến bê tông

Chất lượng của tro bay phụ thuộc vào nguồn gốc và quy trình sản xuất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro bay có hàm lượng silic dioxit cao sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn trong việc cải thiện cường độ của bê tông.

2.2. Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay

Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay cần được xác định một cách chính xác để đảm bảo hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy, tỷ lệ thay thế từ 15% đến 40% có thể mang lại kết quả tốt nhất cho bê tông.

III. Phương pháp nghiên cứu ứng dụng tro bay trong bê tông

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép khi sử dụng tro bay thay thế xi măng. Các mẫu thử nghiệm sẽ được chế tạo với các tỷ lệ khác nhau của tro bay và tiến hành các thí nghiệm để đo cường độ chịu nén và chịu uốn.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và mẫu thử

Mẫu thử nghiệm sẽ được thiết kế với kích thước tiêu chuẩn và tỷ lệ tro bay thay thế xi măng từ 15% đến 40%. Các mẫu sẽ được kiểm tra cường độ chịu nén và chịu uốn theo tiêu chuẩn hiện hành.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và tính chất của bê tông. Các thông số như cường độ chịu nén, khả năng chịu uốn sẽ được so sánh với các mẫu bê tông thông thường.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng tro bay thay thế xi măng trong bê tông mang lại nhiều lợi ích. Các mẫu bê tông có sử dụng tro bay cho thấy cường độ chịu nén và chịu uốn cao hơn so với mẫu đối chứng. Điều này chứng tỏ rằng tro bay có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

4.1. Kết quả thực nghiệm về cường độ bê tông

Các mẫu bê tông có sử dụng tro bay cho thấy cường độ chịu nén tăng lên đáng kể sau 28 ngày. Điều này cho thấy tro bay không chỉ cải thiện tính chất ban đầu mà còn có tác dụng lâu dài.

4.2. Ứng dụng tro bay trong các công trình xây dựng

Nhiều công trình xây dựng đã áp dụng tro bay như một phụ gia trong bê tông. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng xi măng sử dụng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu ứng dụng tro bay

Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế xi măng trong bê tông đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc phát triển các vật liệu xây dựng bền vững.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy tro bay có thể thay thế một phần xi măng mà không làm giảm chất lượng của bê tông. Điều này mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các loại tro bay khác nhau và tỷ lệ thay thế tối ưu để phát triển các sản phẩm bê tông chất lượng cao hơn. Việc này sẽ giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ DẦM BTCT 1. Tổng quan về tro bay 1. Tổng quan về tro bay. Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện.

Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt là 0,05 micromet, tức là 50 nanomet (1 nanomet = 10-9 centimet). Nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt (đạt khoảng 1.4000C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt.

Ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể. Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới sử dụng sản phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu. Tính đến cuối năm 2020, tổng lượng tro, xỉ lưu giữ tại bãi chứa của các nhà máy nhiệt điện than vẫn còn khoảng 47,65 triệu tấn. Báo cáo của Sở Xây dựng tỉnh Bình Thuận cho thấy, tính đến tháng 6/2020, tại Trung tâm nhiệt điện Vĩnh Tân, tỉnh Bình Thuận, lượng tro, xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 1, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vĩnh Tân 4 và nhiệt điện Vĩnh Tân 4 mở rộng khoảng trên 10,9 triệu tấn nhưng lượng tro xỉ đã được xử lý, tiêu thụ chỉ đạt con số rất khiêm tốn, hơn 1,049 triệu tấn, chiếm 9,62%.

6 Các công trình tiêu biểu đã sự dụng tro bay làm phụ gia là: Đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ những năm 1950 đã sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đưa tro bay vào công trình xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980; Công trình Azure trị giá 100 triệu USD hoàn thành năm 2005 đã sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được đúc kết: Các công trình có sử dụng tro bay sẽ đem đến 3 lợi ích to lớn và rất thiết thực cho ngành công nghiệp xây dựng là: Chất lượng sản phẩm ưu việt hơn. Giá thành rẻ hơn. Góp phần bảo vệ môi trường.

Hình dạng hạt tro bay [1]. Phân loại [3] Phân loại theo Tiêu chuẩn TCVN 10302-2014 – Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây mà xi măng: - Theo thành phần hóa học, tro bay được phân làm 02 loại: + Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F + Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C - Phân loại theo mục đích sử dụng: tro bay được phân thành 02 loại: 7 + Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây, bao gồm 4 nhóm lĩnh vực sử dụng, Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông cốt thép từ bê tông nặng và bê tông nhẹ, ký hiệu: a; + Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông không cốt thép từ bê tông nặng, bê tông nhẹ và vữa xây, ký hiệu: b; + Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông tổ ong, ký hiệu: c; + Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông, bê tông cốt thép làm việc trong điều kiện đặc biệt, ký hiệu: d. - Ví dụ: + Fa - tro axit dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông cốt thép; + Cb - tro bazơ dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông không cốt thép; + Tro bay dùng cho xi măng, ký hiệu: Xm; + FXm - tro axit dùng cho chế tạo xi măng; + CXm - tro bazơ dùng cho chế tạo xi măng. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông Trộn cốt liệu lớn với cốt liệu nhỏ trong máy trộn, sau đó xi măng được thêm vào trong quá trình nhào trộn.

Sợi được cho vào trong quá trình trộn với hàm lượng tính toán trước. Hỗn hợp nước và phụ gia dẻo được nhào trộn và cho vào hỗn hợp bê tông. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông [3] Loại Lĩnh vực sử dụng - Mức Chỉ tiêu tro a b c d bay 1. Tổng hàm lượng ôxit F 70 SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn C 45 8 Loại Lĩnh vực sử dụng - Mức Chỉ tiêu tro a b c d bay 2.

Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra F 3 5 3 3 SO3, % khối lượng, không lớn hơn C 5 5 6 3 3. Hàm lượng canxi ôxit tự do F - - - - CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn C 2 4 4 2 4. Hàm lượng mất khi nung F 12 15 8* 5* MKN, % khối lượng, không lớn hơn C 5 9 7 5 5. Hàm lượng kiềm có hại F (kiềm hòa tan), % khối lượng, 1,5 không lớn hơn C 6.

Độ ẩm, % khối lượng, F 3 không lớn hơn C 7. Lượng sót sàng 45mm, % F 25 34 40 18 khối lượng, không lớn hơn 9 Loại Lĩnh vực sử dụng - Mức Chỉ tiêu tro a b c d bay C 8. Lượng nước yêu cầu so với F mẫu đối chứng, %, không lớn 105 105 100 105 hơn C 9. Hàm lượng ion Cl-, % khối F 0,1 - - 0,1 lượng, không lớn hơn C 10.

Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay dùng: - Đối với công trình nhà ở và 370 công cộng, không lớn hơn - Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu 740 dân cư, không lớn hơn * Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: - lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận. Thành phần chính trong mẫu tro bay 1. Silic dioxit ở dạng kết tủa silisic Hàm lượng silic dioxit (SiO2) tính bằng phần trăm, theo công thức: m1 − m2 % SiO2 = 100 m 10 - Trong đó: + m1 là khối lượng chén bạch kim và kết tủa trước khi xử lý bằng axit flohydric, tính bằng gam; + m2 là khối lượng chén bạch kim và kết tủa sau khi xử lý bằng axit flohydric, tính bằng gam; + m là khối lượng mẫu lấy để phân tích, tính bằng gam. Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,40 %.

Silic dioxit ở dạng hòa tan trong dung dịch Hàm lượng silic dioxit (SiO2) hòa tan tính bằng phần trăm theo công thức: m1 % SiO2 ( Ha tan) =  100 m2 - Trong đó: + m1 là lượng silic dioxit tìm được trên đường chuẩn, tính bằng gam; + m2 là khối lượng mẫu tương ứng với thể tích mẫu lấy để phân tích, tính bằng gam. Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,04 %. Hàm lượng sắt (III) oxit (Fe2O3) bằng phương pháp chuẩn độ oxihóa - khử Hàm lượng sắt (III) oxit (Fe2O3), tính bằng phần trăm, theo công thức: 0,0039925×V % Fe2O3 = ×100 m - Trong đó: + 0,0039925 là số gam Fe2O3 ứng với 1 ml dung dịch K2Cr2O7 0,05 N; + V là thể tích dung dịch K2Cr2O7 0,05 N tiêu thụ, tính bằng mililit; + m là khối lượng mẫu lấy để phân tích, tính bằng gam. Chênh lệch cho phép giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,30% 11 1.

Hàm lượng hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) Hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) tính bằng phần trăm theo công thức: 0,0010196  VZn  K % Al 2O3 =  100 m - Trong đó: + VZn là thể tích dung dịch tiêu chuẩn kẽm axetat 0,02 M tiêu thụ khi chuẩn độ, tính bằng mililit; + 0,0010196 là khối lượng nhôm oxit tương ứng với 1 ml dung dịch kẽm axetat 0,02 M, tính bằng gam; + K là hệ số nồng độ giữa dung dịch kẽm axetat 0,02 M và dung dịch EDTA tiêu chuẩn 0,01 M; + m là khối lượng mẫu tương ứng với thể tích mẫu lấy để phân tích, tính bằng gam. Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,26 %. Hàm lượng canxi oxit (CaO) Hàm lượng canxi oxit (CaO) tính bằng phần trăm, theo công thức: 0,00056  (V1 − V0 ) % CaO =  100 m - Trong đó + V0 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ mẫu trắng, tính bằng mililit; + V1 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ mẫu thử, tính bằng mililit; + 0,00056 là khối lượng canxi oxit tương ứng với 1 ml dung dịch EDTA 0,01 M, tính bằng gam; + m là khối lượng mẫu tương ứng với thể tích mẫu lấy để xác định canxi oxit, tính bằng gam. Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,30 %.

Hàm lượng magiê oxit (MgO) Hàm lượng magiê oxit (MgO) tính bằng phần trăm, theo công thức: 0,000403  [(V2 − V02 ) − (V1 − V01)] % MgO =  100 m - Trong đó + V01 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ riêng lượng canxi trong mẫu trắng, tính bằng mililit; + V1 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn riêng lượng canxi trong dung dịch mẫu thử, tính bằng mililit; + V02 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ tổng lượng canxi và magiê trong mẫu trắng, tính bằng mililit; + V2 là thể tích dung dịch tiêu chuẩn EDTA 0,01 M tiêu thụ khi chuẩn độ tổng lượng canxi và magiê trong dung dịch mẫu thử, tính bằng mililit: + 0,000403: là khối lượng magiê oxit MgO tương ứng với 1 ml dung dịch EDTA 0,01 M, tính bằng gam; + m là khối lượng mẫu tương ứng với thể tích mẫu lấy để xác định magiê oxit, tính bằng gam. Chênh lệch giữa hai kết quả xác định song song không lớn hơn 0,25 %. Thành phần hóa học của tro bay Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như sau: 13 Bảng 1.