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

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• LỜI MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Mục đích nghiên cứu
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ DẦM BTCT
• 1.1. Tổng quan về tro bay
• 1.1.1. Tổng quan về tro bay
• 1.1.2. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông
• 1.1.3. Thành phần chính trong mẫu tro bay
• 1.1.4. Tro bay và cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao [4]
• 1.1.5. Ứng dụng của tro bay và xu hướng phát triển
• 1.1.6. Một số nghiên cứu về ứng dụng của tro bay
• 1.2. Tổng quan về sự làm việc của dầm Bê tông cốt thép
• 1.2.1. Giới thiệu tổng quan về dầm Bê tông cốt thép
• 1.2.2. Sự làm việc của dầm Bê tông cốt thép
• 1.3. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BTCT CÓ SỬ DỤNG TRO BAY THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về cường độ
• 2.1.1. Xác định cường độ chịu nén của mẫu bê tông [7]
• 2.1.2. Xác định mô đun đàn hồi và hệ số poisson [8]
• 2.2. Lý thuyết tính toán dầm Bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2018 [6]
• 2.2.1. Lý thuyết tính toán dầm Bê tông cốt thép theo điều kiện nội lực tới hạn
• 2.2.2. Lý thuyết tính toán độ võng của dầm Bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2018
• 2.2.3. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm Bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2018
• 2.3. Tính toán lý thuyết cho mẫu thí nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP B20 CÓ SỬ DỤNG HÀM LƯỢNG TRO BAY THAY THẾ XI MĂNG
• 3.1. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
• 3.2. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm
• 3.2.1. Trong quá chuẩn bị mẫu
• 3.2.2. Trong chương trình thí nghiệm
• 3.3. Chương trình thí nghiệm
• 3.3.1. Chuẩn bị mẫu
• 3.3.2. Xác định cường độ chịu nén, Module đàn hồi (TCVN 3118 – 1993)
• 3.3.3. Thực nghiệm khả năng chịu uốn
• 3.4. Phân tích, nhận xét
• 3.4.1. Về cường độ chịu nén
• 3.4.2. Về khả năng chịu uốn theo thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhiệt điện Việt Nam đang thải ra khoảng 13 triệu tấn tro, xỉ mỗi năm từ 25 nhà máy đốt than đang hoạt động. Trong đó, tro bay chiếm từ 80% đến 85% tổng lượng phát thải, tương đương hơn 10 triệu tấn mỗi năm cần được xử lý và tái sử dụng. Tính đến cuối năm 2020, tổng lượng tro xỉ tồn đọng tại các bãi chứa vẫn còn khoảng 47,65 triệu tấn, gây áp lực lớn lên môi trường và hạ tầng lưu trữ.

Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông để sử dụng cho dầm bê tông cốt thép" của tác giả Bùi Lý Vĩ, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung, được thực hiện năm 2021 nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu quan trọng này. Dù đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông, nhưng chưa có công trình thực nghiệm cụ thể nào đánh giá tác động của tro bay đến khả năng chịu uốn và chịu cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT) ở cấp độ bền B20.

Nghiên cứu tập trung vào bốn tỉ lệ thay thế tro bay: 15%, 20%, 25% và 40% so với khối lượng xi măng, trên cơ sở so sánh với mẫu đối chứng không sử dụng tro bay. Phạm vi nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương tỉnh Phú Yên, gồm cát Sông Ba, đá 1x2 mỏ Nắng Ban Mai, xi măng Nghi Sơn và thép Việt Mỹ.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài thể hiện ở hai khía cạnh: giúp tiêu thụ lượng lớn tro bay đang tồn đọng — trong khi tro bay hiện chỉ được sử dụng làm phụ gia bê tông chiếm khoảng 8% tổng lượng tiêu thụ — đồng thời đưa ra cơ sở khoa học để ứng dụng hàm lượng tro bay tối ưu vào sản xuất dầm BTCT thực tế, góp phần giảm chi phí xây dựng và bảo vệ môi trường.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nhóm lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật xây dựng.

Lý thuyết về cường độ và đặc tính cơ học của bê tông có tro bay: Tro bay là sản phẩm từ quá trình đốt than nhiệt điện, có kích thước hạt siêu mịn khoảng 0,05 micromet (50 nanomet). Nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ khoảng 1.400°C, tro bay sở hữu tính pozzolan — khả năng phản ứng với canxi hydroxit (Ca(OH)₂) trong quá trình thủy hóa xi măng để tạo thành các sản phẩm cementite bổ sung, cải thiện độ đặc chắc và độ bền của bê tông. Thành phần hóa học của tro bay bao gồm chủ yếu SiO₂ (59,62%), Al₂O₃ (15,76%) và Fe₂O₃ (10%), thuộc nhóm tro axit (ký hiệu F) theo TCVN 10302-2014. Tổng hàm lượng SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ đạt 85,38%, vượt ngưỡng tối thiểu 70% quy định cho tro loại F dùng trong bê tông cốt thép (nhóm a).

Năm khái niệm chuyên ngành cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm: (1) Cường độ chịu nén Rb — xác định theo TCVN 3118-1993; (2) Mô đun đàn hồi Eb — đặc trưng biến dạng bê tông; (3) Hệ số Poisson — tỉ lệ biến dạng ngang trên dọc; (4) Khả năng chịu uốn theo tiết diện thẳng góc; (5) Khả năng chịu cắt theo tiết diện nghiêng.

Lý thuyết tính toán dầm BTCT theo TCVN 5574-2018: Tiêu chuẩn quốc gia hiện hành quy định phương pháp xác định moment uốn tới hạn M_gh, độ võng lớn nhất f_m và lực cắt Q trên tiết diện nghiêng. Điều kiện đảm bảo khả năng chịu lực: M ≤ M_gh và Q ≤ Q_b + Q_sw. Lý thuyết giả thiết rằng toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu, biến dạng của cốt thép và bê tông tại bề mặt tiếp xúc là như nhau, và tiết diện sau biến dạng vẫn phẳng.

Phương pháp nghiên cứu

Thiết kế mẫu thực nghiệm: Nghiên cứu sử dụng 5 tổ hợp mẫu với tổng cộng hơn 80 mẫu thí nghiệm. Mẫu lập phương 15×15×15 cm dùng để đo cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi. Mẫu dầm BTCT kích thước 100×150×800 mm dùng để thí nghiệm uốn. Mỗi tổ hợp gồm mẫu đối chứng (B20-0) và bốn mức thay thế tro bay: B20-15, B20-20, B20-25 và B20-40.

Phương pháp chọn mẫu: Phương pháp thực nghiệm có kiểm soát (controlled experiment) được áp dụng. Tất cả mẫu sử dụng cùng nguồn vật liệu địa phương, cùng tỉ lệ nước/chất kết dính, cùng điều kiện dưỡng hộ, chỉ thay đổi tỉ lệ tro bay thay thế xi măng. Phương pháp này cho phép cô lập biến độc lập duy nhất là hàm lượng tro bay.

Phương pháp phân tích: Cường độ chịu nén đo tại 3 mốc thời gian: 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày tuổi theo TCVN 3118-1993. Thí nghiệm uốn dầm thực hiện ở 28 ngày tuổi, đo quan hệ tải trọng – chuyển vị bằng hệ thống đo STS-WiFi với Loadcell và LVDT. Lý do lựa chọn phương pháp thực nghiệm: các nghiên cứu lý thuyết trước chưa phản ánh đúng hành vi thực tế của bê tông có tro bay trong kết cấu dầm chịu uốn và cắt đồng thời.

---

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện 1 — Cường độ chịu nén của bê tông B20 có tro bay: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của bê tông có tro bay ở tuổi 3 và 7 ngày thấp hơn mẫu đối chứng, phù hợp với đặc tính phản ứng pozzolan chậm của tro bay. Tuy nhiên ở 28 ngày tuổi, mẫu B20-20 (thay thế 20% xi măng bằng tro bay) đạt cường độ tương đương hoặc vượt mẫu đối chứng B20-0. Điều này tương đồng với kết quả nghiên cứu bê tông chất lượng siêu cao cho thấy mẫu sử dụng 20% FA đạt cường độ lớn nhất, tương ứng 114 MPa ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và 153 MPa ở dưỡng hộ nhiệt ẩm. Ở tỉ lệ thay thế 40%, cường độ bắt đầu suy giảm rõ rệt so với mẫu đối chứng.

Biểu đồ cường độ chịu nén của 5 tổ hợp mẫu có thể được trình bày dưới dạng đường cong phát triển cường độ theo thời gian (trục hoành: ngày tuổi; trục tung: cường độ MPa), giúp minh họa rõ tốc độ tăng cường độ khác nhau giữa các tỉ lệ tro bay.

Phát hiện 2 — Mô đun đàn hồi: Mô đun đàn hồi của các tổ mẫu có xu hướng biến đổi tỉ lệ thuận với cường độ chịu nén. Mẫu B20-20 duy trì mô đun đàn hồi ổn định, trong khi mẫu B20-40 có mô đun đàn hồi thấp hơn so với mẫu đối chứng, ảnh hưởng đến độ cứng kết cấu dầm.

Phát hiện 3 — Khả năng chịu uốn của dầm BTCT: Theo tính toán lý thuyết, lực tới hạn P của các tổ mẫu dao động trong khoảng từ 49,01 kN đến 49,31 kN, gần tương đương nhau, phản ánh ảnh hưởng không đáng kể của tro bay đến mô men uốn tới hạn ở cùng cấp độ bền B20. Mẫu B20-0 đạt P = 49,31 kN, mẫu B20-15 đạt 49,11 kN, mẫu B20-20 đạt 49,31 kN, mẫu B20-25 đạt 49,16 kN và mẫu B20-40 đạt 49,01 kN.

Quan hệ tải trọng – chuyển vị của từng tổ mẫu thể hiện qua biểu đồ đường cong: các mẫu B20-15 và B20-20 có hình dạng đường cong gần với mẫu đối chứng, cho thấy tro bay ở tỉ lệ này không làm suy giảm đáng kể ứng xử uốn của dầm.

Phát hiện 4 — Khả năng chịu cắt: Toàn bộ 5 tổ mẫu đều được đánh giá "không đảm bảo" khả năng chịu cắt theo lý thuyết (TCVN 5574-2018), với độ võng tới hạn dao động từ 6,77 mm (B20-20) đến 7,48 mm (B20-40). Thực nghiệm ghi nhận phần lớn mẫu bị phá hoại theo dạng kết hợp uốn và cắt, một số mẫu phá hoại cắt đơn thuần. Đây là phát hiện có ý nghĩa thực tế quan trọng cho thiết kế kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tro bay ở tỉ lệ 15–20% không làm suy giảm đáng kể khả năng chịu uốn của dầm B20 xuất phát từ cơ chế pozzolan: phản ứng giữa SiO₂ trong tro bay với Ca(OH)₂ tạo ra thêm sản phẩm CSH (canxi silicat hydrat), bù đắp phần xi măng bị thay thế. Trong khi đó, tỉ lệ 40% vượt quá ngưỡng này, khiến lượng xi măng còn lại không đủ để cung cấp Ca(OH)₂ cho phản ứng pozzolan hoàn toàn.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với nghiên cứu về bê tông thương phẩm tại Đại học Xây dựng, trong đó tỉ lệ thay thế 20–30% được xác định là vùng tối ưu cho bê tông mác cao (M300–M600). Tuy nhiên, luận văn này là công trình đầu tiên xác nhận điều này trên cấu kiện dầm BTCT B20 chịu uốn thực tế, bổ sung khoảng trống về ứng xử kết cấu mà các nghiên cứu trước chưa đề cập.

---

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng tỉ lệ thay thế tro bay 15–20% cho sản xuất dầm BTCT B20 đại trà: Các đơn vị sản xuất bê tông và nhà thầu xây dựng cần triển khai ngay tỉ lệ tro bay 15–20% trong thiết kế cấp phối bê tông dùng cho dầm BTCT cấp độ bền B20. Mục tiêu: giảm 15–20% lượng xi măng sử dụng mà không ảnh hưởng đến cường độ 28 ngày, từ đó tiết kiệm chi phí vật liệu và hạ phát thải CO₂. Cần hoàn thiện thiết kế cấp phối chuẩn trong thời gian 3–6 tháng đầu triển khai.

2. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm sang các cấp độ bền khác (B25, B30): Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật xây dựng cần tiến hành nghiên cứu tương tự trên bê tông B25 và B30. Mục tiêu: xây dựng bộ dữ liệu toàn diện về tỉ lệ tro bay tối ưu cho từng cấp độ bền. Đây là bước cần thiết để tiến tới ban hành hướng dẫn kỹ thuật quốc gia, hoàn thành trong 12–18 tháng.

3. Tích hợp tro bay vào tiêu chuẩn thiết kế kết cấu dầm cầu và công trình giao thông: Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Xây dựng, Bộ Giao thông Vận tải) cần xem xét bổ sung quy định về sử dụng tro bay vào TCVN 5574 và các tiêu chuẩn thiết kế cầu đường. Đây là công cụ chính sách quan trọng để đẩy mạnh tiêu thụ tro bay — hiện tỉ lệ tiêu thụ tro bay làm phụ gia bê tông mới chỉ đạt khoảng 8% tổng lượng phát thải, trong khi mục tiêu Quyết định 452/QĐ-TTg đặt ra cao hơn nhiều.

4. Xây dựng chuỗi cung ứng tro bay chất lượng kiểm soát từ nhà máy nhiệt điện đến công trường: Tập đoàn EVN, TKV và các chủ đầu tư BOT cần phối hợp thiết lập hệ thống kiểm soát chất lượng tro bay đầu ra theo TCVN 10302-2014, bao gồm kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu: hàm lượng MKN, độ ẩm, lượng sót sàng 45 µm và hoạt độ phóng xạ. Mục tiêu đến năm 2027: đưa tỉ lệ tiêu thụ tro bay lên 60%, giảm lượng tồn đọng từ 47,65 triệu tấn xuống dưới 20 triệu tấn.

---

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kết cấu và thiết kế xây dựng: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm về quan hệ tải trọng – chuyển vị của dầm BTCT B20 có tro bay, giúp kỹ sư hiệu chỉnh mô hình tính toán khi áp dụng tro bay vào kết cấu thực. Đặc biệt hữu ích cho các dự án dân dụng và giao thông tại các tỉnh miền Trung, nơi có nguồn tro bay dồi dào từ các nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, chiếm 23% tổng lượng phát thải toàn quốc.

2. Nhà sản xuất bê tông thương phẩm và nhà thầu thi công: Kết quả cấp phối thực tế của 5 tổ hợp mẫu B20 — sử dụng vật liệu địa phương tỉnh Phú Yên — là tài liệu tham chiếu thiết thực để điều chỉnh thiết kế mix design, giảm chi phí xi măng từ 15–40% mà không ảnh hưởng đến cường độ chịu uốn của dầm ở 28 ngày tuổi.

3. Nhà hoạch định chính sách và quản lý môi trường: Trong bối cảnh Quyết định 452/QĐ-TTg chưa đạt mục tiêu sau 4 năm triển khai, luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách bắt buộc hoặc khuyến khích sử dụng tro bay trong kết cấu BTCT, từ đó giải quyết bài toán hơn 47,65 triệu tấn tro xỉ đang tồn đọng.

4. Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành vật liệu xây dựng: Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm hoàn chỉnh — từ kiểm tra nguyên liệu đầu vào (cát, xi măng, đá, tro bay) đến đúc mẫu, dưỡng hộ và thử tải — theo đúng các tiêu chuẩn TCVN hiện hành. Đây là nền tảng phương pháp cho các nghiên cứu mở rộng sang bê tông cường độ cao hoặc nghiên cứu ảnh hưởng dài hạn (56 ngày, 90 ngày) của tro bay.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tro bay là gì và tại sao có thể thay thế xi măng trong bê tông? Tro bay là sản phẩm thu hồi từ ống khói nhà máy nhiệt điện đốt than, có dạng hạt cầu siêu mịn kích thước 0,05 micromet. Nhờ chứa SiO₂ chiếm đến 59,62%, tro bay có phản ứng pozzolan: kết hợp với Ca(OH)₂ sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng tạo thành CSH bổ sung, làm đặc chắc cấu trúc bê tông và tăng độ bền theo thời gian, đặc biệt sau 28 ngày tuổi.

2. Tỉ lệ tro bay bao nhiêu phần trăm là tối ưu cho dầm BTCT B20? Dựa trên kết quả thực nghiệm của luận văn, tỉ lệ thay thế 15–20% là vùng tối ưu cho dầm BTCT B20. Ở mức 20%, cường độ chịu nén ở 28 ngày không suy giảm so với mẫu đối chứng, trong khi khả năng chịu uốn và quan hệ tải trọng – chuyển vị vẫn tương đương. Vượt quá 40%, cả cường độ lẫn độ cứng của dầm đều giảm đáng kể.

3. Bê tông có tro bay có đạt yêu cầu về khả năng chịu cắt không? Theo tính toán lý thuyết TCVN 5574-2018, tất cả 5 tổ mẫu (kể cả mẫu đối chứng B20-0) đều không đảm bảo khả năng chịu cắt thuần túy. Điều này cho thấy đây là đặc điểm cơ bản của tiết diện dầm thí nghiệm (100×150 mm), không phải do tro bay gây ra. Trong thực tế thiết kế, cần bố trí cốt thép đai đủ theo tiêu chuẩn để đảm bảo khả năng chịu cắt.

4. Sử dụng tro bay có giúp tiết kiệm chi phí xây dựng không? Tro bay thay thế 15–20% xi măng giúp giảm trực tiếp chi phí vật liệu theo tỉ lệ tương ứng, bởi giá tro bay thấp hơn xi măng đáng kể. Ngoài ra, nhờ tính pozzolan cải thiện độ bền dài hạn của bê tông, chi phí bảo trì và sửa chữa công trình về lâu dài cũng giảm. Trên quy mô quốc gia, tiêu thụ tro bay làm giảm chi phí xử lý bãi thải, hiện ước tính còn hơn 47 triệu tấn tồn đọng.

5. Tro bay loại F và C khác nhau thế nào khi dùng trong bê tông cốt thép? Theo TCVN 10302-2014, tro loại F (tro axit) có hàm lượng CaO ≤ 10%, trong khi tro loại C (tro bazơ) có CaO > 10%. Tro bay sử dụng trong luận văn thuộc loại F với CaO chỉ 0,70% — phù hợp để dùng cho cấu kiện BTCT (nhóm a) theo tiêu chuẩn. Tro loại C có tính kết dính tốt hơn nhờ CaO cao nhưng cần kiểm soát chặt hàm lượng CaO tự do (≤ 2%) để tránh gây nở thể tích không mong muốn.

---

Kết luận

Luận văn đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm có giá trị về việc ứng dụng tro bay trong dầm BTCT cấp độ bền B20, với những đóng góp chính sau:

• Xác nhận tỉ lệ tối ưu 15–20%: Dầm BTCT B20 sử dụng 15–20% tro bay thay thế xi măng đạt khả năng chịu uốn tương đương mẫu đối chứng ở 28 ngày tuổi, với lực tới hạn dao động từ 49,11–49,31 kN.
• Cung cấp dữ liệu quan hệ tải trọng – chuyển vị cho 5 tổ hợp mẫu thực nghiệm, là cơ sở hiệu chỉnh mô hình tính toán trong thiết kế kết cấu.
• Chỉ rõ khoảng trống nghiên cứu: Cần tiếp tục khảo sát ảnh hưởng dài hạn (56, 90 ngày) của tro bay và mở rộng sang cấp độ bền B25, B30.
• Góp phần giải quyết bài toán môi trường: Ứng dụng 15–20% tro bay trong bê tông giúp tiêu thụ nguồn phát thải 10+ triệu tấn/năm, thực hiện mục tiêu Quyết định 452/QĐ-TTg.
• Bước tiếp theo cần thực hiện: Trong 6–12 tháng tới, cần triển khai thực nghiệm ở tuổi mẫu 56 và 90 ngày, đồng thời thử nghiệm ứng dụng trên công trình thực tế quy mô nhỏ tại khu vực miền Trung.

Luận văn này là tài liệu tham khảo thiết thực cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu và nhà hoạch định chính sách muốn hiện thực hóa mục tiêu xây dựng xanh — giảm phát thải, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao chất lượng công trình bê tông cốt thép tại Việt Nam.

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].