Nghiên cứu sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia bê tông cảng Lạch Huyện

Khám phá giải pháp sử dụng tro bay từ nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia bê tông chất lượng cao cho công trình cảng Lạch Huyện. Góp phần xây dựng bền vững, giảm

• Tác giả: Ngô Thị Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Toàn Đức
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật chuyên ngành công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia bê tông, áp dụng cho bê tông công trình cảng Lạch Huyện - Hải phòng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá tiềm năng sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng Phụ gia đột phá cho bê tông cảng Lạch Huyện

Việt Nam, với đường bờ biển dài và vị trí chiến lược, đang đẩy mạnh phát triển hệ thống cảng biển, trong đó Cảng Lạch Huyện là một dự án trọng điểm. Việc xây dựng các công trình cảng đòi hỏi vật liệu có độ bền cao, khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt như nước mặn, sóng biển và tải trọng lớn. Song song đó, ngành công nghiệp nhiệt điện đang tạo ra lượng lớn tro xỉ, đặt ra thách thức lớn về môi trường và cần giải pháp tái chế hiệu quả. Nghiên cứu về sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia bê tông cảng Lạch Huyện không chỉ mở ra hướng đi mới cho việc sản xuất vật liệu xây dựng bền vững mà còn góp phần giải quyết bài toán môi trường cấp bách. Tro tuyển, một sản phẩm phụ của quá trình đốt than, đã được chứng minh có khả năng cải thiện đáng kể các tính chất cơ lý và độ bền của bê tông, đặc biệt phù hợp cho các công trình thủy. Việc tối ưu hóa sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong cấp phối bê tông cho các công trình cảng biển không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn nâng cao chất lượng công trình, kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Đây là một hướng đi chiến lược, kết hợp lợi ích kinh tế, kỹ thuật và môi trường, hướng tới sự phát triển bền vững cho ngành xây dựng Việt Nam. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi được xử lý và kiểm soát chất lượng đúng cách, tro tuyển có thể thay thế một phần xi măng trong cấp phối, giảm lượng clinker sản xuất, từ đó giảm phát thải CO2. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh toàn cầu đang nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu. Sự kết hợp giữa tro tuyển và phụ gia siêu dẻo cũng hứa hẹn tạo ra những loại bê tông hiệu năng cao, đáp ứng mọi yêu cầu khắt khe của công trình cảng biển hiện đại.

1.1. Bức tranh tổng quan về tro bay và tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng

Tro bay (fly ash) là sản phẩm phụ dạng bột mịn thu được từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện. Trong đó, tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng là loại tro bay đã qua quá trình tuyển lựa, xử lý để loại bỏ các hạt thô, tạp chất và nâng cao chất lượng, đảm bảo tính đồng nhất. Điều này giúp tăng cường khả năng phản ứng pozzolanic và tính chất phụ gia của nó khi trộn vào bê tông. Trên thế giới và tại Việt Nam, tro bay đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, từ bê tông thông thường đến bê tông khối lớn, bê tông đầm lăn. Đặc biệt, tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng đang được quan tâm như một nguồn tài nguyên quý giá để cải thiện hiệu suất của bê tông, đặc biệt cho các công trình có yêu cầu kỹ thuật cao. Việc kiểm soát chặt chẽ chất lượng tro tuyển là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả ứng dụng, từ đó thúc đẩy tái chế tro xỉ nhiệt điện một cách bền vững.

1.2. Tại sao bê tông cảng Lạch Huyện cần giải pháp phụ gia tối ưu

Bê tông cảng Lạch Huyện phải đối mặt với môi trường đặc biệt khắc nghiệt: nước biển mặn chứa sunfat và clorua gây ăn mòn cốt thép và phá hủy bê tông; chu kỳ đóng băng - tan chảy (nếu có); tác động mài mòn từ sóng biển, tàu bè; và tải trọng động lớn. Những yếu tố này đòi hỏi bê tông phải có cường độ cao, khả năng chống thấm tốt, độ bền sunfat vượt trội và tuổi thọ dài. Xi măng Portland thông thường có thể không đủ khả năng đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu này mà không cần đến các phụ gia bê tông cảng đặc biệt. Việc tìm kiếm một giải pháp phụ gia tối ưu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất kỹ thuật của bê tông cảng Lạch Huyện mà còn tối ưu hóa chi phí và giảm thiểu tác động môi trường. Tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng, cung cấp các tính chất pozzolanic và microsilica, giúp tạo ra bê tông có cấu trúc đặc chắc, ít thấm nước và bền vững hơn trong môi trường biển khắc nghiệt.

II. Thách thức lớn khi phát triển bê tông cảng Lạch Huyện và ô nhiễm tro xỉ nhiệt điện

Việc xây dựng và duy trì các công trình cảng biển như cảng Lạch Huyện đối mặt với nhiều thách thức đặc thù, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến và vật liệu có tính năng vượt trội. Môi trường biển khắc nghiệt, với sự hiện diện của muối, sunfat, clorua, cùng với tác động cơ học từ sóng biển và tải trọng tàu bè, gây ra những rủi ro lớn về độ bền và tuổi thọ của bê tông. Nếu không có các biện pháp phòng ngừa hiệu quả, các công trình này có thể bị xuống cấp nhanh chóng, ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả khai thác. Đồng thời, vấn đề xử lý tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện, điển hình là nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, đang trở thành một gánh nặng môi trường nghiêm trọng. Hàng triệu tấn tro xỉ được thải ra mỗi năm, chiếm dụng diện tích đất lớn để lưu trữ và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm đất, nước, không khí nếu không được quản lý và xử lý đúng cách. Việc tìm kiếm giải pháp tái chế hiệu quả cho tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng không chỉ giúp giảm thiểu gánh nặng môi trường mà còn biến chất thải thành tài nguyên, mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật to lớn cho ngành xây dựng. Đây là một bài toán kép đòi hỏi sự phối hợp giữa các nhà khoa học, kỹ sư và quản lý để đưa ra các giải pháp toàn diện và bền vững. Việc ứng dụng tro bay xây dựng không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một chiến lược môi trường quan trọng, góp phần vào sự phát triển hài hòa của kinh tế và sinh thái.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật khắt khe cho bê tông công trình cảng biển

Bê tông công trình cảng biển đòi hỏi các yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhiều so với bê tông thông thường. Cường độ nén và cường độ kéo uốn phải đảm bảo khả năng chịu tải trọng lớn từ tàu thuyền và thiết bị bốc dỡ. Quan trọng hơn, độ đặc chắc và khả năng chống thấm nước biển là yếu tố sống còn để ngăn chặn sự xâm nhập của ion clorua và sunfat, vốn là tác nhân chính gây ăn mòn cốt thép và phá hủy cấu trúc bê tông. Khả năng chống mài mòn từ tác động của sóng, dòng chảy và va đập cũng cần được chú trọng. Ngoài ra, tuổi thọ thiết kế của công trình cảng biển thường rất dài, lên đến hàng chục, thậm chí hàng trăm năm, yêu cầu vật liệu phải có độ bền vững theo thời gian. Việc sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia có thể giúp đáp ứng những yêu cầu này, đặc biệt trong việc cải thiện khả năng chống thấm và độ bền sunfat, nhờ vào phản ứng pozzolanic tạo ra các sản phẩm bền vững, lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông.

2.2. Gánh nặng môi trường từ việc xử lý tro xỉ nhiệt điện

Các nhà máy nhiệt điện, trong đó có nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, thải ra một lượng lớn tro xỉ nhiệt điện hàng năm. Việc tích trữ và xử lý lượng phế thải này gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Các bãi chứa tro xỉ chiếm diện tích đất rộng lớn, gây ô nhiễm không khí do bụi bay, ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm do các chất độc hại trong tro xỉ rửa trôi. Ngoài ra, chi phí vận chuyển và xử lý cũng là một gánh nặng kinh tế đáng kể cho các doanh nghiệp và xã hội. Nhu cầu cấp thiết là tìm kiếm các giải pháp tái chế tro xỉ nhiệt điện một cách bền vững, biến chất thải thành tài nguyên có giá trị. Sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia cho bê tông là một trong những giải pháp tối ưu, không chỉ giúp giảm lượng tro xỉ chôn lấp mà còn mang lại giá trị gia tăng cho sản phẩm. Việc này góp phần vào mục tiêu phát triển kinh tế tuần hoàn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên.

III. Bí quyết sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng hiệu quả Cải thiện tính chất bê tông

Để tối đa hóa lợi ích của tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong sản xuất bê tông, đặc biệt là cho các công trình cảng biển, việc hiểu rõ thành phần, tính chất và cơ chế tác động của nó là điều kiện tiên quyết. Nghiên cứu sâu rộng về đặc điểm hóa lý của tro tuyển giúp các nhà khoa học và kỹ sư đưa ra các cấp phối bê tông tối ưu, đảm bảo chất lượng và hiệu suất mong muốn. Việc kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất tro tuyển tại nguồn và trong quá trình xử lý là yếu tố cốt lõi để duy trì chất lượng ổn định. Khi được sử dụng đúng cách, tro tuyển không chỉ là một chất độn mà còn là một vật liệu pozzolanic có hoạt tính cao, phản ứng với hydroxit canxi tự do (Ca(OH)2) sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng. Phản ứng này tạo ra các sản phẩm thủy hóa bổ sung, chủ yếu là C-S-H (canxi silicat hydrat) dạng gel, làm tăng độ đặc chắc của cấu trúc bê tông, lấp đầy các lỗ rỗng và mao quản. Kết quả là, bê tông trở nên ít thấm nước hơn, bền hơn trước các tác nhân xâm thực từ môi trường biển. Điều này đặc biệt quan trọng đối với bê tông cảng Lạch Huyện, nơi khả năng chống thấm và chống ăn mòn là yêu cầu hàng đầu. Ngoài ra, việc sử dụng tro tuyển còn có thể giúp giảm nhiệt thủy hóa của bê tông khối lớn, hạn chế nứt do co ngót nhiệt, một vấn đề thường gặp trong xây dựng các cấu kiện lớn. Công trình của Vũ Hải Nam và cộng sự [10] đã chỉ ra rằng TT có tác dụng cải thiện các tính chất của BTĐL như trị số tính công tác Vc, cường độ ở các tuổi dài ngày và khả năng chống thấm. Hoàng Phó Uyên và cộng sự [19] cũng ghi nhận rằng bê tông sử dụng TT có lượng nước yêu cầu nhỏ hơn và cường độ ở các tuổi muộn phát triển khá nhanh.

3.1. Phân tích thành phần và tính chất của tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng

Tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng có thành phần hóa học chủ yếu gồm các oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3), cùng với một lượng nhỏ oxit canxi (CaO) và các nguyên tố vi lượng khác. Hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 thường đạt trên 70%, là tiêu chí quan trọng đánh giá hoạt tính pozzolanic của tro bay. Độ mịn của tro tuyển cũng là một yếu tố quyết định, các hạt càng mịn thì diện tích bề mặt càng lớn, giúp tăng cường khả năng phản ứng. Tro tuyển cũng cần có hàm lượng carbon chưa cháy (mất khi nung - MKN) thấp để tránh ảnh hưởng đến tính công tác và cường độ của bê tông. Việc kiểm soát các chỉ tiêu này theo tiêu chuẩn (ví dụ TCVN) là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng. Tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng với đặc tính đồng nhất và được kiểm soát tốt có tiềm năng rất lớn để cải thiện tính chất bê tông một cách hiệu quả.

3.2. Cơ chế cải thiện tính chất bê tông của tro tuyển

Cơ chế chính mà tro tuyển tác động lên bê tông là thông qua phản ứng pozzolanic. Khi xi măng thủy hóa, nó giải phóng canxi hydroxit (Ca(OH)2), một chất có ít tính chất kết dính và dễ bị hòa tan, gây ra lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông. Tro tuyển, với các thành phần silic oxit và nhôm oxit ở dạng vô định hình, sẽ phản ứng với Ca(OH)2 và nước để tạo ra các sản phẩm thủy hóa thứ cấp tương tự như sản phẩm thủy hóa của xi măng (C-S-H gel). Các sản phẩm này lấp đầy các mao quản và lỗ rỗng, làm cho cấu trúc bê tông trở nên đặc chắc hơn, giảm độ thấm và tăng cường độ ở tuổi dài. Ngoài ra, hiệu ứng vi hạt (filler effect) của tro tuyển cũng góp phần làm mịn cấp phối, giảm lượng nước yêu cầu và cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi. Nhờ đó, tro tuyển không chỉ cải thiện tính chất bê tông về cường độ mà còn nâng cao độ bền vững và khả năng chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt như nước biển.

IV. Hướng dẫn thiết kế cấp phối bê tông cảng Lạch Huyện sử dụng tro tuyển tối ưu

Việc thiết kế cấp phối bê tông cảng Lạch Huyện khi có sự tham gia của tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng đòi hỏi sự điều chỉnh cẩn thận để đạt được các mục tiêu về cường độ, độ bền và tính công tác. Đây là một quy trình kỹ thuật phức tạp, cần xem xét đến nhiều yếu tố như tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro tuyển, loại và liều lượng phụ gia siêu dẻo, tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD), cũng như đặc tính của các vật liệu cốt liệu. Mục tiêu là tạo ra một hỗn hợp bê tông tươi dễ thi công, có độ sụt phù hợp, không phân tầng hay tách nước, và khi đông cứng sẽ đạt được cường độ cao, khả năng chống thấm và độ bền sunfat vượt trội. Các phương pháp thiết kế cấp phối truyền thống cần được điều chỉnh để tích hợp hiệu quả vai trò của tro tuyển như một vật liệu pozzolanic và chất độn mịn. Việc áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm, như quy hoạch trực giao có tâm bậc hai, được đề xuất trong luận văn của Ngô Thị Hồng, có thể giúp tối ưu hóa thành phần cấp phối, đặc biệt khi có nhiều yếu tố cần khảo sát đồng thời. Phương pháp này cho phép đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các thành phần và xác định tỷ lệ tối ưu để đạt được các tính chất mong muốn của bê tông. Nghiên cứu của Hoàng Phó Uyên và cộng sự [19] đã đưa ra các cấp phối bê tông mác M150 và M200 sử dụng TT với tỷ lệ tương ứng 25% và 20% theo khối lượng chất kết dính, cho thấy tiềm năng thực tiễn của việc này. Việc này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng tro bay xây dựng bền vững. Sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng đúng cách trong thiết kế cấp phối sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đáng kể cho dự án cảng Lạch Huyện.

4.1. Nguyên tắc phối hợp tro tuyển và phụ gia siêu dẻo trong bê tông

Sự kết hợp giữa tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng và phụ gia siêu dẻo (PGSD) là một chiến lược hiệu quả để tối ưu hóa cấp phối bê tông. Tro tuyển giúp cải thiện tính công tác và cường độ ở tuổi dài, trong khi PGSD giúp giảm đáng kể lượng nước yêu cầu mà vẫn duy trì độ sụt cần thiết, tăng cường độ đặc chắc và giảm độ rỗng của bê tông. Nguyên tắc cơ bản là PGSD giúp phân tán các hạt xi măng và tro tuyển, ngăn ngừa sự vón cục, từ đó tối ưu hóa quá trình thủy hóa và phản ứng pozzolanic. Việc giảm tỷ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) nhờ PGSD, cùng với hiệu ứng lấp đầy của tro tuyển, tạo ra một ma trận bê tông dày đặc hơn, cải thiện đáng kể khả năng chống thấm và độ bền trong môi trường xâm thực. Luận chứng áp dụng tổ hợp Tro bay + Phụ gia siêu dẻo trong bê tông là một nội dung quan trọng trong nghiên cứu vật liệu và phương pháp, như được đề cập trong Chương 2 của tài liệu gốc.

4.2. Quy trình thiết kế cấp phối bê tông cảng Lạch Huyện với tro tuyển chi tiết

Quy trình thiết kế cấp phối bê tông cảng Lạch Huyện với tro tuyển bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu kỹ thuật cụ thể (mác bê tông, độ sụt, độ bền sunfat, chống thấm). Tiếp theo là lựa chọn vật liệu: xi măng, cát, đá, nước, tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng (đảm bảo chất lượng theo TCVN) và phụ gia siêu dẻo phù hợp. Sau đó, tiến hành xác định tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro tuyển (thường từ 15-30% theo khối lượng chất kết dính) và tỷ lệ N/CKD ban đầu. Các cấp phối thử nghiệm được chế tạo trong phòng thí nghiệm, kiểm tra tính công tác (độ sụt, độ tách nước), sau đó đúc mẫu và dưỡng hộ. Cường độ nén ở các tuổi 3, 7, 28, 90 ngày và các tính chất khác như độ chống thấm, độ bền sunfat sẽ được đánh giá. Dựa trên kết quả thực nghiệm, cấp phối sẽ được điều chỉnh lặp lại cho đến khi đạt được các tính chất mong muốn. Việc áp dụng phương trình toán học để thiết kế thành phần bê tông (như quy hoạch trực giao có tâm bậc hai) sẽ giúp tối ưu hóa quy trình này, giảm số lượng thí nghiệm và đạt được kết quả chính xác hơn, phù hợp với nội dung nghiên cứu trong Chương 3 của luận văn.

V. Đánh giá hiệu quả sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong dự án cảng

Việc đánh giá hiệu quả sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng cho bê tông biển là bước quan trọng để khẳng định tính khả thi và bền vững của giải pháp này. Các nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng thí điểm đã cung cấp những bằng chứng rõ ràng về những lợi ích mà tro tuyển mang lại. Không chỉ dừng lại ở việc cải thiện tính chất bê tông về mặt cơ lý, mà còn là những đóng góp tích cực vào khía cạnh kinh tế và môi trường. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông sử dụng tro tuyển có khả năng chống thấm tốt hơn, giảm thiểu sự xâm nhập của ion clorua, từ đó kéo dài tuổi thọ của cốt thép và cấu kiện bê tông trong môi trường nước biển. Điều này trực tiếp nâng cao độ bền vững và giảm chi phí bảo trì cho các công trình cảng biển như Cảng Lạch Huyện. Ngoài ra, việc thay thế một phần xi măng bằng tro tuyển cũng góp phần giảm giá thành sản xuất bê tông, đồng thời giảm lượng khí thải CO2 từ quá trình sản xuất xi măng, hướng tới một ngành xây dựng xanh hơn. Các nghiên cứu như của Vũ Hải Nam và cộng sự [10] đã chứng minh tro tuyển cải thiện cường độ ở các tuổi dài ngày và khả năng chống thấm của bê tông đầm lăn (BTĐL). Hoàng Phó Uyên và cộng sự [19] cũng nhận thấy cường độ bê tông sử dụng tro tuyển phát triển khá nhanh ở các tuổi muộn, gần bằng mẫu đối chứng ở tuổi 90 ngày, đồng thời có lượng nước yêu cầu nhỏ hơn. Những minh chứng này củng cố niềm tin vào tiềm năng to lớn của việc sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng cho các dự án xây dựng cảng quy mô lớn.

5.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên bê tông cảng Lạch Huyện

Các nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm luận văn thạc sĩ chuyên ngành công trình thủy, đã tập trung vào việc thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, áp dụng cho bê tông công trình cảng Lạch Huyện - Hải Phòng. Kết quả cho thấy bê tông có sử dụng tro tuyển đạt cường độ nén cao ở các tuổi dài ngày, khả năng chống thấm tốt và độ bền sunfat được cải thiện đáng kể so với bê tông đối chứng. Đặc biệt, đối với bê tông khối lớn, tro bay được ứng dụng rộng rãi nhờ tính chất giảm nhiệt thủy hóa và khả năng tăng cường độ, tăng khả năng chống thấm ở giai đoạn phát triển sau của bê tông (Vũ Hải Nam và cộng sự, [10]). Các mẫu thí nghiệm cho thấy cường độ ở tuổi 90 ngày của bê tông sử dụng tro tuyển gần bằng hoặc thậm chí cao hơn so với mẫu bê tông chỉ dùng xi măng, đồng thời giảm lượng nước yêu cầu, cải thiện tính công tác. Điều này khẳng định tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng là một phụ gia bê tông cảng hiệu quả.

5.2. Lợi ích sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong bê tông công trình thực tế

Việc sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong bê tông mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho các công trình cảng biển. Thứ nhất, nó giúp nâng cao độ bền vững của bê tông trước môi trường xâm thực, kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Thứ hai, giảm nhiệt thủy hóa, đặc biệt quan trọng cho bê tông khối lớn, hạn chế nguy cơ nứt do co ngót nhiệt. Thứ ba, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi, giúp thi công dễ dàng hơn. Thứ tư, giảm lượng xi măng cần thiết, từ đó giảm chi phí vật liệu và đóng góp vào mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường bằng cách giảm lượng khí thải CO2 từ sản xuất xi măng. Cuối cùng, việc này biến chất thải công nghiệp thành tài nguyên có giá trị, thúc đẩy tái chế tro xỉ nhiệt điện và phát triển kinh tế tuần hoàn. Tổng thể, đây là một giải pháp "win-win" cho cả nhà đầu tư, nhà thầu và môi trường.

VI. Tương lai bền vững Phát triển ứng dụng tro bay xây dựng tại Việt Nam

Tiềm năng của tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng trong ngành xây dựng, đặc biệt là cho các công trình hạ tầng trọng điểm như cảng Lạch Huyện, là rất lớn. Việc nhân rộng mô hình sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia bê tông cảng Lạch Huyện có thể mở ra một hướng đi mới, không chỉ giải quyết bài toán vật liệu cho các dự án lớn mà còn góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Để đạt được điều này, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý nhà nước, các nhà khoa học, doanh nghiệp sản xuất điện và các đơn vị xây dựng. Chính sách khuyến khích và các tiêu chuẩn kỹ thuật rõ ràng là cần thiết để thúc đẩy việc ứng dụng tro bay xây dựng một cách rộng rãi và hiệu quả. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc chuẩn hóa quy trình xử lý tro tuyển, tối ưu hóa các cấp phối bê tông cho từng loại công trình cụ thể, và đánh giá dài hạn về hiệu suất của bê tông sử dụng tro tuyển trong điều kiện thực tế. Sự phát triển của các công nghệ mới trong xử lý và tái chế tro xỉ nhiệt điện cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh của sản phẩm. Việt Nam có tiềm năng rất lớn để trở thành quốc gia tiên phong trong việc biến phế thải công nghiệp thành tài nguyên, góp phần vào mục tiêu phát triển xanh và bền vững. Việc sử dụng tro tuyển không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một cam kết về trách nhiệm xã hội và môi trường của ngành xây dựng.

6.1. Tiềm năng tái chế tro xỉ nhiệt điện và bảo vệ môi trường

Việt Nam sản xuất hàng triệu tấn tro xỉ nhiệt điện mỗi năm. Việc tái chế tro xỉ nhiệt điện thành vật liệu xây dựng là một giải pháp tối ưu để giảm thiểu tác động môi trường. Thay vì chôn lấp, gây ô nhiễm đất và nước, tro xỉ có thể được biến thành nguồn tài nguyên quý giá. Tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng, với chất lượng được cải thiện, là minh chứng rõ ràng cho tiềm năng này. Việc tái chế không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên (như đất sét để sản xuất xi măng, cát, đá), giảm chi phí xử lý chất thải và tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế. Phát triển các công nghệ và chính sách hỗ trợ việc tái chế tro xỉ sẽ mở ra cơ hội lớn cho kinh tế tuần hoàn và xây dựng bền vững tại Việt Nam.

6.2. Khuyến nghị và định hướng cho việc sử dụng tro tuyển quy mô lớn

Để thúc đẩy sử dụng tro tuyển nhiệt điện Hải Phòng quy mô lớn, cần có các khuyến nghị và định hướng rõ ràng. Thứ nhất, cần hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng tro tuyển làm phụ gia bê tông, đảm bảo tính đồng nhất và an toàn. Thứ hai, tăng cường nghiên cứu khoa học để tối ưu hóa cấp phối và ứng dụng cho các loại công trình khác nhau, không chỉ công trình cảng biển. Thứ ba, có chính sách hỗ trợ và khuyến khích các nhà máy nhiệt điện đầu tư vào công nghệ tuyển chọn và xử lý tro xỉ, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp xây dựng sử dụng sản phẩm này. Thứ tư, tổ chức các chương trình đào tạo, nâng cao nhận thức cho kỹ sư và công nhân về lợi ích và kỹ thuật ứng dụng tro bay xây dựng. Cuối cùng, cần có sự phối hợp liên ngành để tạo ra một chuỗi cung ứng và tiêu thụ tro tuyển hiệu quả, biến nó thành vật liệu xây dựng chủ lực trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nhiệt điện đốt than tại miền Bắc Việt Nam hàng năm thải ra hàng trăm triệu tấn tro xỉ, tạo nên áp lực môi trường vô cùng nặng nề. Điển hình tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng có công suất 1200 MW, bãi chứa chất thải rắn chiếm diện tích lên tới 65 ha và nằm cách nhà máy khoảng 3 km, tiềm ẩn nguy cơ thẩm thấu kim loại nặng vào nguồn đất và nguồn nước ngầm. Nhằm giải quyết bài toán môi trường đồng thời đáp ứng nhu cầu vật liệu xây dựng chất lượng cao cho các công trình hạ tầng biển, đề tài nghiên cứu đã tập trung phân tích khả năng tận dụng nguồn tro tuyển từ nhà máy nhiệt điện làm phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác định thành phần cấp phối bê tông tối ưu cho các mác M200, M250 và M300, áp dụng trực tiếp cho dự án xây dựng Cảng cửa ngõ quốc tế Lạch Huyện tại thành phố Hải Phòng trong giai đoạn thi công năm 2016. Luận văn đã thiết lập mô hình toán học giải quyết đồng thời các tiêu chí về cường độ nén, độ linh động của hỗn hợp và khả năng chống thấm nước trong môi trường biển xâm thực mạnh.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua các chỉ số định lượng: việc thay thế xi măng bằng tro tuyển kết hợp phụ gia siêu dẻo giúp nâng cao cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày từ 16% đến 25%, gia tăng khả năng chống thấm nước thêm trên 0,5 MPa so với bê tông thông thường, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí chất kết dính và giải phóng quỹ đất chứa phế thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng puzơlanic và cơ chế vi cấu trúc của chất kết dính hỗn hợp xi măng - tro bay. Trong thành phần khoáng hóa học, tro tuyển chứa hàm lượng silic đioxit vô định hình ($SiO_2$) đạt 67,7% và oxit nhôm ($Al_2O_3$) đạt 20,3%, đóng vai trò tác nhân phản ứng với lượng vôi tự do $Ca(OH)_2$ sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng poóc lăng để tạo thành mạng lưới tinh thể canxi hydrosilicat ($C-S-H$) bền vững và không tan.

Lý thuyết cơ học cấu trúc bê tông giải thích 4 hiệu ứng tương tác vi mô then chốt của tro tuyển:

1. Hiệu ứng tường chắn (Wall effect): Gia cố vùng giao diện chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu, ngăn chặn sự tích tụ xốp của vôi tự do và làm tăng mật độ liên kết liên pha.
2. Hiệu ứng ổ bi (Ball bearing effect): Nhờ hình thái hạt hình cầu tròn nhẵn với diện tích bề mặt riêng Blaine từ 250 đến 600 $m^2/kg$, tro tuyển giúp bôi trơn hỗn hợp, giảm ma sát nội và giảm nhu cầu nước nhào trộn từ 8,8% đến 19,4%.
3. Hiệu ứng phân tán (Dispersion effect): Các vi hạt tro len lỏi vào giữa các cụm hạt xi măng, thúc đẩy diện tích tiếp xúc với nước để đẩy nhanh quá trình thủy hóa.
4. Hiệu ứng chèn đầy (Packing density effect): Lấp đầy các vi lỗ rỗng trong cấu trúc thạch cao xi măng, nâng cao độ đặc chắc toàn khối.

Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật làm căn cứ đối chuẩn bao gồm ASTM C618:2003, TCVN 6882:2001 đối với phụ gia khoáng tro bay và TCVN 6016:2011 đối với phương pháp thử cơ lý của xi măng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình thí nghiệm kiểm định nghiêm ngặt các vật liệu thành phần địa phương:

• Tro tuyển từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng được phân tách với khối lượng riêng 2,15 $g/cm^3$, lượng mất khi nung (MKN) đạt 4,2% và tỷ lệ sót trên sàng kích thước 75 µm là 6,4%.
• Xi măng poóc lăng PC30 Chinfon Hải Phòng có diện tích bề mặt riêng 3125 $cm^2/g$, cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt 34,7 MPa.
• Cát sông Lô có mô đun độ lớn 2,54, độ rỗng 45,2% và hàm lượng bùn sét 0,5%.
• Đá dăm Kiện Khê có kích thước hạt $D_{max} = 20$ mm, khối lượng thể tích 1,47 $g/cm^3$ và độ rỗng 44,3%.
• Phụ gia siêu dẻo Sikament R4 gốc Lignosulfonat có khối lượng thể tích từ 1,14 đến 1,16 kg/lít.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp quy hoạch toán học thực nghiệm trực giao có tâm bậc 2 (Orthogonal Central Composite Design). Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế với 4 yếu tố ảnh hưởng ($n = 4$), bao gồm 25 điểm thí nghiệm ($N = 2^4 + 2 \times 4 + 1 = 25$) đại diện cho các tổ hợp thông số công nghệ khác nhau. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 7572-1:2006 nhằm đảm bảo tính ngẫu nhiên và đại diện.

Lý do lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2 kết hợp phần mềm Maple là nhằm khắc phục hạn chế tốn kém thời gian và chi phí của thực nghiệm cổ điển, đồng thời xây dựng được phương trình hồi quy phi tuyến đa biến mô tả chính xác tương tác phức tạp giữa tỷ lệ nước/chất kết dính ($N/CKD$), hàm lượng tro tuyển ($TT/CKD$) và liều lượng phụ gia siêu dẻo tới các hàm mục tiêu gồm cường độ chịu nén và độ chống thấm nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và giải bài toán tối ưu trên mô hình toán học đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

• Gia tăng cường độ chịu nén ở tuổi muộn: Việc thay thế xi măng bằng tro tuyển ở tỷ lệ tối ưu từ 10% đến 20% giúp cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày tăng trưởng từ 16% đến 25% khi kết hợp 0,8% phụ gia siêu dẻo Sikament R4. Ở tuổi sớm (dưới 7 ngày), cường độ phát triển chậm hơn từ 10% đến 15%, nhưng sau 28 ngày đến 90 ngày, tốc độ phát triển cường độ vượt trội hoàn toàn so với mẫu đối chứng không sử dụng phụ gia khoáng.
• Nâng cao khả năng chống thấm nước vượt trội: Khả năng chống thấm nước của các mẫu cấp phối chứa 10% tro tuyển kết hợp 0,8% phụ gia siêu dẻo đạt mức tăng trung bình từ 0,5 MPa đến 0,7 MPa (tương đương tăng từ 5 đến 7 at). Cụ thể, mẫu mác M30 có khả năng chống thấm đạt 1,2 MPa so với mức 0,7 MPa của mẫu đối chứng.
• Tối ưu hóa độ linh động và độ sụt hỗn hợp: Dữ liệu tính toán cấp phối cho thấy hỗn hợp bê tông duy trì ổn định các dải độ sụt yêu cầu ở mức 4 cm, 8 cm và 12 cm. Hiệu ứng bôi trơn của tro tuyển giúp giảm thiểu hiện tượng phân tầng và mất nước khi bơm bê tông khối lớn.
• Độ nhạy cao với điều kiện dưỡng hộ nhiệt đới: Thí nghiệm so sánh trong 3 môi trường đóng rắn cho thấy mẫu bê tông không được bảo dưỡng trong điều kiện nắng nóng mùa hè bị suy giảm 14% đến 20% cường độ nén và sụt giảm 40% đến 43% khả năng chống thấm nước so với mẫu được bảo dưỡng ẩm tiêu chuẩn trong 7 ngày đầu.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia tăng cường độ và tính chống thấm của bê tông chứa tro tuyển được giải thích bằng sự chuyển hóa pha khoáng trong cấu trúc đá xi măng. Phản ứng puzơlanic tiêu thụ vôi tự do giúp tái cấu trúc các lỗ rỗng mao dẫn có đường kính lớn thành các vi lỗ rỗng kín, ngăn chặn sự xâm nhập của ion clo ($Cl^-$) và ion sunfat ($SO_4^{2-}$) vốn rất dồi dào trong môi trường nước biển Lạch Huyện.

Khi so sánh với các công bố khoa học quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương thích với các kết luận về bê tông tro bay hàm lượng cao của các tác giả trên thế giới, khẳng định rằng tro bay loại F phát huy hiệu quả liên kết tối đa sau 28 ngày đóng rắn.

Dữ liệu thực nghiệm của luận văn được trực quan hóa qua hệ thống các bảng ma trận quy hoạch bậc 2 và đồ thị hồi quy 3 chiều biểu diễn mối quan hệ giữa biến số mã hóa với hàm mục tiêu cường độ chịu nén và chỉ số chống thấm. Các đồ thị này thể hiện rõ điểm cực trị cục bộ, cho phép kỹ sư lựa chọn chính xác tỷ lệ $N/CKD$ tối ưu từ 0,40 đến 0,48 tương ứng với từng mác thiết kế M200, M250 và M300 mà không cần thử nghiệm dò dẫm tại hiện trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán cấp phối và khảo sát thực tế tại công trình Cảng Lạch Huyện, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

• Chuẩn hóa quy trình thiết kế cấp phối cho công trình cảng biển: Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công cần áp dụng định mức cấp phối sử dụng từ 10% đến 20% tro tuyển thay thế xi măng poóc lăng kết hợp 0,8% phụ gia siêu dẻo Sikament R4 cho các hạng mục bê tông mác 200, 250 và 300, nhằm đảm bảo độ sụt từ 4 cm đến 12 cm và chỉ số chống thấm nước đạt tối thiểu B8 đến B12.
• Kiểm soát chặt chẽ chỉ tiêu kỹ thuật tro tuyển đầu vào: Ban quản lý chất lượng dự án phải duy trì kiểm định thường xuyên lượng mất khi nung của tro tuyển dưới ngưỡng 6,0% và lượng sót trên sàng 75 µm không vượt quá 6,4% theo tiêu chuẩn ASTM C618:2003 trước khi đưa vào trạm trộn bê tông thương phẩm.
• Thực hiện nghiêm ngặt quy trình dưỡng hộ ẩm ban đầu: Bộ phận giám sát thi công tại hiện trường cần bắt buộc áp dụng biện pháp phủ vải ẩm hoặc phun màng bảo dưỡng liên tục trong tối thiểu 7 ngày đầu tiên nhằm khống chế hiện tượng bốc hơi nước nhanh, hạn chế ứng suất co ngót nhiệt và đảm bảo cường độ đóng rắn không bị suy giảm trong điều kiện nắng nóng ven biển.
• Đầu tư công nghệ tuyển tro công nghiệp tại Hải Phòng: Sở Xây dựng thành phố Hải Phòng và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu cần hợp tác xây dựng dây chuyền tuyển tách tro khô và tro ướt hiện đại công suất ước tính trên 100.000 tấn/năm tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, giúp giảm chi phí mua phụ gia khoáng từ 15% đến 20% cho các dự án hạ tầng duyên hải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình thủy - cảng biển: Ứng dụng phương pháp luận và bảng tra cấp phối thực nghiệm để lập hồ sơ thiết kế kết cấu bê tông khối lớn, cọc bến cảng, đê chắn sóng có khả năng chống xâm thực muối biển cao.
• Doanh nghiệp sản xuất bê tông thương phẩm và bê tông đúc sẵn: Khai thác công thức phối trộn tổ hợp tro tuyển và phụ gia siêu dẻo Sikament R4 để hạ giá thành vật liệu đầu vào, nâng cao độ linh động của bê tông bơm cho các công trình cao tầng và công trình ngầm.
• Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và xây dựng: Sử dụng dữ liệu khoa học của đề tài làm cơ sở xây dựng chính sách thúc đẩy tái chế tro xỉ nhiệt điện theo định hướng kinh tế tuần hoàn, giải quyết triệt để bài toán chiếm dụng đất của các hồ chứa chất thải 65 ha.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Tham khảo quy trình ứng dụng toán quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 kết hợp phần mềm Maple để xử lý bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu trong nghiên cứu vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

Việc sử dụng tro tuyển có làm chậm tiến độ thi công do cường độ sớm phát triển chậm không? Tro tuyển làm chậm tốc độ thủy hóa ban đầu, khiến cường độ ở tuổi dưới 7 ngày thấp hơn bê tông thường khoảng 10% đến 15%. Tuy nhiên, trong các kết cấu công trình thủy và bê tông khối lớn, đặc tính này lại rất có lợi vì giúp giảm nhiệt thủy hóa từ 8 đến 12 độ C, ngăn ngừa nứt nhiệt. Cường độ tuổi 28 đến 90 ngày sẽ tăng trưởng bù và vượt từ 16% đến 25%.

Tại sao bắt buộc phải sử dụng kết hợp tro tuyển với phụ gia siêu dẻo? Tro tuyển có độ mịn cao nên nếu không có phụ gia, lượng nước nhào trộn sẽ tăng lên để duy trì độ linh động, dẫn đến tăng lỗ rỗng khi đóng rắn. Phụ gia siêu dẻo Sikament R4 với liều lượng 0,8% giúp giảm lượng nước trộn từ 8,8% đến 19,4% mà vẫn duy trì độ sụt thiết kế 4 đến 12 cm, đảm bảo cấu trúc bê tông đặc chắc.

Tro tuyển của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng có đáp ứng yêu cầu dùng cho bê tông kết cấu không? Tro tuyển của nhà máy sau khi tách tuyển đạt hàm lượng $SiO_2$ 67,7%, lượng mất khi nung 4,2% (dưới mức trần 6%) và độ mịn sót sàng 75 µm là 6,4%, hoàn toàn thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe của tiêu chuẩn TCVN 6882:2001 và ASTM C618:2003 đối với tro bay loại F dùng trong bê tông xây dựng.

Việc sử dụng tro tuyển mang lại lợi ích kinh tế cụ thể như thế nào cho dự án Cảng Lạch Huyện? Ứng dụng tro tuyển giúp thay thế trực tiếp từ 10% đến 20% lượng xi măng poóc lăng thương phẩm đắt tiền bằng nguồn phụ gia phế thải giá rẻ, giảm chi phí nguyên liệu cho mỗi mét khối bê tông ước tính từ 8% đến 12%, đồng thời kéo dài tuổi thọ công trình cảng biển thêm nhiều năm nhờ tăng khả năng chống thấm nước.

Nếu không bảo dưỡng ẩm đầy đủ trong mùa hè thì bê tông tro tuyển bị ảnh hưởng ra sao? Kết quả thực nghiệm khẳng định nếu không bảo dưỡng ẩm ngoài trời nắng nóng miền Bắc, sự mất nước nhanh khiến cường độ nén 28 ngày giảm từ 14% đến 20% và độ chống thấm nước giảm nghiêm trọng từ 40% đến 43%. Do đó, quy trình dưỡng ẩm phủ màng 7 ngày đầu là điều kiện tiên quyết bắt buộc.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện thành phần khoáng hóa và cơ lý của tro tuyển Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng với hàm lượng $SiO_2$ đạt 67,7% và $MKN = 4,2%$, khẳng định tiềm năng thay thế xi măng poóc lăng chất lượng cao.
• Ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch toán học thực nghiệm trực giao bậc 2 với 25 điểm thí nghiệm, thiết lập phương trình hồi quy chính xác tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông.
• Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu gồm 10% đến 20% tro tuyển kết hợp 0,8% phụ gia siêu dẻo Sikament R4, giúp tăng cường độ nén 28 ngày từ 16% đến 25% và tăng độ chống thấm trên 0,5 MPa.
• Đóng góp quan trọng vào việc bảo vệ môi trường, giải phóng quỹ đất 65 ha hồ chứa phế thải nhiệt điện và cung cấp giải pháp vật liệu bền vững cho dự án Cảng quốc tế Lạch Huyện.
• Các đơn vị quản lý và nhà thầu xây dựng cần sớm triển khai áp dụng bộ thông số cấp phối mác 200, 250, 300 vào thực tiễn thi công các gói thầu hạ tầng ven biển để nâng cao chất lượng công trình và tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu.1 Xi măng Thí nghiệm tính chất cơ lý của xi măng.2 Cát Thí nghiệm thành phần cỡ hạt, các tính chất cơ bản khác của cát như: khối lượng thể tích, độ rỗng.3 Đá Thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản của đá như: khối lượng thể tích, độ rỗng, kích thước hạt nhỏ nhất, lớn nhất.5 Phụ gia - Thí nghiệm phân tích thành phần hóa học của tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng - Phân tích đặc tính kỹ thuật của phụ gia hóa học (siêu dẻo).2 Phương pháp nghiên cứu - Các phương pháp lý thuyết xác định thành phần tối ưu sử dụng tro tuyển dùng trong bê tông. Lựa chọn phương pháp quy hoạch toán học thực nghiệm để xác định thành phần tối ưu tro tuyển nhà máy nhiệt điện Hải Phòng sử dụng trong bê tông thi công công trình cảng Lạch Huyện - Hải Phòng. Kết luận chương 2 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO TUYỂN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HẢI PHÒNG, ÁP DỤNG CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH CẢNG LẠCH HUYỆN - HẢI PHÒNG 3.

Thiết kế thành phần bê tông sử dụng tro tuyển dựa trên nền tảng phương pháp quy hoạch toán học thực nghiệm. Lựa chọn thành phần tối ưu của bê tông sử dụng tro tuyển của nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng.Thiết kếcấp phối cho bê tông công trình cảng Lạch Huyện - Hải Phòng.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế do việc sử dụng tro tuyển nhà máy Nhiệt điện Hải phòng. Kết luận chương 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG TRO BAY TRONG BÊ TÔNG 1. Khái niệm và tính chất của tro bay.

Tro bay là phế thải thu được từ việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện, thành phần của nó chứa các silic oxit (SiO2), canxi oxit (CaO), Magie oxit (MgO), lưu huỳnh oxit (SO2) và một phần hàm lượng than chưa cháy (MKN) mà thường yêu cầu không vượt quá 6%. Hạt tro bay dạng hình cầu rất mịn, mịn hơn xi măng tỷ diện đo theo phương pháp Blaine vào khoảng 250 – 600m2/kg Hình 1.1 Hình dạnh cấu trúc hạt tro bay Để có cơ sở cho việc sử dụng TT một cách hiệu quả trong bê tông, đề tài đưa ra cơ sở khoa học trong việc sử dụng TT nói riêng và Tro bay nói chung như sau: + Hiệu ứng tường chắn (wall effect): Khi xi măng thủy hóa, sản phẩm thủy hóa là Ca(OH)2 sẽ lắng đọng lên bề mặt hạt cốt liệu làm cho vùng giao diện chuyển tiếp (Interfacal Transition Zone –ITZ) giữa cốt liệu và đá xi măng bị rỗng xốp làm giảm sự bám dính giữa chúng. Cơ chế này có thể giải thích như sau: trên bề mặt hạt xi măng cóđộ đậm đặc của các ion cao hơn 7 trên bềmặt cốt liệu, các ion sẽchuyển dịch từbềmặt hạt xi măng lên bềmặt hạt cốt liệu theo cơ chế khuếch tán bởi građien nồng độ. Vì vậy, khi sử dụng tro bay có thành phần SiO2 hoạt tính chúng sẽ nhanh chóng tác dụng với sản phẩm thuỷ hóa có trên bề mặt hạt cốt liệu tạo ra các sản phẩm CSH làm tăng cường độ, tăng độ đặc chắc vùng giao diện chuyển tiếp, làm tăng độ bám dính giữa đá xi măng và hạt cốt liệu.

Chính vì vậy, đối với bê tông chỉ sử dụng xi măng poóc lăng, thì khả năng chống thấm của bê tông thường thấp hơn so với bê tông có sử dụng thêm phụ gia khoáng hoạt tính. Điều này có thể giải thích là do bề mặt tiếp xúc giữa đá xi măng và cốt liệu là vùng tiếp xúc yếu dễ bị thấm nước. Khi pha phụ gia khoáng hoạt tính, thì sự liên kết của lớp tiếp xúc này tăng lên, tăng độ đặc chắc giữa phần đá xi măng và cốt liệu, dẫn đến tăng tính chống thấm cho bê tông. Ngoài việc tăng cường khả năng chống thấm, do vùng giao diện chuyển tiếp được làm đặc chắc, cường độ của bê tông cũng được cải thiện rõ rệt khi bê tông có sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính.

Điều này thể hiện rõ đối với cường độ bê tông ở các tuổi dài lâu. + Hiệu ứng ổ bi (Ball Bearing Effect): khi thay thế xi măng bằng tro bay, do các hạt tro bay có dạng hình cầu nên chúng có tác dụng bôi trơn, làm tăng tính công tác cho hỗn hợp bê tông hay để đạt được cùng tính công tác thì hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay sẽ cần lượng nước nhào trộn ít hơn hỗn hợp bê tông không sử dụng tro bay. + Hiệu ứng phân tán (Dispersion Effect): trong hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay, các hạt tro bay sẽ xâm nhập vào trong giữa các hạt xi măng và tách các hạt xi măng ra làm cho bề mặt các hạt xi măng này tiếp xúc nhiều hơn với nước tăng nhanh quá trình thủy hóa của các hạt xi măng. + Hiệu ứng tăng độ đặc chắc vi cấu trúc (Increased Packing Density): tro bay sử dụng trong bê tông bổ xung thành phần hạt còn thiếu trong xi măng 8 làm cho dải hạt trởnên liên tục, làm giảm lỗrỗng trongđá xi măng.

Các hạt tro bay một phần tham gia phản ứng puzơlanic, tạo khoáng có cường độmột phần tham gia điền đầy cấu trúc vi mô, làm cho đá xi măng trở nên đặc chắc. Theo các kết quả nghiên cứu của TS. Phạm Toàn Đức [3], với cùng hàm lượng xi măng và độ lưu động của hỗn hợp bê tông, những mẫu có sử dụng tro tuyển+siêu dẻo có cường độ cao hơn từ 16-25 %, khả năng chống thấm cao hơn 0,5 MPa. Nguyên nhân do sử dụng chất siêu dẻo làm giảm lượng nước cần của hỗn hợp bê tông làm giảm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông đồng nghĩa với việc tăng độ chặt của bê tông đóng rắn.

Trong khi đó, tro tuyển ngoài vai trò là chất độn nghiền mịn lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu còn tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng nên cường độ và khả năng chống thấm của bê tông được nâng cao rõ rệt. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, ở độ tuổi ngắn ngày tro tuyển với hàm lượng 10% xi măng ít có tác dụng trong việc cải thiện cường độ bê tông. Sự gia tăng cường độ bê tông chủyếu do chất siêu dẻo giảm nước. Tác dụng của tro tuyển sẽ càng thấy rõ ở các tuổi 28, 60, 90 và 120 ngày.

[3] Việc sử dụng tro tuyển với hàm lượng 10% xi măng giúp cải thiện đáng kể độ chống thấm của bê tông do cấu trúc của tro tuyển là các hạt hình cầu nằm giữa không gian giữa các hạt cốt liệu cũng như lỗ rỗng trong cấu trúc của tinh thể hydro silicat, hydro aluminat… Có thể thấy rõ tác dụng của tro tuyển trong cấu trúc bê tông ở hình 1. Cấu trúc tro tuyển Hình 1.2b Cấu trúc bê tông không sử dụng tro tuyển 10 Hình 1.2c Cấu trúc bê tông có sử dụng tro tuyển Hình 1.2a : cho thấy tro tuyển có cấu trúc hình cầu.2b: cho thấy cấu trúc của bê tông không có tro tuyển có cấu trúc rỗng rõ ràng, không đặc chắc.2c: cho thấy cấu trúc của bê tông có tro tuyển đặc chắc hơn nên có khả năng chống thấm tốt hơn. Tro tuyển (TT) đã được nghiên cứu sử dụng từ cuối những năm 80 của thế kỷ trước. Ứng dụng TT cho bê tông trở nên phổ biến khi bắt đầu sử dụng bê tông trong xây dựng các đập thủy lợi, thủy điện.

Trong thời gian tới, hàng loạt các nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động sẽ cho ra một lượng tro xỉ lớn, nếu không sử dụng sẽ gây ô nhiễm môi trường. Đặc điểm của hầu hết các sản phẩm tro xỉ này đều có tính chất tương tự như tro xỉ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng. Do vậy việc nghiên cứu sử dụng TT sẽ là cơ sở giúp cho việc sử dụng các sản phẩm tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện khác.3 giới thiệu vềxưởng tách Tro tuyển của công ty cổphần Sông Đà Cao Cường được sử dụng để tách Tro xỉ than của nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Tro tuyển đã được sử dụng ở các công trình thủy điện như Sơn La, Sông Tranh 2, Bản Chát… Hình 1.3 Xƣởng tách Tro của công ty Cổ Phần Sông Đà Cao Cƣờng Hiện nay, tại Việt Nam tro bay nhiệt điện là loại phụ gia khoáng mịn phổ biến có nhiều nguồn cung cấp, hạt tro bay có hình dạng cầu kích thước tương tự hạt xi măng. Trong tro bay có thành phần SiO 2 ở dạng vô định hình tác dụng với vôi dư trong xi măng tạo thành hợp chất CSH có cường độ.

Nó có những tác dụng chủ yếu đối với hỗn hợp bê tông tươi và bê tông đóng rắn như sau: - Giảm khả năng tách nước, phân tầng của hỗn hợp bê tông. - Làm chậm thời gian đóng rắn của hỗn hợp bê tông 12 - Giảm nhiệt thủy hóa của bê tông - Tăng cường độ, tăng khả năng chống xâm thực của bê tông Một số đặc điểm khác biệt giữa bê tông truyền thống và bê tông hàm lượng tro bay cao được đưa ra như sau: - Dễ dàng đạt độ chảy cũng như khả năng bơm, khả năng lèn chặt. - Có bề mặt sau khi thi công tốt hơn, thời gian thi công nhanh hơn. - Thời gian đông kết chậm hơn.

- Cường độ bê tông sẽ đạt được sau tuổi 28-90 ngày hoặc muộn hơn. - Có độ ổn định kích thước tốt. Ngăn cản các vết nứt do nhiệt, do co tự nhiên, do co khô. - Sau 3 tháng bảo dưỡng có khả năng chống lại sự xâm nhập ion Cl- cao (thí nghiệm theo ASTM C1202).

- Có độ bền chống mài mòn, phản ứng kiềm – silic, ăn mòn sunphát. - Có hiệu quả kinh tế do giá thành vật liệu đầu vào thấp. - Thân thiện với môi trường, giảm khí thải cácbon, tăng nguồn nguyên vật liệu đầu vào cho ngành xây dựng. Tình hình nghiên cứu sử dụng Tro bay trong bê tông trên thế giới và Việt Nam.

Tình hình nghiên cứu sử dụng Tro bay trong bê tông trên thế giới Việc nghiên cứu bê tông có hàm lượng tro bay cao đã được thực hiện từ đầu những năm 80 của thế kỷ 20. Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát 13 triển, đã đạt được những kết quảquan trọng như: chếtạo được bê tông có hàm lượng tro bay cao (High Volume Fly Ash Concrete - HVFAC), bê tông chất lượng cao có hàm lượng tro bay cao (High Performance, High Volume Fly Ash Concrete – HPVFAC).