Luận văn: Dùng xỉ than thay thế cát chế tạo bê tông áo đường tại Trà Vinh

Luận văn nghiên cứu ứng dụng xỉ than thay thế cát chế tạo bê tông làm đường bộ tại Trà Vinh. Giải pháp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Lương Minh Trung
• Người hướng dẫn: Ts. Huỳnh Phương Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xỉ than thay thế một phần cát để chế tạo bê tông xi măng đóng cho kết cấu áo đường ô tô từ cấp IV trở xuống trên địa bàn tỉnh Trà Vinh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Kết quả dự kiến
• Bố cục đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG XỈ THAN, ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN TRÀ VINH
• 1.1. Tổng quan về xỉ than
• 1.1.1. Khái niệm về xỉ than
• 1.1.2. Ưu nhược điểm của xỉ than
• 1.1.2.1. Ưu điểm
• 1.1.2.2. Nhược điểm
• 1.1.3. Tình hình sử dụng xỉ than trên thế giới
• 1.1.4. Tình hình sử dụng xỉ than ở Việt Nam
• 1.2. Các vấn đề liên quan đến xỉ than nhà máy nhiệt điện Duyên Hải
• 1.3. Định hướng phát triển giao thông nông thôn tỉnh Trà Vinh
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO, THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG
• 2.1. Tính chất cơ lý của vật liệu đầu vào
• 2.2. Tính chất lý hóa của xỉ than nhà máy nhiệt điện Duyên Hải
• 2.2.1. Thành phần hóa học
• 2.2.2. Khối lượng riêng, thành phần hạt và mô đun độ lớn
• 2.3. Thiết kế cấp phối bê tông
• 2.3.1. Cấp phối đối chứng (không dùng xỉ than)
• 2.3.2. Các cấp phối bê tông sử dụng xỉ than thay thế một phần cát
• 2.4. Các thí nghiệm đánh giá tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông
• 2.4.1. Thí nghiệm đo độ sụt của hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn
• 2.4.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông
• 2.4.3. Thí nghiệm xác định cường độ chịu uốn của bê tông
• 2.4.4. Thí nghiệm xác định độ hút nước của bê tông
• 2.5. Yêu cầu kỹ thuật của bê tông xi măng cho kết cấu áo đường từ cấp IV trở xuống
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XỈ THAN NHIỆT ĐIỆN DUYÊN HẢI THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG CHO ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ TỪ CẤP IV TRỞ XUỐNG
• 3.1. Kết quả thí nghiệm và bàn luận các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông sử dụng xỉ than nhiệt điện Duyên Hải thay thế một phần cát
• 3.1.1. Độ sụt của hỗn hợp bê tông
• 3.1.2. Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian
• 3.1.2.1. Phân tích kết quả và bàn luận
• 3.1.3. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông
• 3.1.4. Độ hút nước của bê tông
• 3.1.5. Nhận xét chung về tỉ lệ thay thế xỉ than cho cát
• 3.2. Thiết kế kết cấu mặt đường bê tông xi măng cấp IV trở xuống bằng bê tông dùng xỉ than nhiệt điện Duyên Hải thay thế một phần cát
• 3.2.1. Nguyên tắc thiết kế: Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [18]
• 3.2.2. Tính toán cho 3 cấp phối bê tông X0, X20 và X40
• 3.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường
• 3.3.1. Hiệu quả kinh tế
• 3.3.2. Hiệu quả về mặt môi trường
• 3.4. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan giải pháp ứng dụng xỉ than cho bê tông đường bộ

Việc tìm kiếm các vật liệu xây dựng bền vững đang là xu hướng tất yếu của ngành xây dựng toàn cầu. Trong bối cảnh đó, ứng dụng xỉ than thay thế cát làm bê tông đường bộ nổi lên như một giải pháp đột phá, giải quyết đồng thời hai vấn đề lớn: xử lý chất thải công nghiệp và khan hiếm tài nguyên cát tự nhiên. Xỉ than, một sản phẩm phụ từ các nhà máy nhiệt điện, thường được coi là chất thải cần chôn lấp, gây tốn kém chi phí và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, các nghiên cứu khoa học, tiêu biểu là luận văn của Lương Minh Trung (2017) về việc sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, đã chứng minh tiềm năng to lớn của vật liệu này. Khi được xử lý và sử dụng đúng cách, xỉ than có thể trở thành một loại cốt liệu mịn thay thế hiệu quả cho cát trong sản xuất bê tông. Giải pháp này không chỉ giúp tái chế chất thải công nghiệp mà còn góp phần tạo ra bê tông xanh, một loại vật liệu thân thiện với môi trường hơn. Việc giảm sự phụ thuộc vào cát sông giúp bảo vệ hệ sinh thái ven sông, giảm thiểu sạt lở và các tác động tiêu cực khác. Hơn nữa, việc tận dụng nguồn phế thải dồi dào tại địa phương giúp giảm chi phí vận chuyển vật liệu, từ đó hạ giá thành công trình, đặc biệt có ý nghĩa với các dự án xây dựng nền đường giao thông nông thôn, nơi nguồn vốn còn hạn hẹp. Đây là một hướng đi chiến lược, phù hợp với định hướng phát triển bền vững, mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường.

1.1. Xỉ than nhiệt điện là gì và tiềm năng trong xây dựng

Xỉ than nhiệt điện, bao gồm tro bay và xỉ đáy lò, là phần chất vô cơ không cháy còn lại sau quá trình đốt than trong các nhà máy điện. Thay vì là chất thải, thành phần hóa học của chúng, chủ yếu là các oxit silic, nhôm, sắt, canxi, khá tương đồng với các thành phần của vật liệu xây dựng truyền thống. Chính vì vậy, xỉ than được xem là một phụ gia khoáng hoạt tính tiềm năng hoặc một vật liệu thay thế cát tự nhiên. Đặc tính hạt nhỏ, góc cạnh và bề mặt rỗng của xỉ than có thể cải thiện một số tính chất cơ học của bê tông khi được sử dụng ở tỷ lệ hợp lý. Nó không chỉ đóng vai trò là chất độn mà còn có thể tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng, lấp đầy các lỗ rỗng vi mô, làm tăng độ đặc chắc và cường độ dài hạn cho bê tông. Tiềm năng này mở ra cơ hội sản xuất các loại vật liệu xây dựng không nung và bê tông cường độ cao với chi phí thấp hơn.

1.2. Hướng tới bê tông xanh Giảm phát thải CO2 và tái chế

Khái niệm bê tông xanh nhấn mạnh việc sử dụng các vật liệu tái chế và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường trong suốt vòng đời của sản phẩm. Việc sử dụng xỉ than trong bê tông là một ví dụ điển hình. Quá trình sản xuất xi măng là một trong những nguồn phát thải khí CO2 lớn nhất. Bằng cách thay thế một phần cốt liệu (cát) và tiềm năng thay thế một phần xi măng (bằng tro bay), chúng ta có thể giảm phát thải CO2 một cách đáng kể. Hơn nữa, việc tái chế chất thải công nghiệp như xỉ than giúp giảm áp lực lên các bãi chôn lấp, tiết kiệm tài nguyên đất và ngăn ngừa ô nhiễm đất, nước. Đây là một giải pháp môi trường trong xây dựng hiệu quả, phù hợp với các cam kết quốc gia về bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn, biến chất thải của ngành này thành tài nguyên quý giá cho ngành khác.

II. Thách thức môi trường Bài toán xử lý xỉ than và cát tự nhiên

Ngành xây dựng hiện đại đang đối mặt với hai thách thức môi trường lớn song hành cùng nhau. Thứ nhất là vấn đề xử lý xỉ than nhiệt điện từ các nhà máy điện đang hoạt động với công suất ngày càng tăng. Theo thống kê từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh), mỗi năm có hàng triệu tấn tro xỉ được thải ra, tạo áp lực khổng lồ lên môi trường và quỹ đất dành cho việc chôn lấp. Nếu không có giải pháp xử lý triệt để, lượng xỉ than này sẽ gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đất và không khí do chứa các kim loại nặng và bụi mịn. Thứ hai là sự cạn kiệt nguồn cát tự nhiên. Việc khai thác cát sông quá mức để phục vụ nhu cầu xây dựng đã gây ra những hệ lụy nghiêm trọng như sạt lở bờ sông, thay đổi dòng chảy, phá hủy hệ sinh thái thủy sinh và ảnh hưởng đến đời sống của người dân. Thực trạng này đòi hỏi phải có các vật liệu thay thế cát tự nhiên một cách bền vững. Việc nghiên cứu ứng dụng xỉ than không chỉ là một sáng kiến khoa học mà còn là một yêu cầu cấp thiết để giải quyết đồng thời cả hai bài toán trên, hướng đến một ngành công nghiệp xây dựng ít phụ thuộc vào tài nguyên không thể tái tạo và có trách nhiệm hơn với môi trường.

2.1. Vấn nạn chôn lấp chất thải công nghiệp từ nhà máy điện

Các nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là các nhà máy sử dụng công nghệ lò than phun, tạo ra một lượng lớn chất thải công nghiệp rắn, chủ yếu là tro bay và xỉ đáy lò. Phương pháp xử lý phổ biến nhất hiện nay là chôn lấp tại các bãi chứa chuyên dụng. Tuy nhiên, giải pháp này không bền vững. Các bãi chôn lấp chiếm diện tích đất lớn, có nguy cơ rò rỉ các chất ô nhiễm vào môi trường xung quanh, đặc biệt là trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa lớn. Chi phí vận hành và quản lý các bãi chôn lấp cũng rất tốn kém. Do đó, việc tìm kiếm các phương án tái chế chất thải công nghiệp để biến chúng thành vật liệu có ích là một ưu tiên hàng đầu, giúp giảm gánh nặng môi trường và tạo ra giá trị kinh tế mới.

2.2. Khai thác cát tự nhiên và những hệ lụy nghiêm trọng

Cát là thành phần cốt liệu không thể thiếu trong sản xuất bê tông truyền thống. Nhu cầu xây dựng bùng nổ đã đẩy mạnh hoạt động khai thác cát sông đến mức báo động. Theo tài liệu tham khảo (Hình 3.7 trong luận văn gốc), hiện tượng sạt lở bờ sông ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long là một minh chứng rõ nét cho hậu quả của việc khai thác cát thiếu kiểm soát. Hoạt động này làm mất cân bằng trầm tích, gây xói mòn, làm thay đổi địa hình lòng sông và ảnh hưởng tiêu cực đến đa dạng sinh học. Việc tìm ra và tiêu chuẩn hóa các vật liệu thay thế cát tự nhiên, như xỉ than, cát nghiền, hay các loại phế thải xây dựng khác, là con đường tất yếu để bảo vệ tài nguyên và đảm bảo sự phát triển bền vững cho ngành xây dựng.

III. Phương pháp nghiên cứu xỉ than thay thế cát làm bê tông

Để đánh giá khả năng ứng dụng xỉ than thay thế cát làm bê tông đường bộ, một quy trình nghiên cứu thực nghiệm chặt chẽ đã được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN. Nghiên cứu của Lương Minh Trung (2017) tập trung vào nguồn xỉ than từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải và các vật liệu địa phương tại Trà Vinh. Quá trình bắt đầu bằng việc phân tích chi tiết các đặc tính vật lý và hóa học của xỉ than, bao gồm thành phần hóa học, khối lượng riêng, thành phần hạt và mô đun độ lớn. Dựa trên các kết quả này, các cấp phối bê tông được thiết kế với các tỷ lệ thay thế xỉ than cho cát khác nhau: 0% (cấp phối đối chứng X0), 20% (X20), 40% (X40) và 60% (X60) theo khối lượng. Các mẫu bê tông sau đó được chế tạo và tiến hành các thí nghiệm quan trọng để đánh giá các tính chất cơ lý. Các thí nghiệm bao gồm đo độ sụt để kiểm tra tính công tác của hỗn hợp bê tông, thí nghiệm nén để xác định cường độ chịu nén của bê tông ở các tuổi 7, 14 và 28 ngày, thí nghiệm uốn để xác định cường độ chịu kéo khi uốn, và thí nghiệm đo độ hút nước. Toàn bộ quy trình được thực hiện nghiêm ngặt nhằm cung cấp dữ liệu khoa học tin cậy để đưa ra kết luận về tỷ lệ thay thế tối ưu.

3.1. Phân tích thành phần hóa lý của xỉ đáy lò Duyên Hải

Bước đầu tiên và quan trọng nhất là đánh giá chất lượng của vật liệu đầu vào. Xỉ đáy lò từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải được lấy mẫu và gửi đến các trung tâm kiểm định uy tín để xác định thành phần hóa học (Bảng 2.8 trong tài liệu gốc). Các chỉ tiêu chính như hàm lượng SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO được phân tích để đánh giá khả năng hoạt tính pozzolanic. Đồng thời, các tính chất vật lý như khối lượng riêng, thành phần hạt, và mô đun độ lớn cũng được xác định theo TCVN 7570:2006. Kết quả cho thấy xỉ than này có cấp phối không liên tục, hàm lượng hạt mịn cao, điều này lý giải tại sao nó chỉ nên được dùng để thay thế một phần thay vì toàn bộ cát tự nhiên.

3.2. Thiết kế cấp phối bê tông với các tỷ lệ xỉ than khác nhau

Dựa trên mục tiêu bê tông mác M30 và độ sụt 2-4 cm, bốn cấp phối bê tông đã được thiết kế. Cấp phối X0 là cấp phối đối chứng, hoàn toàn không sử dụng xỉ than. Các cấp phối còn lại, X20, X40, và X60, lần lượt thay thế 20%, 40% và 60% khối lượng cát bằng xỉ than nhiệt điện. Lượng xi măng, đá, và nước được giữ không đổi giữa các cấp phối để có thể so sánh trực tiếp ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế xỉ than lên các tính chất của bê tông. Thiết kế này cho phép xác định một cách khoa học ngưỡng thay thế hiệu quả, tìm ra điểm cân bằng giữa việc tối đa hóa lượng xỉ than sử dụng và việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho thi công mặt đường bê tông xi măng.

IV. Đánh giá kết quả Cường độ chịu nén của bê tông xỉ than

Kết quả thực nghiệm đã cung cấp những bằng chứng thuyết phục về hiệu quả của việc sử dụng xỉ than. Về tính công tác của hỗn hợp bê tông, độ sụt có xu hướng giảm khi tỷ lệ xỉ than tăng lên trên 20%, nguyên nhân được cho là do hạt xỉ than rỗng hơn và có diện tích bề mặt lớn hơn hạt cát, làm tăng nhu cầu nước. Tuy nhiên, phát hiện quan trọng nhất nằm ở các chỉ tiêu cường độ. Đáng chú ý, cường độ chịu nén của bê tông ở cấp phối X20 (thay thế 20% xỉ than) tại 28 ngày tuổi đạt 40.4 MPa, cao hơn 8.3% so với cấp phối đối chứng X0 (37.3 MPa). Điều này cho thấy ở tỷ lệ 20%, các hạt cốt liệu mịn từ xỉ than đã tối ưu hóa cấu trúc bộ khung cốt liệu, lấp đầy các lỗ rỗng và làm bê tông đặc chắc hơn. Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ thay thế lên 40% và 60%, cường độ nén bắt đầu giảm dần, lần lượt thấp hơn 16.6% và 30.3% so với cấp phối đối chứng. Tương tự, cường độ chịu uốn không thay đổi nhiều ở cấp phối X20 và X40 nhưng giảm đáng kể ở X60. Những kết quả này chỉ ra rằng có một tỷ lệ thay thế tối ưu để đạt được bê tông cường độ cao.

4.1. Ảnh hưởng của xỉ than đến tính công tác và độ sụt

Thí nghiệm đo độ sụt cho thấy cấp phối đối chứng X0 và X20 có độ sụt như nhau (3 cm), phù hợp cho thi công mặt đường bê tông xi măng. Tuy nhiên, khi tỷ lệ xỉ than tăng lên 40% (X40) và 60% (X60), độ sụt giảm xuống còn 2 cm và 1.2 cm. Sự suy giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông này có thể do cấu trúc rỗng và thành phần hạt mịn của xỉ than hút một phần nước nhào trộn. Điều này cần được lưu ý trong quá trình thi công thực tế; có thể cần điều chỉnh lượng nước hoặc sử dụng phụ gia hóa dẻo để duy trì độ sụt mong muốn nếu sử dụng tỷ lệ xỉ than cao.

4.2. So sánh cường độ chịu nén và uốn giữa các cấp phối

Đây là chỉ tiêu quyết định đến khả năng ứng dụng của vật liệu. Cấp phối X20 cho thấy sự vượt trội về cường độ chịu nén của bê tông ở mọi tuổi thí nghiệm. Ngược lại, cấp phối X60 cho cường độ thấp nhất. Về cường độ uốn ở 28 ngày, cấp phối X0, X20 và X40 đều đạt yêu cầu kỹ thuật cho đường cấp IV trở xuống (Ru ≥ 4.5 MPa), với giá trị lần lượt là 4.79, 4.77 và 4.74 MPa. Cấp phối X60 không đạt yêu cầu này với Ru chỉ là 4.12 MPa. Kết quả này khẳng định cấp phối X20 và X40 hoàn toàn đủ điều kiện kỹ thuật để chế tạo bê tông mặt đường.

4.3. Phân tích độ hút nước và độ rỗng của bê tông tro bay

Độ hút nước là một chỉ số gián tiếp cho thấy độ rỗng và độ bền lâu của bê tông. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ hút nước tăng tuyến tính với tỷ lệ thay thế xỉ than, từ 1.5% ở cấp phối X0 lên 2.5% ở cấp phối X60. Điều này chứng tỏ việc sử dụng xỉ than với thành phần hạt không đồng đều làm tăng độ rỗng của cấu trúc bê tông. Mặc dù các giá trị này vẫn ở mức thấp và không ảnh hưởng ngay đến cường độ, nhưng nó gợi ý rằng độ bền lâu dài của bê tông có thể bị ảnh hưởng nếu sử dụng hàm lượng xỉ than quá cao. Do đó, việc kiểm soát độ rỗng là cần thiết để đảm bảo tuổi thọ công trình, đặc biệt là với các kết cấu như nền đường giao thông.

V. Kết luận Tỷ lệ vàng ứng dụng xỉ than cho bê tông đường bộ

Dựa trên toàn bộ quá trình nghiên cứu và phân tích kết quả thực nghiệm, có thể kết luận rằng việc ứng dụng xỉ than thay thế cát làm bê tông đường bộ là một giải pháp hoàn toàn khả thi, hiệu quả và bền vững, đặc biệt cho các công trình đường giao thông nông thôn cấp IV trở xuống tại Trà Vinh. Tỷ lệ thay thế 20% xỉ than cho cát (cấp phối X20) được xác định là "tỷ lệ vàng", mang lại hiệu suất kỹ thuật tốt nhất. Ở tỷ lệ này, bê tông không chỉ đáp ứng mà còn vượt trội hơn bê tông truyền thống về cường độ chịu nén, trong khi vẫn đảm bảo các chỉ tiêu quan trọng khác như cường độ uốn và tính công tác. Ngay cả ở tỷ lệ thay thế 40%, bê tông vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN cho mặt đường. Việc triển khai giải pháp này trên diện rộng sẽ mang lại lợi ích kép: giải quyết bài toán môi trường từ phế thải của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải và giảm áp lực khai thác tài nguyên cát, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng. Đây là một sáng kiến kinh nghiệm quý báu, cần được nhân rộng và phát triển hơn nữa.

5.1. Hiệu quả kinh tế và giải pháp môi trường trong xây dựng

Phân tích chi phí trong luận văn gốc (Bảng 3.10) cho thấy giá thành 1m³ bê tông giảm dần khi tỷ lệ xỉ than tăng. Cụ thể, cấp phối X20 và X40 có giá thành thấp hơn cấp phối đối chứng. Hiệu quả kinh tế này đặc biệt có ý nghĩa với các dự án có ngân sách hạn hẹp. Về mặt môi trường, đây là một giải pháp môi trường trong xây dựng điển hình của kinh tế tuần hoàn. Nó biến một lượng lớn chất thải rắn công nghiệp thành cốt liệu mịn hữu ích, giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên không thể tái tạo. Việc này giúp các doanh nghiệp và địa phương thực hiện tốt hơn trách nhiệm bảo vệ môi trường.

5.2. Khuyến nghị tỷ lệ thay thế 20 cho thi công mặt đường

Dựa trên sự cân bằng tối ưu giữa các chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, tỷ lệ thay thế 20% xỉ than cho cát được khuyến nghị là phương án tốt nhất cho thi công mặt đường bê tông xi măng cấp IV trở xuống. Tỷ lệ này không chỉ đảm bảo và nâng cao chất lượng bê tông mà còn dễ kiểm soát trong quá trình sản xuất hàng loạt, không đòi hỏi thay đổi lớn về công nghệ thi công hiện có. Việc áp dụng tỷ lệ 20% giúp tối đa hóa lợi ích kỹ thuật, trong khi vẫn tiêu thụ được một lượng đáng kể xỉ than, góp phần giải quyết vấn đề môi trường một cách an toàn và hiệu quả.

5.3. Hướng phát triển Vật liệu không nung và bê tông RCC

Thành công của nghiên cứu này mở ra nhiều hướng phát triển trong tương lai. Nguồn xỉ than dồi dào có thể được tiếp tục nghiên cứu để sản xuất các loại vật liệu xây dựng không nung như gạch block, gạch tự chèn, góp phần thay thế gạch đất sét nung truyền thống. Một hướng đi tiềm năng khác là nghiên cứu ứng dụng xỉ than trong bê tông đầm lăn (RCC), một loại bê tông có độ sụt thấp, thi công nhanh và chi phí hợp lý, rất phù hợp cho các dự án đường giao thông quy mô lớn. Việc tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các ứng dụng này sẽ giúp tận dụng tối đa nguồn tài nguyên phế thải, thúc đẩy ngành xây dựng phát triển theo hướng xanh và bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống nhiệt điện than tại Việt Nam đang đặt ra thách thức lớn về xử lý chất thải rắn khi dự báo đến năm 2030, tổng công suất nhiệt điện cả nước đạt khoảng 77.000 MW, tiêu thụ 176 triệu tấn than và thải ra hơn 35 triệu tấn tro xỉ mỗi năm. Riêng tại tỉnh Trà Vinh, Trung tâm Điện lực Duyên Hải với các tổ máy Duyên Hải 1 và Duyên Hải 3 đã đi vào vận hành phát thải ra hơn 2.000.000 tấn tro xỉ/năm, trong đó bãi chôn lấp tro đáy đối mặt với nguy cơ quá tải nghiêm trọng. Thực tế hiện nay chỉ có khoảng 10% lượng tro xỉ được thu gom tái chế, còn lại 90% phải lưu giữ tại các bãi thải, gây lãng phí hàng trăm hecta đất và đe dọa ô nhiễm mạch nước ngầm.

Trong khi đó, khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đang khan hiếm cát xây dựng nghiêm trọng, việc khai thác cát sông quá mức dẫn đến sạt lở bờ sông nghiêm trọng. Đồng thời, tỉnh Trà Vinh đang triển khai chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới với kế hoạch đầu tư hơn 3.480 tỷ đồng nhằm nâng cấp và mở rộng 1.463 km đường giao thông nông thôn và 387 cây cầu. Do đó, nghiên cứu tận dụng nguồn xỉ than thô từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải với giá thành rẻ khoảng 5.500 đồng/tấn để thay thế một phần cát trong chế tạo bê tông xi măng mặt đường ô tô cấp IV trở xuống là hướng đi cấp thiết. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá tính chất cơ lý, xác định tỷ lệ thay thế tối ưu (20%, 40%, 60% theo khối lượng cát), kiểm toán kết cấu áo đường theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT và chứng minh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tại địa bàn tỉnh Trà Vinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết cơ học kết cấu áo đường cứng (tấm bê tông xi măng đặt trên nền đàn hồi), lý thuyết thành phần cấp phối bê tông đặc chắc và nguyên lý chèn lấp vi cấu trúc của cốt liệu mịn trong hỗn hợp chất kết dính thủy lực. Khung pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật nền tảng bao gồm Quyết định số 1696/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về xử lý tro xỉ làm vật liệu xây dựng, Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối, tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 cho cốt liệu bê tông và vữa, cùng tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 cho xi măng Portland.

Các khái niệm kỹ thuật trọng tâm bao gồm:

• Xỉ than đáy lò (Bottom Ash): Hạt thô không cháy lắng đọng dưới đáy lò đốt than, có hàm lượng oxit silic SiO2 đạt 49,8%, nhôm oxit Al2O3 đạt 15,2% và sắt oxit Fe2O3 đạt 12,4%, khối lượng riêng 2,192 g/cm3, mô đun độ lớn 2,166.
• Kết cấu áo đường ô tô cấp IV trở xuống: Mặt đường phục vụ giao thông nông thôn chịu tải trọng trục tiêu chuẩn 100 kN, yêu cầu cường độ chịu nén Rn từ 25 đến 30 MPa và cường độ kéo khi uốn Ru tối thiểu 4,5 MPa.
• Chất kết dính và cốt liệu tự nhiên: Xi măng Holcim PCB40 có cường độ nén 28 ngày đạt 42,2 MPa, cát mịn Tân Châu (Long An) có mô đun độ lớn 1,81, và đá dăm 10x20 mm mỏ Biên Hòa có độ nén dập bão hòa 12,91%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp phân tích thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và phương pháp tính toán mô hình cơ học kết cấu:

• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Chế tạo 4 nhóm cấp phối gồm cấp phối đối chứng X0 (0% xỉ than) và 3 cấp phối thay thế X20 (20% xỉ than, 150,2 kg/m3), X40 (40% xỉ than, 300,4 kg/m3), X60 (60% xỉ than, 450,6 kg/m3) với lượng xi măng cố định 359,1 kg/m3 và nước 174 lít/m3. Tổng số mẫu chế tạo bao gồm 36 tổ mẫu nén kích thước 150x150x150 mm, 12 tổ mẫu uốn kích thước 150x150x600 mm và 12 tổ mẫu thử độ hút nước đường kính 150 mm theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên chuẩn hóa TCVN 3105:1993.
• Phương pháp phân tích và kiểm tra: Đo độ sụt hỗn hợp bê tông theo TCVN 3106:1993; thử nghiệm cường độ chịu nén tại các mốc 7, 14, 28 ngày theo TCVN 3118:2012; xác định cường độ kéo khi uốn tại 28 ngày theo TCVN 3119:1993; kiểm tra độ hút nước theo TCVN 3113:1993. Lý do lựa chọn hệ phương pháp này nhằm đảm bảo tính đồng bộ với quy chuẩn thiết kế mặt đường hiện hành của Bộ Giao thông Vận tải. Toàn bộ chu kỳ nghiên cứu và kiểm định thực nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Độ sụt và tính công tác của hỗn hợp: Cấp phối đối chứng X0 và cấp phối thay thế 20% xỉ than (X20) đều đạt độ sụt 3,0 cm, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu thi công mặt đường bằng máy đầm rung. Khi tăng hàm lượng xỉ lên 40% (X40) và 60% (X60), độ sụt giảm tương ứng xuống còn 2,0 cm và 1,5 cm, khiến hỗn hợp bê tông khô hơn.
• Quy luật phát triển cường độ chịu nén: Cấp phối X20 cho cường độ nén 28 ngày cao nhất đạt 40,4 MPa, tăng 8,3% so với cấp phối đối chứng X0 (37,3 MPa). Cường độ nén 7 ngày của X20 đạt 26,4 MPa và 14 ngày đạt 33,6 MPa (đều cao hơn X0 khoảng 10%). Ngược lại, cấp phối X40 và X60 có cường độ 28 ngày suy giảm lần lượt còn 31,1 MPa (giảm 16,6%) và 26,0 MPa (giảm 30,3%).
• Cường độ kéo khi uốn ở tuổi 28 ngày: Cấp phối X0 đạt 4,79 MPa; X20 đạt 4,77 MPa; X40 đạt 4,74 MPa. Cả 3 cấp phối này đều vượt mức yêu cầu kỹ thuật tối thiểu 4,5 MPa theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT. Riêng cấp phối X60 chỉ đạt 4,12 MPa (giảm 14,0% so với X0), không đạt tiêu chuẩn thiết kế.
• Độ hút nước của bê tông: Độ hút nước tăng tịnh tiến theo tỷ lệ xỉ than: X0 (1,5%), X20 (1,8%), X40 (2,1%) và X60 (2,5%). Tất cả các giá trị đều dưới 3,0%, nằm trong ngưỡng an toàn cho vật liệu mặt đường ngập nước.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về cường độ của cấp phối X20 được giải thích bởi hiệu ứng lấp đầy vi mô (micro-filler effect). Thành phần hạt mịn của xỉ than (lượng lọt sàng 0,14 mm chiếm 34,56%) kết hợp cùng cát Tân Châu đã chèn chặt vào các lỗ rỗng giữa khung cốt liệu đá dăm Biên Hòa 10x20 mm, làm tăng độ đặc chắc của cấu trúc đá xi măng. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng xỉ lên 40% và 60%, do xỉ than thô chưa qua tuyển nổi có bề mặt xốp, nhiều góc cạnh và hàm lượng hạt thô trên 2,5 mm không liên tục, lượng nước nhào trộn bị hấp thụ mạnh làm tăng lỗ rỗng mao dẫn sau đóng rắn, khiến cường độ nén và uốn suy giảm rõ rệt.

Dữ liệu nghiên cứu phản ánh sự tương đồng với các công bố khoa học quốc tế tại Pháp và Hàn Quốc về việc sử dụng tro đáy như một chất độn trơ thay thế cốt liệu hạt mịn. Về mặt trình bày trực quan, diễn biến cơ lý được thể hiện qua đồ thị đường cong tăng trưởng cường độ nén qua các mốc thời gian 7, 14, 28 ngày; biểu đồ cột so sánh cường độ kéo uốn 28 ngày với đường ngưỡng chuẩn 4,5 MPa; và bảng tổng hợp cân đối kinh tế cho thấy chi phí vật liệu giảm từ 5% đến 12% trên mỗi mét khối bê tông.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa quy trình kỹ thuật địa phương: Sở Xây dựng phối hợp với Sở Giao thông Vận tải tỉnh Trà Vinh ban hành hướng dẫn định mức cấp phối bê tông xỉ than tỷ lệ 20% trong quý II/2024, áp dụng thống nhất cho các dự án kiên cố hóa giao thông nông thôn mặt đường cấp IV.
• Nâng cấp công nghệ tiền xử lý tại nguồn phát thải: Công ty Nhiệt điện Duyên Hải đầu tư dây chuyền sàng tuyển cơ học công suất 80 - 100 tấn/giờ trước quý IV/2024 nhằm loại bỏ tạp chất than chưa cháy và hạt quá cỡ (>5 mm), nâng cao mô đun độ lớn đồng đều của xỉ đáy trước khi cung ứng ra thị trường.
• Áp dụng tỷ lệ cấp phối X20 cho các dự án giao thông nông thôn: Các Ban Quản lý dự án cấp huyện và xã đưa tỷ lệ thay thế 20% xỉ than vào hồ sơ mời thầu xây dựng 731 km đường giao thông nông thôn giai đoạn 2024 - 2026, hướng tới mục tiêu giảm 10% chi phí vật liệu cát xây dựng trên toàn tỉnh.
• Thiết lập hệ thống quan trắc và giám sát môi trường định kỳ: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Trà Vinh tổ chức lấy mẫu kiểm tra nước ngầm và độ thôi nhiễm kim loại nặng định kỳ 6 tháng/lần tại các tuyến đường thực nghiệm, bảo đảm tuân thủ nghiêm ngặt quy chuẩn môi trường QCVN 07:2009/BTNMT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát giao thông: Tiếp cận trực tiếp bảng tính toán kết cấu áo đường cứng dày 15 cm trên lớp móng cấp phối đá dăm 20 cm, hệ số mô đun đàn hồi tính toán Ec = 30,3 GPa và mô hình ứng suất mỏi dưới tải trọng trục xe 100 kN.
• Ban Quản lý dự án nông thôn mới các cấp: Ứng dụng giải pháp cấp phối X20 nhằm giải bài toán tối ưu ngân sách nhà nước, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng cho mỗi km đường liên ấp mà vẫn đảm bảo tuổi thọ công trình trên 15 năm.
• Doanh nghiệp sản xuất bê tông thương phẩm và cấu kiện đúc sẵn: Nắm bắt thông số phối trộn thực tế, tận dụng nguồn xỉ than giá rẻ 5.500 đồng/tấn tại Duyên Hải để hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh.
• Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật công trình: Sử dụng cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc tính hóa - lý của tro xỉ nhiệt điện Duyên Hải làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu vật liệu xanh và kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

• Xỉ than nhiệt điện Duyên Hải có làm suy giảm cường độ kéo khi uốn của mặt đường bê tông không? Không làm giảm đáng kể ở tỷ lệ thay thế phù hợp. Thí nghiệm 28 ngày chỉ ra cấp phối X20 và X40 đạt cường độ kéo uốn lần lượt là 4,77 MPa và 4,74 MPa, hoàn toàn đáp ứng ngưỡng tối thiểu 4,5 MPa theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT. Chỉ khi tỷ lệ thay thế đạt 60% (X60), cường độ uốn mới giảm sâu xuống 4,12 MPa và không đạt chuẩn.

• Vì sao cấp phối bê tông thay thế 20% xỉ than lại có cường độ nén cao hơn bê tông thông thường? Ở tỷ lệ 20%, các hạt xỉ than mịn đóng vai trò vi chất độn xen kẽ vào các khe hở giữa cát Tân Châu và đá dăm Biên Hòa. Sự tối ưu hóa thành phần hạt giúp khung cốt liệu đạt độ đặc chắc tối đa, nâng cường độ nén 28 ngày lên 40,4 MPa, cao hơn 8,3% so với cấp phối đối chứng X0 (37,3 MPa).

• Độ sụt của hỗn hợp bê tông thay đổi thế nào khi tăng dần tỷ lệ xỉ than thay thế cát? Độ sụt giảm dần khi hàm lượng xỉ tăng lên: từ 3,0 cm (X0 và X20) giảm xuống 2,0 cm (X40) và 1,5 cm (X60). Nguyên nhân do xỉ than thô có độ xốp cao và chứa 34,56% lượng hạt mịn dưới 0,14 mm, làm tăng diện tích bề mặt riêng và tăng khả năng hút nước của hỗn hợp.

• Khả năng hút nước của bê tông dùng xỉ than có ảnh hưởng đến độ bền trong môi trường ngập nước không? Độ hút nước của các cấp phối dao động từ 1,5% đến 2,5%, tăng nhẹ theo tỷ lệ xỉ nhưng vẫn ở mức rất thấp (dưới ngưỡng 3,0%). Với mức hút nước này, cấu trúc bê tông hoàn toàn duy trì được độ bền và khả năng chống thấm tốt trước các đợt triều cường và ngập úng định kỳ tại miền Tây.

• Ứng dụng xỉ than Duyên Hải mang lại lợi ích kinh tế cụ thể như thế nào cho công trình? Xỉ than thô tại nhà máy có giá chỉ khoảng 5.500 đồng/tấn, rẻ hơn nhiều so với cát tự nhiên. Việc thay thế từ 20% đến 40% cát giúp giảm chi phí vật liệu chế tạo bê tông từ 5% đến 12%, tiết kiệm đáng kể ngân sách xây dựng đường giao thông nông thôn tại Trà Vinh.

Kết luận

• Luận văn đã xác định toàn diện thành phần hóa lý của xỉ than Nhiệt điện Duyên Hải với hàm lượng oxit silic SiO2 đạt 49,8% và mô đun độ lớn 2,166, đủ điều kiện làm cốt liệu mịn thay thế cát.
• Chứng minh cấp phối X20 (thay thế 20% cát bằng xỉ than) là phương án tối ưu nhất, đạt cường độ nén 40,4 MPa (vượt 8,3% so với bê tông thường) và cường độ kéo uốn đạt 4,77 MPa.
• Khẳng định tính khả thi kỹ thuật của cấp phối X40 (cường độ uốn đạt 4,74 MPa) cho kết cấu áo đường ô tô cấp IV trở xuống theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT.
• Đề xuất mô hình thiết kế mặt đường tấm bê tông xi măng dày 15 cm trên móng đá dăm 20 cm, giải quyết bài toán tiêu thụ hàng triệu tấn tro xỉ và bảo vệ tài nguyên cát sông.
• Thiết lập lộ trình triển khai thử nghiệm thực địa trên 10 km đường giao thông nông thôn tại tỉnh Trà Vinh trong giai đoạn 2024 - 2025.

Các cơ quan quản lý nhà nước, chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng hãy tích cực ứng dụng giải pháp bê tông xi măng sử dụng xỉ than Duyên Hải vào các dự án hạ tầng giao thông nông thôn để kiến tạo những tuyến đường bền vững, tiết kiệm và thân thiện với môi trường.