Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy của nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch đến các tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng hỗn hợp như lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và sự phát triển cường độ nén theo thời gian. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng đến 30% tro đáy theo khối lượng để sản xuất PCB40 và 15% tro đáy theo khối lượng để sản xuất PCB50.
>> Ảnh hưởng của tro đáy nhiệt điện đến các tính chất cơ lý của xi măng póoc lăng hỗn hợp (P1)
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của tro đáy đến lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích
![]()
![]()
Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến lượng nước tiêu chuẩn và độ ổn định thể tích của xi măng.
![]()
3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến cường độ nén của xi măng
![]()
![]()
Ở tuổi rất sớm (1 ngày tuổi), khi sử dụng tro đáy với hàm lượng 5% và 10% thì cường độ của đá xi măng tăng nhẹ so với mẫu đối chứng. Điều này có thể giải thích do trong những ngày đầu tiên, mức độ thủy hóa các khoáng xi măng còn hạn chế, do vậy vai trò chủ yếu của tro đáy là nhờ hiệu ứng vật lý do độ mịn mang lại, hạt tro đáy đóng vai trò như chất độn mịn, làm đặc chắc cấu trúc. Ngoài ra, thành phần hạt mịn của tro đáy cũng có thể đóng vai trò như các mầm tinh thể làm thúc đẩy quá trình thuỷ hoá, đông kết và rắn chắc của hồ xi măng. Vì vậy, với hàm lượng tro đáy được sử dụng hợp lý (< 10%) làm giảm thời gian đông kết của xi măng (Bảng 4, Hình 2) cũng như tăng cường độ của đá xi măng ở 1 ngày tuổi (Bảng 5, Bảng 6). Khi sử dụng hàm lượng tro đáy lớn hơn 15% thì cường độ mẫu xi măng ở tuổi 1 ngày chỉ đạt lần lượt là 90.3%, 86.3% và 69.1% so với mẫu đối chứng.
![]()
![]()
Nhìn chung, cường độ nén của các mẫu xi măng có chứa tro đáy đều thấp hơn cường độ nén của mẫu đối chứng ở tuổi 3 ngày trở lên. Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro đáy càng lớn thì cường độ nén của mẫu xi măng càng giảm. Tuy nhiên, mức độ suy giảm cường độ đối với mẫu đối chứng ở các tuổi dài ngày của các mẫu có hàm lượng tro đáy thay thế trên 15% xi măng được cải thiện rõ rệt. Đặc biệt, cường độ nén ở tuổi 91 ngày của các mẫu có chứa tro đáy không khác nhau nhiều và đều gần với cường độ mẫu đối chứng. Điều này cho thấy vai trò cải thiện cường độ nén của tro đáy trong xi măng hỗn hợp xảy ra ở những tuổi dài ngày (Bảng 6, Hình 4). Hoàn toàn có thể chế tạo được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB 40 với tỷ lệ tro đáy sử dựng lên đến 30% ở độ mịn khoảng 4000 cm2/g.
3.3. Ảnh hưởng của độ nghiền mịn tro đáy đến cường độ nén của xi măng
Độ mịn của phụ gia khoáng là yếu tố rất quan trọng quyết định vai trò và ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất của hỗn hợp hồ xi măng và đá xi măng. Về xu hướng ảnh hưởng, độ mịn của phụ gia khoáng càng cao thì các hiệu ứng về vật lý và hóa học càng rõ ràng và có tác dụng tích cực đến các tính chất của xi măng poóc lăng hỗn hợp. Tuy nhiên, mức độ nghiền mịn phụ gia khoáng lại
phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó yếu tố giá thành là một trong những yếu tố quan trọng nhất.
![]()
![]()
![]()
![]()
Để đánh giá ảnh hưởng của độ mịn tro đáy đến các tính chất của xi măng, 03 mẫu tro đáy có độ mịn 3550, 3990 và 4600 cm2/g được sử dụng để thay thế 15% khối lượng xi măng. Kết quả ảnh hưởng của độ nghiền mịn của tro đáy đến cường độ nén của xi măng được thể hiện trên Bảng 7, 8 và Hình 5, 6. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ nén của mẫu đối chứng gần như không thay đổi sau 28 ngày tuổi trong khi cường độ nén của các mẫu có chứa 15% tro đáy vẫn tiếp tục tăng lên và tiệm cận với giá trị cường độ nén của mẫu đối chứng ở tuổi 91 ngày (Bảng 7 và Hình 5). Khi tăng độ nghiền mịn của tro đáy sẽ cải thiện cường độ nén của mẫu xi măng, đặc biệt là ở các tuổi sớm ngày. Trong khi đó, hiệu ứng cải thiện cường độ nén so với mẫu đối chứng của mẫu có chứa tro đáy có độ mịn thấp lại phát huy mạnh ở các tuổi dài ngày (Bảng 8 và Hình 6).
3.4. Ảnh hưởng của tro đáy đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng
![]()
Tài liệu tham khảo
[1] Barnes, I., Sear, L. (2004). Ash utilization from coal based power plants. Report No Coal R274 DTI/Pub. URN 04/1915. The Department of Trade and Industry - England.
[2] Qiao, X. C., Tyrer, M., Poon, C. S., Cheeseman, C. R. (2008). Novel cementitious materials produced from incinerator bottom ash. Resources, Conservation and Recycling, 52(3):496–510.
[3] Lynn, C. J., Dhir Obe, R. K., Ghataora, G. S. (2016). Municipal incinerated bottom ash characteristics and potential for use as aggregate in concrete. Construction and Building Materials, 127:504–517.
[4] Cheng, A. (2012). Effect of incinerator bottom ash properties on mechanical and pore size of blended cement mortars. Materials & Design, 36:859–864.
[5] Oruji, S., Brake, N. A., Nalluri, L., Guduru, R. K. (2017). Strength activity and microstructure of blended ultra-fine coal bottom ash-cement mortar. Construction and Building Materials, 153:317–326.
[6] Kiattikomol, K., Jaturapitakkul, C., Songpiriyakij, S., Chutubtim, S. (2001). A study of ground coarse fly ashes with different finenesses from various sources as pozzolanic materials. Cement and Concrete Composites, 23(4-5):335–343.
[7] Chindaprasirt, P., Homwuttiwong, S., Sirivivatnanon, V. (2004). Influence of fly ash fineness on strength, drying shrinkage and sulfate resistance of blended cement mortar. Cement and Concrete Research, 34(7): 1087–1092.
[8] Felekoglu, B., T ˘ urkel, S., Kalyoncu, H. (2009). ¨ Optimization of fineness to maximize the strength activity of high-calcium ground fly ash–Portland cement composites. Construction and Building Materials, 23 (5):2053-2061.
[9] TCVN 7024:2013 (2013). Clanhke xi măng poóc lăng. Hà Nội.
[10] TCVN 9807:2013 (2013). Thạch cao dùng để sản xuất xi măng. Hà Nội.
[11] TCVN 6017:2015 (2015). Xi măng - phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Hà Nội.
[12] TCVN 6016:2011 (2011). Xi măng - phương pháp thử - xác định cường độ. Hà Nội.
[13] TCVN 4030:2003 (2003). Xi măng - phương pháp xác định độ mịn. Hà Nội.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của tro đáy đến lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích
Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến lượng nước tiêu chuẩn và độ ổn định thể tích của xi măng.
Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia khoáng tro đáy có độ nghiền mịn 3990 cm2/g đến lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích của xi măng được đưa ra trên Bảng 4 và Hình 1, Hình 2. Kết quả cho thấy, khi sử dụng tro đáy thay thế xi măng theo khối lượng thì độ ổn định thể tích được cải thiện, thời gian đông kết giảm xuống so với mẫu đối chứng không sử dụng tro đáy. Đặc biệt, với hàm lượng sử dụng tro đáy thấp (5 và 10%) thì lượng nước tiêu chuẩn gần như không thay đổi trong khi thời gian đông kết giảm xuống. Nhìn chung, khi tăng hàm lượng sử dụng tro đáy thì lượng nước tiêu chuẩn của xi măng hỗn hợp tăng lên, thời gian đông kết cũng tăng lên nhưng không đáng kể trong khi độ ổn định thể tích không thay đổi.
Việc sử dụng tro đáy có độ nghiền mịn tương đương với xi măng poóc lăng với hàm lượng thay thế thấp có thể đã cải thiện được cấp phối thành phần hạt cũng như tăng hiệu ứng phân tán các hạt xi măng làm giải phóng lượng nước tự do, làm tăng tính công tác, giảm lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng. Tuy nhiên, khi tăng lượng dùng tro đáy lên vượt quá 15% thì các hiệu ứng này không đủ lớn so với lượng cần nước của tro đáy lớn hơn lượng cần nước của xi măng. Việc cải thiện thành phần hạt cũng như tăng hàm lượng hạt mịn cũng có thể thúc đẩy tốc độ đông kết thuỷ hoá của xi măng.
Việc sử dụng tro đáy có độ nghiền mịn tương đương với xi măng poóc lăng với hàm lượng thay thế thấp có thể đã cải thiện được cấp phối thành phần hạt cũng như tăng hiệu ứng phân tán các hạt xi măng làm giải phóng lượng nước tự do, làm tăng tính công tác, giảm lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng. Tuy nhiên, khi tăng lượng dùng tro đáy lên vượt quá 15% thì các hiệu ứng này không đủ lớn so với lượng cần nước của tro đáy lớn hơn lượng cần nước của xi măng. Việc cải thiện thành phần hạt cũng như tăng hàm lượng hạt mịn cũng có thể thúc đẩy tốc độ đông kết thuỷ hoá của xi măng.
3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tro đáy đến cường độ nén của xi măng
Ảnh hưởng của lượng dùng tro đáy có độ nghiền mịn 3990 cm2/g đến cường độ nén của xi măng được thể hiện trên Bảng 5, Bảng 6 và Hình 3, Hình 4. Kết quả cho thấy mức độ ảnh hưởng của tro đáy đến cường độ nén của xi măng phụ thuộc vào hàm lượng tro đáy thay thế xi măng và thời gian xác định cường độ.
Ở tuổi rất sớm (1 ngày tuổi), khi sử dụng tro đáy với hàm lượng 5% và 10% thì cường độ của đá xi măng tăng nhẹ so với mẫu đối chứng. Điều này có thể giải thích do trong những ngày đầu tiên, mức độ thủy hóa các khoáng xi măng còn hạn chế, do vậy vai trò chủ yếu của tro đáy là nhờ hiệu ứng vật lý do độ mịn mang lại, hạt tro đáy đóng vai trò như chất độn mịn, làm đặc chắc cấu trúc. Ngoài ra, thành phần hạt mịn của tro đáy cũng có thể đóng vai trò như các mầm tinh thể làm thúc đẩy quá trình thuỷ hoá, đông kết và rắn chắc của hồ xi măng. Vì vậy, với hàm lượng tro đáy được sử dụng hợp lý (< 10%) làm giảm thời gian đông kết của xi măng (Bảng 4, Hình 2) cũng như tăng cường độ của đá xi măng ở 1 ngày tuổi (Bảng 5, Bảng 6). Khi sử dụng hàm lượng tro đáy lớn hơn 15% thì cường độ mẫu xi măng ở tuổi 1 ngày chỉ đạt lần lượt là 90.3%, 86.3% và 69.1% so với mẫu đối chứng.
Nhìn chung, cường độ nén của các mẫu xi măng có chứa tro đáy đều thấp hơn cường độ nén của mẫu đối chứng ở tuổi 3 ngày trở lên. Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro đáy càng lớn thì cường độ nén của mẫu xi măng càng giảm. Tuy nhiên, mức độ suy giảm cường độ đối với mẫu đối chứng ở các tuổi dài ngày của các mẫu có hàm lượng tro đáy thay thế trên 15% xi măng được cải thiện rõ rệt. Đặc biệt, cường độ nén ở tuổi 91 ngày của các mẫu có chứa tro đáy không khác nhau nhiều và đều gần với cường độ mẫu đối chứng. Điều này cho thấy vai trò cải thiện cường độ nén của tro đáy trong xi măng hỗn hợp xảy ra ở những tuổi dài ngày (Bảng 6, Hình 4). Hoàn toàn có thể chế tạo được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB 40 với tỷ lệ tro đáy sử dựng lên đến 30% ở độ mịn khoảng 4000 cm2/g.
3.3. Ảnh hưởng của độ nghiền mịn tro đáy đến cường độ nén của xi măng
Độ mịn của phụ gia khoáng là yếu tố rất quan trọng quyết định vai trò và ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất của hỗn hợp hồ xi măng và đá xi măng. Về xu hướng ảnh hưởng, độ mịn của phụ gia khoáng càng cao thì các hiệu ứng về vật lý và hóa học càng rõ ràng và có tác dụng tích cực đến các tính chất của xi măng poóc lăng hỗn hợp. Tuy nhiên, mức độ nghiền mịn phụ gia khoáng lại
phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó yếu tố giá thành là một trong những yếu tố quan trọng nhất.
Để đánh giá ảnh hưởng của độ mịn tro đáy đến các tính chất của xi măng, 03 mẫu tro đáy có độ mịn 3550, 3990 và 4600 cm2/g được sử dụng để thay thế 15% khối lượng xi măng. Kết quả ảnh hưởng của độ nghiền mịn của tro đáy đến cường độ nén của xi măng được thể hiện trên Bảng 7, 8 và Hình 5, 6. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ nén của mẫu đối chứng gần như không thay đổi sau 28 ngày tuổi trong khi cường độ nén của các mẫu có chứa 15% tro đáy vẫn tiếp tục tăng lên và tiệm cận với giá trị cường độ nén của mẫu đối chứng ở tuổi 91 ngày (Bảng 7 và Hình 5). Khi tăng độ nghiền mịn của tro đáy sẽ cải thiện cường độ nén của mẫu xi măng, đặc biệt là ở các tuổi sớm ngày. Trong khi đó, hiệu ứng cải thiện cường độ nén so với mẫu đối chứng của mẫu có chứa tro đáy có độ mịn thấp lại phát huy mạnh ở các tuổi dài ngày (Bảng 8 và Hình 6).
Kết quả xác định hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng có hoặc không có sử dụng tro đáy được thể hiện trên Bảng 9. Có thể thấy rằng hàm lượng Ca(OH)2 trong mẫu có chứa tro đáy giảm so với mẫu đối chứng ở tất cả các ngày tuổi thí nghiệm. Tuy nhiên, khi so sánh qui đổi về hàm lượng Ca(OH)2 so với 100% xi măng poóc lăng cho thấy hàm lượng Ca(OH)2 đối với xi măng poóc lăng trong mẫu có chứa 15% tro đáy vẫn cao hơn so với mẫu đối chứng (Bảng 9). Điều này cho thấy tro đáy đã làm tăng mức độ thuỷ hoá của clanhke xi măng poóc lăng có thể do các hiệu ứng vật lý như hiệu ứng phân tán, mầm tinh thể... Kết hợp các hiệu ứng điền đầy cũng như tăng mức độ thuỷ hoá của clanker, tro đáy đã góp phần cải thiện vi cấu trúc và cường độ nén của mẫu xi măng. Tuy nhiên, với kết quả hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng đến 28 ngày tuổi này vẫn chưa thể khẳng định được vai trò hoạt tính puzzolanic của tro đáy trong hệ chất kết dính xi măng. Vì vậy, cần nghiên cứu chi tiết hơn khả năng hoạt tính puzzolanic của tro đáy để có thể đánh giá chính xác vai trò của tro đáy trong xi măng poóc lăng hỗn hợp, đặc biệt trong khoảng thời gian sau 28 ngày tuổi khi cường độ nén của mẫu xi măng có chứa tro đáy tăng nhanh.
4. Kết luận
Các kết luận có thể được rút ra từ các kết quả nghiên cứu như sau:
1. Có thể sử dụng đến 30% tro đáy có độ mịn tối thiểu 3990 cm2/g, tương đương với độ nghiền mịn của xi măng poóc lăng để sản xuất được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 hoặc sử dụng đến 15% tro đáy khi thay thế xi măng để sản xuất được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB50. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để nhà máy xi măng FiCO triển khai ứng dụng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch vào sản xuất các sản phẩm xi măng hỗn hợp PCB40 và PCB50.
2. Nhìn chung, khi tăng hàm lượng sử dụng tro đáy trong xi măng PCB thì lượng nước tiêu chuẩn tăng lên và thời gian đông kết cũng tăng lên nhưng không đáng kể trong khi độ ổn định thể tích không thay đổi. So với mẫu đối chứng, mẫu có chứa 5 - 10% tro đáy có lượng nước tiêu chuẩn không thay đổi nhiều nhưng độ ổn định thể tích được cải thiện hơn và thời gian đông kết giảm xuống.
3. Khi tăng hàm lượng tro đáy thì cường độ của xi măng so với mẫu đối chứng ở các tuổi sớm càng giảm nhưng ở tuổi muộn (91 ngày) thì mức độ suy giảm này không đáng kể. Đặc biệt đối với mẫu chứa 5 - 10% tro đáy thì cường độ ở tuổi 1 ngày cao hơn so với mẫu đối chứng. Khi tăng độ mịn của tro đáy thì cường độ của xi măng poóc lăng hỗn hợp tăng lên. Tuy nhiên ở các tuổi dài ngày (91 ngày) thì sự ảnh hưởng của độ mịn tro đáy đến cường độ đá xi măng là không nhiều.
4. Kết luận
Các kết luận có thể được rút ra từ các kết quả nghiên cứu như sau:
1. Có thể sử dụng đến 30% tro đáy có độ mịn tối thiểu 3990 cm2/g, tương đương với độ nghiền mịn của xi măng poóc lăng để sản xuất được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 hoặc sử dụng đến 15% tro đáy khi thay thế xi măng để sản xuất được xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB50. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để nhà máy xi măng FiCO triển khai ứng dụng tro đáy nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch vào sản xuất các sản phẩm xi măng hỗn hợp PCB40 và PCB50.
2. Nhìn chung, khi tăng hàm lượng sử dụng tro đáy trong xi măng PCB thì lượng nước tiêu chuẩn tăng lên và thời gian đông kết cũng tăng lên nhưng không đáng kể trong khi độ ổn định thể tích không thay đổi. So với mẫu đối chứng, mẫu có chứa 5 - 10% tro đáy có lượng nước tiêu chuẩn không thay đổi nhiều nhưng độ ổn định thể tích được cải thiện hơn và thời gian đông kết giảm xuống.
3. Khi tăng hàm lượng tro đáy thì cường độ của xi măng so với mẫu đối chứng ở các tuổi sớm càng giảm nhưng ở tuổi muộn (91 ngày) thì mức độ suy giảm này không đáng kể. Đặc biệt đối với mẫu chứa 5 - 10% tro đáy thì cường độ ở tuổi 1 ngày cao hơn so với mẫu đối chứng. Khi tăng độ mịn của tro đáy thì cường độ của xi măng poóc lăng hỗn hợp tăng lên. Tuy nhiên ở các tuổi dài ngày (91 ngày) thì sự ảnh hưởng của độ mịn tro đáy đến cường độ đá xi măng là không nhiều.
Tài liệu tham khảo
[1] Barnes, I., Sear, L. (2004). Ash utilization from coal based power plants. Report No Coal R274 DTI/Pub. URN 04/1915. The Department of Trade and Industry - England.
[2] Qiao, X. C., Tyrer, M., Poon, C. S., Cheeseman, C. R. (2008). Novel cementitious materials produced from incinerator bottom ash. Resources, Conservation and Recycling, 52(3):496–510.
[3] Lynn, C. J., Dhir Obe, R. K., Ghataora, G. S. (2016). Municipal incinerated bottom ash characteristics and potential for use as aggregate in concrete. Construction and Building Materials, 127:504–517.
[4] Cheng, A. (2012). Effect of incinerator bottom ash properties on mechanical and pore size of blended cement mortars. Materials & Design, 36:859–864.
[5] Oruji, S., Brake, N. A., Nalluri, L., Guduru, R. K. (2017). Strength activity and microstructure of blended ultra-fine coal bottom ash-cement mortar. Construction and Building Materials, 153:317–326.
[6] Kiattikomol, K., Jaturapitakkul, C., Songpiriyakij, S., Chutubtim, S. (2001). A study of ground coarse fly ashes with different finenesses from various sources as pozzolanic materials. Cement and Concrete Composites, 23(4-5):335–343.
[7] Chindaprasirt, P., Homwuttiwong, S., Sirivivatnanon, V. (2004). Influence of fly ash fineness on strength, drying shrinkage and sulfate resistance of blended cement mortar. Cement and Concrete Research, 34(7): 1087–1092.
[8] Felekoglu, B., T ˘ urkel, S., Kalyoncu, H. (2009). ¨ Optimization of fineness to maximize the strength activity of high-calcium ground fly ash–Portland cement composites. Construction and Building Materials, 23 (5):2053-2061.
[9] TCVN 7024:2013 (2013). Clanhke xi măng poóc lăng. Hà Nội.
[10] TCVN 9807:2013 (2013). Thạch cao dùng để sản xuất xi măng. Hà Nội.
[11] TCVN 6017:2015 (2015). Xi măng - phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Hà Nội.
[12] TCVN 6016:2011 (2011). Xi măng - phương pháp thử - xác định cường độ. Hà Nội.
[13] TCVN 4030:2003 (2003). Xi măng - phương pháp xác định độ mịn. Hà Nội.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)
