Ảnh hưởng của tro bay thay thế một phần xi măng đến tính chất bê tông thương phẩm (P1)
Bê tông thương phẩm (BTTP) ngày càng được sử dụng phổ biến do có nhiều ưu điểm so với bê tông trộn tại công trường. Tuy nhiên, để đảm bảo tính công tác và khả năng bơm tốt, bê tông thương phẩm thường phải sử dụng lượng xi măng lớn hơn. Để khắc phục vấn đề trên, việc sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng là cần thiết. Trong nghiên cứu này, tro bay được sử dụng để thay thế xi măng với tỷ lệ từ 10 - 40% theo khối lượng trong bê tông thương phẩm M300 và M600.
>> Ảnh hưởng của tro bay thay thế một phần xi măng đến tính chất bê tông thương phẩm (P2)
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi thay thế một phần xi măng bằng tro bay làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông (HHBT), tổn thất tính công tác của hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay không khác nhiều so với bê tông không sử dụng tro bay. Khi thay thế đến 20% xi măng bằng tro bay theo khối lượng, cường độ nén của bê tông giảm nhẹ và vẫn đạt mác thiết kế. Tuy nhiên, khi sử dụng 30% tro bay, cường độ nén của bê tông giảm một mác so với cường độ thiết kế. Khi sử dụng 40% tro bay làm giảm đáng kể cường độ của bê tông ở tất cả các tuổi, mức giảm quan sát được từ 31,4% đến 41,6%.
1. Giới thiệu
Bê tông thương phẩm là loại bê tông được chế tạo tại trạm trộn tập trung và giao cho người sửdụng ở trạng thái bê tông tươi [1, 2]. Vì được chế tạo ở các trạm trộn tập trung nên chất lượng vật liệu đầu vào và quá trình công nghệ được kiểm soát tốt, chất lượng BTTP ổn định, đảm bảo đúng yêu cầu của người sử dụng. Bê tông thương phẩm thường được vận chuyển đến công trường bằng xe bồn và kết hợp với bơm bê tông để vận chuyển đến vị trí thi công. Bởi vậy, hỗn hợp BTTP phải có tính công tác tốt và duy trì được tính công tác trong thời gian nhất định.
Để đảm bảo BTTP có tính công tác và khả năng bơm tốt, BTTP thường phải sử dụng lượng xi măng lớn hơn bê tông trộn tại công trường, điều này không những làm giảm hiệu quả kinh tế mà còn gây ra một số vấn đề do việc sử dụng nhiều xi măng gây ra như co ngót hay nhiệt thủy hóa lớn [3, 4]. Để khắc phục vấn đề trên, việc sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng là cần thiết. Các loại phụ gia khoáng có thể sử dụng cho BTTP ở Việt Nam gồm có: tro bay, xỉ lò cao, bột đá vôi... trong đó tro bay là loại vật liệu có nhiều tiềm năng sử dụng làm phụ gia khoáng cho BTTP ở Việt Nam.
Đến năm 2019, Việt Nam có 25 nhà máy nhiệt điện đốt than đang hoạt động, phát thải ra tổng lượng tro, xỉ khoảng hơn 19,5 triệu tấn/năm (trong đó, tro bay chiếm từ 80% đến 85%). Ngoài ra,nhiều dự án nhiệt điện đốt than đang xây dựng hoặc đã được phê duyệt, cho nên lượng tro xỉ thải ra từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam sẽ ngày càng tăng; đến năm 2025 lượng tro xỉ thải ra khoảng 29,4 triệu tấn/năm và năm 2030 sẽ là 38,3 triệu tấn/năm [5-7].
Đến nay, tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện đã tiêu thụ trên cả nước khoảng 38% tổng lượng phát thải qua các năm. Tro, xỉ được sử dụng nhiều nhất là lĩnh vực làm phụ gia khoáng cho xi măng, sau đó là dùng làm phụ gia bê tông cho các công trình thủy lợi, công trình giao thông (đường bê tông xi măng vùng nông thôn) và công trình xây dựng dân dụng (kết cấu móng khối lớn ít tỏa nhiệt), ngoài ra tro, xỉ cũng được dùng để thay thế một phần nguyên liệu sản xuất gạch xây (nung và không nung) hay làmvật liệu san lấp [5, 6].
Tro bay đã được nghiên cứu và sử dụng làm phụ gia khoáng cho vữa và bê tông từ những năm đầu của thế kỷ 19 [8, 9], góp phần quan trọng vào việc nâng cao giá trị kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường và đặc biệt là giảm lượng khí thải nhà kính do sản xuất xi măng [10-17]. Sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm nhiệt thủy hóa, nâng cao độ bền của bê tông [9, 11, 13, 14, 18-20]. Ở Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng, như sản xuất bê tông nhẹ [15, 16], để chế tạo xi măng bền sun phát [14], hay để chế tạo bê tông cường độ siêu cao [17]...
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu, việc sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng cho bê tông trong các công trình dân dụng nói chung và BTTP nói riêng ở Việt Nam còn ít. Một số trạm trộn BTTP đã sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng, tuy nhiên tỷ lệ sử dụng còn rất ít và không sử dụng thường xuyên do chưa đánh giá được đầy đủ sự thay đổi tính công tác và cường độ nén của bê tông khi thay đổi tỷ lệ tro bay sử dụng. Bởi vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay ở Việt Nam đến tính công tác và cường độ nén của BTTP là tiền đề quan trọng cho việc tăng cường sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng cho bê tông nói chung và BTTP nói riêng.
2. Chương trình thí nghiệm
2.1. Vật liệu sử dụng
Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có, tro tuyển Phả Lại; Xi măng PC40 Bút Sơn; cát vàng cỡ hạt trung bình; đá dăm Dmax= 20 mm và phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete-3168. Biểu đồ thành phần hạt của cát và đá được thể hiện trên Hình 1 và 2. Tính chất và thành phần hóa của các vật liệu sử dụng được trình bày trong các Bảng 1 - 4, qua đánh giá, các loại vật liệu sử dụng đều phù hợp với yêu cầu của TCVN và cho phép sử dụng để chế tạo bê tông. Hình dạng và tính chất bề mặt hạt tro bay được thể hiện qua ảnh SEM trên Hình 3, các hạt tro bay chủ yếu là hình cầu và bề mặt hạt trơn nhẵn.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi thay thế một phần xi măng bằng tro bay làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông (HHBT), tổn thất tính công tác của hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay không khác nhiều so với bê tông không sử dụng tro bay. Khi thay thế đến 20% xi măng bằng tro bay theo khối lượng, cường độ nén của bê tông giảm nhẹ và vẫn đạt mác thiết kế. Tuy nhiên, khi sử dụng 30% tro bay, cường độ nén của bê tông giảm một mác so với cường độ thiết kế. Khi sử dụng 40% tro bay làm giảm đáng kể cường độ của bê tông ở tất cả các tuổi, mức giảm quan sát được từ 31,4% đến 41,6%.
1. Giới thiệu
Bê tông thương phẩm là loại bê tông được chế tạo tại trạm trộn tập trung và giao cho người sửdụng ở trạng thái bê tông tươi [1, 2]. Vì được chế tạo ở các trạm trộn tập trung nên chất lượng vật liệu đầu vào và quá trình công nghệ được kiểm soát tốt, chất lượng BTTP ổn định, đảm bảo đúng yêu cầu của người sử dụng. Bê tông thương phẩm thường được vận chuyển đến công trường bằng xe bồn và kết hợp với bơm bê tông để vận chuyển đến vị trí thi công. Bởi vậy, hỗn hợp BTTP phải có tính công tác tốt và duy trì được tính công tác trong thời gian nhất định.
Để đảm bảo BTTP có tính công tác và khả năng bơm tốt, BTTP thường phải sử dụng lượng xi măng lớn hơn bê tông trộn tại công trường, điều này không những làm giảm hiệu quả kinh tế mà còn gây ra một số vấn đề do việc sử dụng nhiều xi măng gây ra như co ngót hay nhiệt thủy hóa lớn [3, 4]. Để khắc phục vấn đề trên, việc sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng là cần thiết. Các loại phụ gia khoáng có thể sử dụng cho BTTP ở Việt Nam gồm có: tro bay, xỉ lò cao, bột đá vôi... trong đó tro bay là loại vật liệu có nhiều tiềm năng sử dụng làm phụ gia khoáng cho BTTP ở Việt Nam.
Đến năm 2019, Việt Nam có 25 nhà máy nhiệt điện đốt than đang hoạt động, phát thải ra tổng lượng tro, xỉ khoảng hơn 19,5 triệu tấn/năm (trong đó, tro bay chiếm từ 80% đến 85%). Ngoài ra,nhiều dự án nhiệt điện đốt than đang xây dựng hoặc đã được phê duyệt, cho nên lượng tro xỉ thải ra từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam sẽ ngày càng tăng; đến năm 2025 lượng tro xỉ thải ra khoảng 29,4 triệu tấn/năm và năm 2030 sẽ là 38,3 triệu tấn/năm [5-7].
Đến nay, tổng lượng tro, xỉ nhiệt điện đã tiêu thụ trên cả nước khoảng 38% tổng lượng phát thải qua các năm. Tro, xỉ được sử dụng nhiều nhất là lĩnh vực làm phụ gia khoáng cho xi măng, sau đó là dùng làm phụ gia bê tông cho các công trình thủy lợi, công trình giao thông (đường bê tông xi măng vùng nông thôn) và công trình xây dựng dân dụng (kết cấu móng khối lớn ít tỏa nhiệt), ngoài ra tro, xỉ cũng được dùng để thay thế một phần nguyên liệu sản xuất gạch xây (nung và không nung) hay làmvật liệu san lấp [5, 6].
Tro bay đã được nghiên cứu và sử dụng làm phụ gia khoáng cho vữa và bê tông từ những năm đầu của thế kỷ 19 [8, 9], góp phần quan trọng vào việc nâng cao giá trị kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường và đặc biệt là giảm lượng khí thải nhà kính do sản xuất xi măng [10-17]. Sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm nhiệt thủy hóa, nâng cao độ bền của bê tông [9, 11, 13, 14, 18-20]. Ở Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng, như sản xuất bê tông nhẹ [15, 16], để chế tạo xi măng bền sun phát [14], hay để chế tạo bê tông cường độ siêu cao [17]...
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu, việc sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng cho bê tông trong các công trình dân dụng nói chung và BTTP nói riêng ở Việt Nam còn ít. Một số trạm trộn BTTP đã sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng, tuy nhiên tỷ lệ sử dụng còn rất ít và không sử dụng thường xuyên do chưa đánh giá được đầy đủ sự thay đổi tính công tác và cường độ nén của bê tông khi thay đổi tỷ lệ tro bay sử dụng. Bởi vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay ở Việt Nam đến tính công tác và cường độ nén của BTTP là tiền đề quan trọng cho việc tăng cường sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng cho bê tông nói chung và BTTP nói riêng.
2. Chương trình thí nghiệm
2.1. Vật liệu sử dụng
Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có, tro tuyển Phả Lại; Xi măng PC40 Bút Sơn; cát vàng cỡ hạt trung bình; đá dăm Dmax= 20 mm và phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete-3168. Biểu đồ thành phần hạt của cát và đá được thể hiện trên Hình 1 và 2. Tính chất và thành phần hóa của các vật liệu sử dụng được trình bày trong các Bảng 1 - 4, qua đánh giá, các loại vật liệu sử dụng đều phù hợp với yêu cầu của TCVN và cho phép sử dụng để chế tạo bê tông. Hình dạng và tính chất bề mặt hạt tro bay được thể hiện qua ảnh SEM trên Hình 3, các hạt tro bay chủ yếu là hình cầu và bề mặt hạt trơn nhẵn.
2.2. Cấp phối thí nghiệm
BTTP được sử dụng ngày càng phổ biến, các trạm trộn có thể cung cấp bê tông thường và bê tông cường độ cao. Trong nghiên cứu này, tác giả nghiên cứu với hai loại bê tông ở các trạm trộn hiện nay là bê tông thường (M300) và bê tông cường độ cao (M600). Đối với cấp phối bê tông M300, độ sụt thiết kế từ 120 - 180 mm, cấp phối bê tông cường độ cao M600, tính công tác theo độ chảy loang từ 600 - 800 mm.
Hiện nay ở một số trạm trộn BTTP đã sử dụng một phần tro bay làm phụ gia khoáng cho bê tông. Tuy nhiên, lượng sử dụng còn chưa nhiều và chưa thường xuyên. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ tro bay thay thế xi măng từ 10 - 40% theo khối lượng được nghiên cứu, cấp phối thí nghiệm được trình bày trong Bảng 5 và 6.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
- Độ sụt của HHBT M300 được xác định theo TCVN 3106:1993 [23], độ chảy loang của HHBTM600 được xác định theo TCVN 12209:2018 [24]. Hình ảnh xác định độ sụt của HHBT M300 và độ chảy loang của HHBT M600 được trình bày trên Hình 4 và 5. Để xác định tổn thất tính công tác, HHBT được bảo quản để tránh bị mất nước và được trộn lại trước khi thử tính công tác sau mỗi 30 phút, khi thời gian quá 90 phút, do HHBT mất tính công tác nhanh nên thời gian thử tính công tác được rút ngắn hơn.
- Cường độ nén của bê tông được xác định trên mẫu lập phương tiêu chuẩn 150×150×150 mm ở tuổi 3, 7 và 28 ngày theo TCVN 3118:1993 [25].
Tài liệu tham khảo
[1] TCVN 9340:2012. Hỗn hợp bê tông trộn sẵn - Yêu cầu cơ bản đánh giá chất lượng và nghiệm thu.
[2] ASTM C94/C94M:11b. Standard Specification for Ready-Mixed Concrete.
[3] Neville, A. M. (2000). Properties of Concrete. 4th edition, Longman, England.
[4] Nam, V. H. (2012). Nghiên cứu sử dụng tro tuyển Phả Lại hàm lượng cao trong bê tông khối lượng lớn thông thường dùng cho đập trọng lực. Luận án tiến sỹ kỹ thuật.
[5] Lâm, N. T. (2019). Đánh giá tính chất và khả năng sử dụng một số loại tro bay ở Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài mã số 67-2019/KHXD, Trường Đại học Xây dựng.
[6] Quang, L. V., Dũng, N. C. (2019). Báo cáo chuyên đề “Xu hướng ứng dụng tro, xỉ nhiệt điện trong sản xuất vật liệu xây dựng”. Trung tâm thông tin và thống kê KH&CN, Sở KH&CN TP.HCM.
[7] Quyết định 428/QĐ-TTg (2016). Phê duyệt điều chỉnh phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2010 có xét đến năm 2030.
[8] Anon (1914). An Investigation of the Pozzolanic Nature of Coal Ashes.Engineering News, 71(24):1334-1335.
[9] Davis, R. E., Carlson, R. W., Kelly, J. W., Davis, H. E. (1937). Properties of cements and concretescontaining fly ash. Proceedings American Concrete Institute, 33(5):577-612.
[10] Helmuth, R. (1987). Fly ash in cement and concrete. Portland Cement Association, Skokie, III.
[11] Malhotra, V. M., Ramezanianpour, A. A. (1994). Fly ash in concrete. Second edition, CANMET, Ottawa.
[12] ACI 232.2R-96 (1996). Use of fly ash in concrete. American Concrete Institute, Detroit.
[13] Mehta, P. K. (2014). High-performance, high-volume fly ash concrete for sustainable development. Proceedings of the International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, Iowa StateUniversity Ames, IA, USA, 3-14.
[14] Lâm, N. T., Khánh, D. D. (2015). Độ bền Sun phát của xi măng Poóc lăng hỗn hợp sử dụng phụ gia khoáng tro bay. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 24:34-39.
[15] Lâm, N. T., Anh, M. Q. (2015). Độ bền Sun phát của xi măng Poóc lăng hỗn hợp sử dụng phụ gia khoáng tro bay. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 24:94-99.
[16] Tiến, H. V., Lâm, N. T., Tuấn, N. V. (2015). Thiết kế cấp phối bê tông khí không chưng áp sử dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo. Tạp chí Xây dựng, (6-2015):83-87.
[17] Thắng, N. C., Tuấn, N. V., Hanh, P. H., Lâm, N. T. (2013). Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) - ĐHXD, (2-2013):24-31.
[18] Lam, N. T. (2020). Assessment of the compressive strength and strength activity index of cement incorporating fly ash.IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, 869(3):032052.
[19] Nguyen, V. C., Lambert, P., Bui, V. N. (2020). Effect of locally sourced pozzolan on corrosion resistanceof steel in reinforced concrete beams. International Journal of Civil Engineering, 1-12.
[20] Fraay, A. L. A., Bijen, J. M., De Haan, Y. M. (1989). The reaction of fly ash in concrete a criticalexamination. Cement and Concrete Research, 19(2):235-246.
[21] TCVN 7572-1÷20:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử. Bộ Khoa học và Công nghệ,Việt Nam.
[22] ASTM C29/C29M - 97. Standard Test Method for Bulk Density (Unit Weight) and Voids in Aggregate.ASTM International, West Conshohocken.
[23] TCVN 3106:1993. Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[24] TCVN 12209:2018. Bê tông tự lèn - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử. Bộ Khoa học và Công nghệ,Việt Nam.
[25] TCVN 3118:1993. Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén. Bộ Khoa học và Công nghệ,Việt Nam.
[26] Titarmare, A. P., Deotale, S. R. S., Bachale, S. B. (2012). Experimental Study Report on Use of Fly Ashin Ready Mixed Concrete. International Journal of Scientific & Engineering Research, 3:2-10.
[27] Thomas, M. D. A. (2007). Optimizing the use of fly ash in concrete. Portland Cement Association.
[28] Bentz, D. P., Ferraris, C. F., Snyder, K. A. (2013). Best Practices Guide for High-Volume Fly Ash Con-cretes: Assuring Properties and Performance. NIST Technical Note 1812.
[29] Naik, T. R., Ramme, B. W. (1987). Setting and hardening of high fly ash content concrete. Proceedingsof the Eighth International Ash Utilization Symposium.
[30] Ravina, D., Mehta, P. K. (1988). Compressive strength of low cement/high fly ash concrete. Cement andConcrete Research, 18(4):571-583.
[31] Fraay, A. L. A., Bijen, J. M., De Haan, Y. M. (1989). The reaction of fly ash in concrete a criticalexamination. Cement and Concrete Research, 19(2):235-246.105
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)
