Tài liệu ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồı của bê tông

MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu đề tài ......................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2 5. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................................... 2 6. Bố cục đề tài ............................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA SILICAFUME, TRO BAY TRONG XÂY DỰNG ........................................................3 1.1. Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông ............................................................. 3 1.1.1. Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông ...................................... 3 1.1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông ..................................................................... 4 1.2. Tổng quan về tro bay ............................................................................................... 6 1.2.1. Khái niệm về tro bay ......................................................................................... 6 1.2.2. Thành phần tro bay............................................................................................ 8 1.2.3. Hiện trạng nguồn nguyên liệu tro bay trong và ngoài nước .................................... 9 1.3. Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng ............................................................ 11 1.3.1. Một số công trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam .................... 12 1.3.2. Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và công trình trên thế giới .............. 13 1.4. Tổng quan về tính chất cơ lý và ứng dụng của silicafume trong xây dựng .......... 13 1.4.1. Thành phần và tính chất cơ lý của silicafume ................................................. 13 1.4.2. Ứng dụng của silicafume trong lĩnh vực bê tông và xây dựng ....................... 15 1.4.3. Sản lượng silicafume ....................................................................................... 16 1.5. Tiềm năng kết hợp giữa silicafume và tro bay ...................................................... 16 1.6. Mô đun đàn hồi và các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông ....... 17 1.6.1. Khái niệm về mô đun đàn hồi ........................................................................ 17 1.6.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông .............................. 17 1.6.3. Các phương pháp xác định mô đun đàn hồi của bê tông ............................... 18 1.6.4. Các công trình nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông ........................... 19 1.7. Nhận xét chương 1................................................................................................. 20 CHƯƠNG 2. TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ...................21 2.1. Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm .............................................................. 21 2.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 21 2.2.1. Cát (Cốt liệu nhỏ) ............................................................................................ 21 2.2.2. Đá dăm (Cốt liệu lớn) ..................................................................................... 22 2.2.3. Xi măng ........................................................................................................... 24 2.2.4. Tro Bay............................................................................................................ 26 2.2.5. Silicafume ....................................................................................................... 28 2.2.6. Nước ................................................................................................................ 29 2.3. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 31 2.3.1. Ván khuôn: Khuôn kích thước (150x300)mm. ............................................... 31 2.3.2. Máy trộn .......................................................................................................... 32 2.3.3. Thiết bị đầm bê tông ....................................................................................... 32 2.3.4. Phòng dưỡng hộ bê tông ................................................................................. 32 2.3.5. Thiết bị đo độ sụt............................................................................................. 32 2.3.6. Máy nén ........................................................................................................... 32 2.3.7. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông ............................................ 34 2.4. Nhận xét chương 2................................................................................................. 34 CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG ..............................................35 3.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 35 3.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 36 3.3. Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tông ............................................................ 38 3.4. Thí nghiệm xác định độ sụt ................................................................................... 39 3.5. Đúc mẫu và dưỡng hộ mẫu .................................................................................... 40 3.6. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông ............................................ 42 3.6.1 Quy trình nén mẫu ............................................................................................ 42 3.6.2. Công thức xác định cường độ chịu nén........................................................... 43 3.7. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông ................................................ 43 3.7.1. Quy trình thí nghiệm ....................................................................................... 43 3.7.2. Công thức xác định mô đun đàn hồi của bê tông ............................................ 46 3.8. Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 47 3.8.1. Độ sụt của các hỗn hợp bê tông ...................................................................... 47 3.8.2. Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông .... 48 3.8.3. Ảnh hường của của silicafume và tro bay đến đến mô đun đàn hồi của bê tông ................................................................................................................................... 50 3.9. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi ............................................ 52 3.10. Nhận xét chương 3............................................................................................... 53 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG Học viên: Nguyễn Văn Dũng Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K34.XDD.KH Tóm tắt: Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong xây dựng trên toàn thế giới. Xi măng portland là chất kết dính không thể thiếu trong bê tông thông thường. Quá trình sản xuất xi măng portland tiêu thụ năng lượng rất lớn, đồng thời thải ra một lượng lớn CO2 gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng silicafume và tro bay như là loại vật liệu thay thế một phần xi măng portland trong hỗn hợp bê tông là vấn đề thật sự cần thiết. Luận văn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu trụ kích thước 150x300mm với các thành phần cấp phối cát, đá, nước được giữ nguyên không đổi trong khi xi măng được thay thế bởi silicafume và tro bay với tổng tỉ lệ là 5%,10% và 20%. Các mẫu thí nghiệm là mẫu hình trụ có kích thước 150x300mm được dưỡng hộ ngâm nước tại phòng thí nghiệm. Mô đun đàn hồi của các mẫu bê tông được xác định tại các thời điểm 28, 56 và 90 ngày. Kết quả cho thấy rằng khi silicafume được sử dụng để thay thế xi măng ở tỉ lệ 5% góp phần tăng cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, trong khi đó với tỉ lệ thay thế có tro bay đều giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi so với mẫu đối chứng. Sự suy giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi lớn nhất khi 15% tro bay và 5% silicafume được sử dụng để thay thế 20% xi măng. Tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của tất cả các mẫu bê tông có hoặc không có tro bay và silicafume đều vào khoảng 0.8x103 đến 0.9x103 Từ khóa: bê tông, cường độ chịu nén, mo đun đàn hồi, tro bay, silicafume, tỉ lệ mo đun đàn hồi và cường độ chịu nén. EFFECT OF SILICAFUME AND FLY ASH TO THE LITHOLOGICAL MODULE OF CONCRETE Abstracts: Concrete is widely used as construction building materials in the world. Original Portland cement (OPC) is an indispensable binder in conventional concrete. The cement production consumes a great deal of energy, and causes pollution and other environmental problems including CO2 emmission. It is really necessary to conduct the research to find out the alternative materials such as fly ash and silicafume to replace partly OPC in the concrete mix. The thesis studied the effect of silicafume and fly ash on the elasticity of concrete. The tests were conducted on the cylinder samples of 150mm diameter and 300mm height cured in water at 28 days, 56 days and 90 days. The mix proprtion of sand, coarse aggregates and water was kept constantly while cement was replaced by total of silicafume and fly ash of 5%, 10% and 20% respectively. The results shows that 5%silicafume used to replace cement improves both compressive strength and modulus of elasticity of concrete wherease the fly ash replacement at different proportions reduced both such properties. The most reduction of both compressive strength and modulus of elasticity of concrete was monitored when 20% of cement was replaced by 15% of fly ash and 5% of silicafume. In general, the ratio of modulus of elasticity and compressive strength of all mixes with and without fly ash and silicafume is in the range of 0.8x103 đến 0.9x103 Key words: concreet, compressive strength, modulus of elasticity, fly ash, silicafume, ratio of modulus of elasticity and compressive strength DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU FA : Tro bay SF : Silicafume CP : Cấp phối bê tông RLT : Cường độ lăng trụ E0 : Mô đun đàn hồi của bê tông D : Đường kính mẫu trụ H : Chiều cao mẫu trụ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) ................................................7 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền ...........................................8 Bảng 1.3. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau ................................................................................................................9 Bảng 1.4. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước ..............................10 Bảng 1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 ....................11 Bảng 2.1. Thành phần hạt của cát..................................................................................21 Bảng 2.2. Hàm lượng ion Cl- trong cát .........................................................................22 Bảng 2.3. Thành phần hạt của cốt liệu lớn ....................................................................22 Bảng 2.4. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập ......................................23 Bảng 2.5. Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm ..............................................24 Bảng 2.6. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng ............................................24 Bảng 2.7. So sánh chỉ tiêu chất lượng của Xi măng Nghi Sơn PCB40 với TCVN ......25 Bảng 2.8. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây ............................26 Bảng 2.9. Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4 ....................................................27 Bảng 2.10. Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời .......................................28 Bảng 2.11. Thông số kỹ thuật của silicafume ...............................................................28 Bảng 2.12. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa. Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg L) .29 Bảng 2.13. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông. Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg L) ................................................................30 Bảng 2.14. Các yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa ................................................................................................................31 Bảng 3.1. Thành phần Cát .............................................................................................36 Bảng 3.2. Thành phần Đá dăm ......................................................................................36 Bảng 3.3. Thành phần Xi măng .....................................................................................37 Bảng 3.4. Thành phần Nước ..........................................................................................37 Bảng 3.5. Thành phần cấp phối của các tổ mẫu bê tông ...............................................38 Bảng 3.6. Kết quả đo độ sụt ..........................................................................................47 Bảng 3.7. Cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm .................................................48 Bảng 3.8. Mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm ......................................................50 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử ........................................................................................4 Hình 1.2. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông .....................................................................5 Hình 1.3. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn ................6 Hình 1.4 Silicafume .....................................................................................................14 Hình 1.5. Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tông ...............................................16 Hình 1.6. Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ ............................................17 Hình 2.1. Khuôn thép đúc mẫu ......................................................................................31 Hình 2.2. Máy trộn bê tông ...........................................................................................32 Hình 2.3. Máy nén bê tông ............................................................................................33 Hình 2.4. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi ..............................................................34 Hình 3.1. Côn đo độ sụt .................................................................................................39 Hình 3.2. Đo kiểm tra độ sụt .........................................................................................40 Hình 3.3. Cân, đo các thành phần cấp phối ...................................................................41 Hình 3.4. Đúc mẫu và dưỡng hộ ...................................................................................41 Hình 3.5. Quá trình nén mẫu .........................................................................................42 Hình 3.6 Khung và đồng hồ đo biến dạng .....................................................................44 Hình 3.7. Mẫu kiểm tra mô đun đàn hồi........................................................................45 Hình 3.8. Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi......................................................................46 Hình 3.9. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm ...............................................................47 Hình 3.10. Biểu đồ cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm ...................................49 Hình 3.11. Biểu đồ mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm .......................................51 Hình 3.12. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của bê tông ..............52 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Silicafume là một dạng cấu trúc vô định hình của silic điôxít. Silicafume là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Silicafume có kích thước rất nhỏ bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5 μm [1]. Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy, được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện. Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt từ 1μm đến 10 μm [2]. Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm các thành phần: Cốt liệu và chất kết dính. Chất kết dính bao gồm: Xi măng + nước, phụ gia….Với hầu hết bê tông hiện đang sử dụng thì thành phần cơ bản là cốt liệu, xi măng và nước. Cường độ của cốt liệu là cố định, được quy định bởi sự hình thành của tự nhiên, trong quá trình sử dụng vật liệu chúng ta đã chọn trước nguồn gốc sử dụng cốt liệu. Như vậy tính năng cơ lý của hỗn hợp bê tông cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chất kết dính và các lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau [3]. Với đặc tính của silicafume và tro bay đều là các chất có khả năng lấp đầy lỗ rỗng của các cốt liệu khi cùng làm việc trong bê tông. Do đó có thể làm thay đổi đến cường độ, mô đun đàn hồi và các chỉ tiêu khác của bê tông. Nhằm mở rộng nghiên cứu vai trò của silicafume và tro bay ảnh hưởng như thế nào đến bê tông, để đưa ra các khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông”. 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu thử để xác định ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. Tổng khối lượng silicafume và tro bay thay thế xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và 20%. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đánh giá tổng quan về bê tông và các đặc tính của bê tông, cũng như ứng dụng của silicafume và tro bay trong lĩnh vực xây dựng. - Các loại vật liệu: Cát Diên Khánh (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Đá Hòn Ngang (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Xi măng Nghi Sơn PCB 40; Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; Tro bay Công ty Nhiệt điện Vĩnh Tân (Ninh Thuận). - Các mẫu bê tông thí nghiệm có tổng khối lượng silicafume và tro bay thay thế xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và 20%. - Các mẫu bê tông thí nghiệm có lượng silicafume thay thế xi măng là là 5%, 10%. 2 - Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông đến 90 ngày. - Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với sự phát triển mô đun đàn hồi của bê tông từ đó tìm ra tỉ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng. - Đánh giá các công trình nghiên cứu trước đó về sự tác động riêng biệt của tro bay và silicafume đến mô đun đàn hồi của bê tông. 4. Phương pháp nghiên cứu -Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam: + TCVN 3105:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo và bão dưỡng mẫu; + TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng – Phương pháp thử độ sụt; + TCVN 3115:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích; + TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén; + TCVN 5726:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ lăng trụ và Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh. - Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm. - Đánh giá sự ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. 5. Ý nghĩa của đề tài - Xác định khả năng ảnh hưởng của việc sử dụng silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. - Đưa ra các khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế. 6. Bố cục đề tài Mở đầu: 1. Tính cấp thiết của đề tài. 2. Mục tiêu đề tài. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu. 5. Ý nghĩa của đề tài. Chương 1: Tổng quan về bê tông và phạm vi ứng dụng của silicafume, tro bay trong xây dựng. Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm. Chương 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. Kết luận và kiến nghị chung 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA SILICAFUME, TRO BAY TRONG XÂY DỰNG 1.1. Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông 1.1.1. Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia. Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn. Loại bé là cát có kích thước (1-5) mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5-40) mm. Chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác. Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong quá trình sử dụng. Có nhiều loại phụ gia như phụ gia nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông, nâng cao cường độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm [4]. Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng [4]. Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dạng kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một số ít nước thừa và lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi). Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo [4]. Bê tông được phân loại theo các cách sau [4]: - Theo cấu trúc: bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng (dùng ít cát), bê tông tổ ong, bê tông xốp. - Theo dung lượng: bê tông nặng (γ = 2200 - 2500 kG/m3 ); bê tông nặng cốt liệu bé (γ = 1800 - 2200 kG/m3 ); bê tông nhẹ (γ < 1800 kG m3 ); bê tông đặc biệt nặng (γ> 2500 kG/m3 ). - Theo chất kết dính: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông chất dẻo, bê tông thạch cao, bê tông xỉ, bê tông sillicat. - Theo phạm vi sử dụng: bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tông chịu nóng, bê tông cách nhiệt, bê tông chống xâm thực v.v... - Theo thành phần hạt: bê tông thông thường, bê tông cốt liệu bé, bê tông chèn đá hộc... 4 1.1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông Các đặc trung cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo,... Trong giới hạn đề tài chỉ xét đến cường độ chịu nén và modun đàn hồi. 1.1.2.1. Cường độ chịu nén của bê tông a. Khái niệm chung: Cường độ chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông. Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu lăng trụ để đo cường độ có kích thước 150x300 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28, 56, 90 ngày. Bê tông thông thường có cường độ chịu nén R= 5÷30MPa. Bê tông có R> 40MPa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R≥ 80MPa. Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang. Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của nó. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh như hình 1.1b. Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc để bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra như trên hình 1.1c. Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông có ma sát. 1- mẫu; 2- bàn máy nén; 3- ma sát; 4-bê tông bị ép vụn; 5- hình tháp phá hoại; 6- vết nứt dọc theo mẫu. Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử 5 Vì ma sát làm cản trở biến dạng ngang mà với mẫu khối khi tăng cạnh a thì R giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông. b. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông Thành phần và công nghệ chế tạo Cường độ của bê tông lớn hay bé là do thành phần và công nghệ chế tạo quyết định. Một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cường độ bê tông: Chất lượng và số lượng xi măng. Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu. Tỷ lệ giữa nước và xi măng. Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện bảo dưỡng bê tông. Nói chung các nhân tố trên ảnh hưởng quyết định đến R, Rt nhưng mức độ có khác nhau. Ví dụ tỷ lệ nước trên xi măng N XM có ảnh hưởng rất lớn đến R và có phần ít hơn đối với Rt; độ sạch cốt liệu ảnh hưởng lớn đến R và rất lớn đối với Rt cũng như khả năng chịu cắt của bê tông. Tuổi của bê tông Tuổi là thời gian t (ngày) tính từ lúc chế tạo bê tông đến khi nó chịu lực. Cường độ của bê tông tăng theo thời gian. Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần. Với bê tông dùng xi măng pooclăng chế tạo và bảo dưỡng trong điều kiện bình thường, cường độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu. Để biểu diễn sự tăng của R theo t có thể dùng một số công thức thực nghiệm. Công thức của B.G. XKramtaep (1935) theo qui luật logarit, với t = 7÷300 ngày: Rt=0,7R28lg(t) Hình 1.2. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông Trong môi trường thuận lợi (nhiệt độ dương, độ ẩm cao) sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm. Còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cường độ trong thời gian sau này là không đáng kể. Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bê tông làm cho cường độ tăng rất nhanh trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho bê tông trở nên dòn hơn và có cường độ cuối cùng thấp hơn so với bê tông được bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn. 6 Ảnh hưởng của tỉ lệ N X đến cường độ chịu nén, chịu uốn của bê tông: Đá xi măng (mác xi măng và tỷ lệ X N ) có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ X N thực chất là phụ thuộc vào thể tích rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa. Hình 1.6 biểu thị mối quan hệ giữa cường độ bê tông và lượng nước nhào trộn. a- vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được; b- vùng hỗn hợp bê tông có cường độ và độ đặc cao; c- vùng hỗn hợp bê tông dẻo; d- vùng hỗn hợp bê tông chảy. Hình 1.3. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn 1.1.2.2. Mô đun đàn hồi của bê tông Mô đun đàn hồi bê tông, là đại lượng thể hiện độ cứng của bê tông được trình bày chi tiết ở mục 1.6. 1.2. Tổng quan về tro bay 1.2.1. Khái niệm về tro bay Tro bay (Fly ash - FA) là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện thải ra môi trường. Nó được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo. Người ta thường dùng luồng khí để phân loại tro thành tro bay là loại nhỏ mịn, bay lên với khói lò, loại không bay lên người ta gọi là tro cặn (tro đáy). Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O... Ngoài ra, có thể chứa một lượng than chưa cháy với hàm lượng cacbon còn lại trong tro bay nhỏ hơn 4% và một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, một lượng nhỏ nhóm OH ở bề mặt và amonia...[5]. Có hai loại tro bay là loại C (hàm lượng Ca và Mg cao, tới 20%) và tro bay loại F (hàm lượng Ca và Mg nhỏ hơn nhiều với tro bay loại C). 7 Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [6]. Bảng 1.1. Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) [6] Tính chất hóa học Loại F Loại C SiO2 + AI2O3 + Fe2O3 Min% 70 50 SO3 Max% 5 5 Ðộ âm Max% 3 3 Mất khi nung (Loss on ignition - LOI) Max% 6 6 Hàm lượng kiềm Max% 1,5 1,5 Loại F Loại C Tính chất vật lý Ðộ mịn Max% 34 34 Tính chất puzzolan xi măng (07 ngày) Min% 75 75 Tính chất puzzolan xi măng (28 ngày) Min% 75 75 Lượng nước yêu cầu Max% 105 105 Ðộ nở trong Autoclave Max% 0.8 0.8 Tính đồng nhất về mật độ Max% 5 5 Tính đồng nhất về mật độ Max% 5 5 255 - LOI x Ðộ mịn Tăng độ co khô Max% 0.03 0.03 Tính đồng nhất hòa tan trong không khí Max% 20 20 Phản ứng kiềm hóa Max% 0.020 - Ghi chú: Mất khi nung (LOI) là hiện tượng carbon cháy hết trong tro và nó ảnh hưởng đến chất lượng bằng cách tăng nhu cầu nước, giảm độ mịn và phản ứng pozzolanic. ASTM C618 (2008) quy định mức tối đa của LOI là 6% [6]. Tro bay có đặc tính rất bền nhiệt, ít bị co ngót kích thước, bền với các loại hóa chất, giá thành rẻ... 8 1.2.2. Thành phần tro bay *. Thành phần hóa học tro bay Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá. Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO 2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện [7]. Bảng 1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [8] Thành phần Khoảng (% khối lượng) Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia SiO2 28,5-59,7 37,8-58,5 35,6-57,2 50,2-59,7 48,8-66,0 Al2O3 12,5-35,6 19,1-28,6 18,8-55,0 14,0-32,4 17,0-27,8 Fe2O3 2,6-21,2 6,8-25,5 2,3-19,3 2,7-14,4 1,1-13,9 CaO 0,5-28,9 1,4-22,4 1,1-7,0 0,6-2,6 2,9-5,3 MgO 0,6-3,8 0,7-4,8 0,7-4,8 0,1-2,1 0,3-2,0 Na2O 0,1-1,9 0,3-1,8 0,6-1,3 0,5-1,2 0,2-1,3 K2 O 0,4-4,0 0,9-2,6 0,8-0,9 0,8-4,7 1,1-2,9 P2O5 0,1-1,7 0,1-0,3 1,1-1,5 0,1-0,6 0,2-3,9 TiO2 0,5-2,6 1,1-1,6 0,2-0,7 1,0-2,7 1,3-3,7 MnO 0,03-0,2 - - 0,5-1,4 - SO3 0,1–12,7 0,1–2,1 1,0–2,9 - 0,1–0,6 MKN 0,8–32,8 0,2–11,0 - 0,5-5,0 - Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [9]. 9 Bảng 1.3. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau [9] Thành phần (%) Loại tro bay SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO Than đen ZS- 14 54,1 28,5 5,5 1,1 1,9 1,8 ZS- 17 41,3 24,1 7,1 1,0 2,0 2,7 ZS- 13 27,4 6,6 3,8 1,0 8,2 34,5 ZS-16 47,3 31,4 7,7 1,6 1,9 1,7 Than nâu Kết quả trên cho thấy,thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat. Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi Silicat [9]. Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số các mẫu tro bay ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3, hàm lượng của chúng vào khoảng 650 g kg đến 850 g kg. Các thành phần khác bao gồm lượng than chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung Quốc chứa hàm lượng than chưa cháy cao là do hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc. Theo tiêu chuẩn phân loại ASTM C 618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung Quốc [10]. 1.2.3 Hiện trạng nguồn nguyên liệu tro bay trong và ngoài nước Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng năm. Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn [12]. 10 Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà máy nhiệt điện lớn của thế giới [12]. Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,… Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng. Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn. Năm 2009, công suất phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8%. Mặc dù, lượng tiêu thụ than đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả của máy phát điện, nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng [13]. Năm 2010, lượng tro bay tạo ra là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn. Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu tấn. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong bảng 1.4 [12-14,16]. Bảng 1.4. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước Nước sản Sản lượng tro bay hàng Tro bay sử dụng xuất năm (triệu tấn) (%) 1 Trung Quốc (2010) 480 67 2 Ấn Độ (2012) 131 54 3 Mỹ (2010) 70 45 4 Đức 40 85 5 Anh 15 50 6 Australia 10 85 7 Canada 6 75 8 Pháp 3 85 9 Đan Mạch 2 100 10 Ý 2 100 11 Hà Lan 2 100 TT 11 Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc, do gần nguồn than. Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tính ở thời điểm 2010 là 4.250 MW [17] và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW. Bảng 1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 TT Năm Công suất, Tiêu thụ than, Lượng tro bay, MW triệu tấn/năm triệu tấn/năm 1 2010 4.250 12,75 3,82-4,46 2 2015 6.240 18,72 5,61-6,55 3 2020 7.240 21,72 6,51-7,60 Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điện thường là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến 43÷45%. Do đó, các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro bay khá lớn, có thể chiếm tới 20-30% lượng than sử dụng. Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g kWh, tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng tro bay tạo thành được trình bày trong bảng 1.5 [17]. 1.3. Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [18]. Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn nước, các nhà máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường ống dẫn,... Đến năm 2008, tổng lượng các sản phẩm từ đốt than đá của nhà máy nhiệt điện ở Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tương đương khoảng 39 triệu tấn. Khoảng 18 triệu tấn tro bay được sử dụng trong công nghiệp xây dựng và san lấp hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đường và làm vật liệu để sản xuất clinke xi măng. Tro bay cũng được sử dụng trong xi măng trộn, bê trong khối và làm chất điền lấp [19]. Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra hàng trăm triệu tấn tro bay mỗi năm. Do vậy, chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các công nghệ liên quan đến việc sử dụng tro bay. Một vài thành phố đã sử dụng rất tốt tro bay trong những năm gần đây như thành phố Nam Ninh. Năm 2005, lượng tro bay được sử dụng ở thành phố này đã vượt qua cả lượng tro bay được tạo ra. Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường hợp ngoại lệ. Tro bay ở Trung Quốc được sử dụng trong các lĩnh vực chủ yếu sau: Các sản phẩm bê tông (phụ gia cho xi măng, vữa, bê tông, gạch,...); Xây dựng đường giao thông; Xây 12 dựng cảng; Cải tạo đất trồng; Xử lý ô nhiễm nước; Sử dụng để lấp các mỏ hay các vùng đất lớn hơn dọc theo bờ biển. Ngoài ra, tro bay còn được sử dụng cho một vài ứng dụng khác như tổng hợp zeolit, chất gia cường cho cao su [10]. Tại Ấn Độ, Chính phủ nước này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận thức về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau [20-22]. Tro bay là một nguyên liệu tiềm năng tuyệt vời cho sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng pha trộn, gạch tro bay, gạch ốp lát và các khối rỗng trong xây dựng. Chúng được ứng dụng môt lương lớn để rải đường, xây dựng kè, và san lấp hầm mỏ. Sản phẩm tro bay có nhiều lợi thế hơn so với các sản phẩm thông thường. Lượng xi măng sử dụng trong sản xuất sản phẩm xây dựng có thể giảm bằng cách thay thế bằng tro bay và lượng tro bay thay thế có thể lên đến 50%. Những sản phẩm chứa tro bay có độ bền cao, hiệu quả hơn và tiết kiệm đáng kể nguyên liệu. Việc sử dụng tro bay ở Ấn Độ đã tạo ra công ăn việc làm cho khoảng 3.000 lao động [23]. 1.3.1. Một số công trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam Nước ta hiện đang trong quá trình phát triển xây dựng cầu cống, các công trình thuỷ điện, các đê kè. Theo khảo sát thì các công ty bê tông cung cấp cho thị trường khoảng 15% là bê tông đúc sẵn, 85% còn lại là do các nhà máy xi măng bán thẳng cho chủ đầu tư xây dựng. Tro bay được dùng làm phụ gia bê tông khối lớn cho các công trình đập thuỷ điện áp dụng công nghệ đổ bê tông đầm lăn như nhà máy thuỷ điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2,… và một số công trình khác như đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập Lòng Sông (Bình Thuận),… [17]. Tác giả Nguyễn Công Thắng và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica và tro bay, cho thấy có thể sử dụng tro bay Việt Nam thay thế một phần xi măng để chế tạo BTCLSC. Việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng sẽ cải thiện tính chất của hỗn hợp BTCLSC [24]. Tro bay có hàm lượng mất khi nung nhỏ hơn 11% có thể dùng để trộn vào xi măng với tỷ lệ trung bình 10÷20%. Hiện tại, tro bay Phả Lại (SCL- FLY ASH) đã được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất tại Nhà máy xi măng Hoàng Thạch với tỷ lệ trộn 14%, tại nhà máy xi măng Sông Gianh với tỷ lệ trộn 18% [25]. Sử dụng gạch xây không nung từ tro bay cho nhà cao tầng có hiệu quả kinh tế khá cao. Hỗn hợp vật liệu làm gạch gồm tro bay, xi măng, vôi, thạch cao và bột nhôm, trong đó tro bay là thành phần chính, chiếm đến 70% khối lượng. Vì vậy nhu cầu tro bay để cung ứng cho thị trường sản xuất gạch không nung, gạch bê tông nhẹ và bê tông là rất lớn [17]. Việc nghiên cứu sử dụng tro bay không những góp phần tận dụng phế phẩm sinh ra từ các nhà máy công nghiệp và bảo vệ môi trường, hiện nay tro bay được các nhà nghiên cứu sử dụng như một loại vật liệu đáp ứng linh hoạt trong việc sản xuất vật liệu xây dựng, góp phần tăng hiệu quả kinh tế cho nhà đầu tư.