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 ........................................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2
5. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................................... 3
6. Bố cục đề tài ........................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA
TRO BAY, VÔI TRONG XÂY DỰNG .......................................................................4
1.1. Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông ............................................................. 4
1.1.1. Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông ...................................... 4
1.1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông ..................................................................... 5
1.2. Tổng quan về tro bay ............................................................................................... 8
1.2.1. Khái niệm về tro bay ......................................................................................... 8
1.2.2. Thành phần tro bay.......................................................................................... 10
1.3. Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng ............................................................ 16
1.3.1. Một số công trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam .................... 17
1.3.2. Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và công trình trên thế giới .............. 19
1.4. Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tro bay đến mô đun đàn hồi của bê
tông ............................................................................................................................... 20
1.4.1. Các công trình nghiên cứu trong nước ............................................................ 20
1.4.2. Các công trình nghiên cứu nước ngoài ........................................................... 21
1.5. Tổng quan về tính chất cơ lý và ứng dụng của vôi trong xây dựng ...................... 22
1.5.1. Thành phần và tính chất cơ lý của vôi ............................................................ 22
1.5.2. Ứng dụng của vôi trong lĩnh vực bê tông và xây dựng ................................... 22
1.5.3. Tiềm năng kết hợp giữa vôi và tro bay ........................................................... 22
1.6. Nhận xét chương.................................................................................................... 24
CHƢƠNG 2. TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .............25
2.1. Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm .............................................................. 25
2.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 25
2.2.1. Cát (Cốt liệu nhỏ) ............................................................................................ 25
2.2.2. Đá dăm (Cốt liệu lớn) ..................................................................................... 26
2.2.3. Xi măng ........................................................................................................... 28
2.2.4. Tro Bay............................................................................................................ 30
2.2.5. Vôi (Ca (OH)2) ................................................................................................ 30
2.2.6. Nước ................................................................................................................ 30
2.3. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 33
2.3.1. Ván khuôn: Khuôn kích thước (150x300)mm. ............................................... 33
2.3.2. Máy trộn .......................................................................................................... 33
2.3.3. Thiết bị đầm bê tông ....................................................................................... 34
2.3.4. Phòng dưỡng hộ bê tông ................................................................................. 34
2.3.5. Thiết bị đo độ sụt............................................................................................. 34
2.3.6. Máy nén ........................................................................................................... 34
2.3.7. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông ............................................ 35
2.4. Nhận xét chương.................................................................................................... 36
CHƢƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA VÔI ĐẾN MÔ
ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG CÓ HÀM LƢỢNG LỚN TRO BAY ................37
3.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 37
3.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ......................................................................... 38
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 vôi đến cường độ chịu nén của bê tông có hàm lượng lớn
tro bay........................................................................................................................ 47
3.8.3. Ảnh hường của vôi đến mô đun đàn hồi của bê tông có hàm lượng lớn tro
bay ............................................................................................................................. 50
3.9. Nhận xét chương.................................................................................................... 52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 55
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘİ ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BİỆN.
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
ẢNH HƢỞNG CỦA VÔI ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA
BÊ TÔNG CÓ HÀM LƢỢNG LỚN TRO BAY
Học viên: Trần Lý Sĩ Sơn
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.
Mã số: 60.58.02.08.
Khóa: K33.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 tro bay và vôi như là loại vật liệu thay thế
một phần xi măng poc lăng trong hỗn hợp bê tông là vấn đề thật sự cần thiết.
Luận văn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của vôi đến mô đun đàn hồi của bê tông có
hàm lượng lớn tro bay. Các mẫu thí nghiệm với tỉ lệ 40% tro bay thay thế xi măng, tiếp tục
cho vôi vào thay thế thế xi măng còn lại với tỉ lệ là 5%, 10%, 20%, 25% và giữ nguyên khối
lượng cát, đá và nước. Các mẫu thí nghiệm là mẫu hình trụ có kích thước 150x300mm được
dưỡng hộ trong môi trường không khí 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 nghiên cứu cho ta thấy rằng khi sử dụng một lượng lớn tro bay thay thế xi măng
thì độ lưu động của hỗn hợp bê tông sẽ tăng và khi tiếp tục cho vôi vào thay thế xi măng thì
độ lưu động của hỗn hợp bê tông giảm. Vôi trong bê tông có hàm lượng lớn tro bay 40% góp
phần giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của bê tông ở tuổi 28 nhưng vẫn tiếp tục
phát triển ở tuổi 56 và 90 ngày. Cường độ chịu nén của mẫu có hàm lượng lớn tro bay (40%) và
vôi (10%) khi dùng thay thế xi măng có sự giảm nhỏ nhất so và đạt trên 80% so với mẫu đối
chứng 40% tro bay và không có vôi. Mô đun đàn hồi của các mẫu bê tông có vôi thay thế thêm
một phần xi măng và có hàm lượng lớn tro bay 40% giảm so với mô đun đàn hồi của mẫu có 40%
tro bay nhưng không có vôi, trong đó mô đun đàn hồi của mẫu có 5% vôi suy giảm ít nhất và đạt
hơn 90% so với mẫu đối chứng 40% tro bay và không có vôi; và vẫn tiếp tục phát triển từ tuổi 28,
56, 90 ngày. Ngoài ra, khi 10% vôi được sử dụng để thay thế xi măng thì mô đun đàn hồi đạt trên
80% so với mẫu đối chứng có hàm lương tro bay 40% và không có vôi. Nằm trong giới hạn
nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% vôi để thay thế xi măng trong bê tông có hàm
lượng lớn tro bay vì cả cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi tuy có giảm nhưng vẫn đạt trên 80%
so với mẫu đối chứng không có vôi.
Từ khóa: Tro bay, vôi, bê tông, cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, dưỡng hộ trong không
khí.
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 lime to replace partly OPC in the concrete mix.
The project studied the effect of lime on the modulus of elasticity of high volume class F fly
ash from Duyen Hai power station. The mix composition was cementitious material (OPC+
fly ash+ lime): sand: coarse aggregate: water of 1:2:3: 0.5 in which 40% by mass of total
cementitious materials of class F fly ash was used to replace OPC and kept constantly during
project and lime was used to replace the remaining OPC at the replacement portion of 0%,
5%, 10%, 20% and 25%. The modulus of elasticity tests were conducted on the cylinderal
sample dimensions of 150mm diameter and 300mm height and determined at 28, 56 and 90
days. All samples were cured in the laboratory air.
The results show that high volume fly ash used to replace OPC increases the workability of
the fresh concrete, but lime reduces the workability of the fresh concrete. When lime was used
to replace OPC the compressive strength and modulus of elasticity reduced in compared with
the corresponding control samples without lime at ages of 28, 56 and 90 days and these
compressive strengths and modulus of elasticity continued developing. The reduction in
compressive strengths of 40% fly ash concrete with 10% lime was smallest and gained to
value of more than 80% in compared with the corresponding sampes 40% fly ash, but without
lime at 28, 56 and 90 days. When lime was used to replace OPC in 40% fly ash concrete, the
modulus of elasticity reduced in compraed with the samples without lime. The reduction in
modulus of elasticity of 40% fly ash concrete with 5% lime was smallest and gained to value
of more than 90% in compared with the corresponding sampes 40% fly ash, but without lime
at 28, 56 and 90 days. Moreover, when 10% of lime was used to replace OPC in 40% fly ash
concrete the modulus of elasticty was more than 80% of the correspoding control samples without
lime. Within the range of investigation the authors recommend to use 10% lime to replace OPC in
40% fly ash concrete as both compressive strengths and modulus of elastictiy gained the values of
more than 80% in compared with the control samples without lime at 28, 56 and 90 days.
Keywords: fly ash, lime, concrete, compressive strength, elastic modulus, laboratory air.
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ASTM:
Tiêu chuẩn Mỹ
TCVN:
Tiêu chuẩn Việt Nam
FA:
Tro bay
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
Số
Tên bảng
hiệu
1.1. Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) [6]
1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [8]
Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác
1.3.
nhau [9]
1.4. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước
1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030
2.1. Thành phần hạt của cát
2.2. Hàm lượng ion Cl- trong cát
2.3. Thành phần hạt của cốt liệu lớn
2.4. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập
2.5. Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm
2.6. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng
2.7. So sánh chỉ tiêu chất lượng của Xi măng Hà Tiên PCB40 với TCVN
Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua
2.8. và cặn không tan trong nước trộn vữa. Đơn vị tính bằng miligam trên
lít (mg/L)
Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua
2.9. 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)
Các yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén
2.10.
của vữa
3.1. Thành phần cấp phối của các tổ mẫu bê tông
3.2. Kết quả đo độ sụt
3.3. Cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm
Tỉ lệ (%) cường độ chịu nén của mẫu tro bay không có vôi (M2) so
3.4.
với mẫu đối chứng thứ nhất không có tro bay (M1)
Tỉ lệ (%) cường độ chịu nén của mẫu có vôi so với mẫu đối chứng
3.5.
thứ hai có tro bay, không vôi (M2)
3.6. Mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm
Tỉ lệ (%) mô đun đàn hồi của mẫu tro bay không có vôi (M2) so với
3.7.
mẫu đối chứng thứ nhất không có tro bay (M1)
Tỉ lệ (%) mô đun đàn hồi của mẫu có vôi so với mẫu đối chứng thứ
3.8.
hai có tro bay, không vôi (M2)
Trang
9
10
11
15
16
25
26
26
27
28
28
29
31
32
32
38
47
48
49
49
50
51
52
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Tên hình
Sự phá hoại mẫu thử
Sự phá hoại mẫu thử khối vuông
Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn
Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ
Tro bay (Fly ash)
Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và
1.6.
các hạt nhỏ
Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước
1.7.
thường thấy nhiều hơn
Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ từ
1.8.
1966-2012
Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và sử dụng tro bay
1.9.
ở Trung Quốc từ 2001-2008
1.10. Đập Puylaurent ở Pháp
1.11. Bê tông asphalt sử dụng tro bay
1.12. Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tông
2.1. Vôi (Ca (OH)2) dùng trong thí nghiệm
2.2. Khuôn thép đúc mẫu
2.3. Máy trộn bê tông 300lít
2.4. Bộ côn thử độ sụt
2.5. Máy nén bê tông
2.6. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi
3.1. Côn đo độ sụt
3.2. Đo kiểm tra độ sụt
3.3. Cân, đo các thành phần cấp phối
3.4. Đúc mẫu và dưỡng hộ
3.5. Quá trình nén mẫu
3.6 Khung và đồng hồ đo biến dạng
3.7. Mẫu kiểm tra mô đun đàn hồi
3.8. Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
3.9. Biểu đồ cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm
3.10. Biểu đồ mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm
Trang
5
6
7
8
9
12
12
13
14
19
19
23
30
33
33
34
35
36
39
40
41
41
42
44
45
46
48
51
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vôi là chất kết dính vô cơ rắn trong không khí, dễ sử dụng, giá thành hạ, quá
trình sản xuất đơn giản. Nguyên liệu để sản xuất vôi là các loại đá giàu khoáng canxit
cacbonat CaCO3 như đá san hô, đá vôi, đá đôlômit với hàm lượng sét không lớn hơn
6%. Trong đó hay dùng nhất là đá vôi đặc [1].Trong ngành công nghiệp xây dựng: Vôi
được sử dụng trong sản xuất gạch vôi silic, cách điện và vật liệu xây dựng. Vôi cũng
được sử dụng trong vữa xây tường gạch. Ngoài ra, vôi cũng được thêm vào bê tông và
vữa để cải thiện hiệu suất của công trình xây dựng [1]
Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện.
Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương
pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là những tinh cầu
tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt là 0,05 micromet, tức là
50 nanomet (1 nanomet = 10-9 centimet). Nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò
đốt (đạt khoảng 1.4000C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao [2]. Nhờ độ
mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro
bay, nên khi kết hợp với xi măng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các
sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng
độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền
sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt... Ngoài ra, nó
còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể [2].
Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây
dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới sử dụng sản phẩm
này như là một phụ gia không thể thiếu. Các công trình tiêu biểu đã sự dụng tro
bay làm phụ gia là: Đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ những năm
1950 đã sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đưa tro bay vào công
trình xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980; Công trình Azure trị giá 100 triệu
USD hoàn thành năm 2005 đã sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng [2]. Nhiều
nghiên cứu trên thế giới đã được đúc kết: Các công trình có sử dụng tro bay sẽ đem
đến 3 lợi ích to lớn và rất thiết thực cho ngành công nghiệp xây dựng là: Chất lượng
sản phẩm ưu việt hơn; Giá thành rẻ hơn; Góp phần bảo vệ môi trường [2].
Hiện nay, bê tông vẫn là loại vật liệu phổ biến cho các công trình từ thấp tầng
đến cao tầng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, nguyên liệu sản xuất hầu hết đến từ tự
nhiên như cát, đất sét, đá vôi,... đang dần cạn kiệt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến
môi trường sống như khí thải CO2 từ sản xuất xi măng gây hiệu ứng nhà kính, mất đất
nông nghiệp trong sản xuất gạch, khai thác cát ảnh hưởng dòng chảy gây sạt lở bờ
2
sông... đòi hỏi có những nghiên cứu tối ưu nâng cao cường độ hỗn hợp bê tông nhằm
mang lại hiệu quả tối đa, giảm hao tổn kinh tế và tài nguyên sử dụng [3].
Nhìn chung, hỗn hợp bê tông bao gồm các thành phần: Cốt liệu và chất kết dính.
Chất kết dính bao gồm: Xi măng + nước, phụ gia…. Như vậy, 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. Tuy nhiên, 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 [4].
Với đặc tính của vôi và tro bay đều là các chất kết dính và có khả năng lấp đầy lỗ
rổng của các cốt liệu khi cùng làm việc trong bê tông,… Nhằm mở rộng nghiên cứu
vai trò của vôi ảnh hưởng như thế nào đến mô đun đàn hồi của bê tông có hàm lượng
lớn tro bay đã thôi thúc tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Ảnh hƣởng của vôi đến mô
đun đàn hồi của bê tông có hàm lƣợng lớn tro bay”.
2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu thử để xác định ảnh hưởng của vôi đến mô
đun đàn hồi của bê tông có hàm lượng lớn tro bay (40% tổng khối lượng bột) theo thời
gian. Trên cơ sở đó đưa ra nhận xét về chất lượng của bê tông.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đánh giá tổng quan về bê tông và các đặc tính của nó, cũng như ứng dụng của
tro bay, vôi trong lĩnh vực xây dựng.
- Các loại vật liệu: Vôi trên địa bàn thành phố Nha Trang; Cát tại bãi cát Diên
Lâm (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Đá tại mỏ đá Hòn Ngang (huyện Diên
Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Xi măng PCB40 Hà Tiên; Tro bay tại Nhà máy Nhiệt điện
Duyên Hải tại xã Dân Thành, thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh.
- Các mẫu bê tông thí nghiệm có thành phần tỷ lệ vôi thay thế xi măng là 0%,
5%, 10%, 20% và 25% trong khi hàm lượng tro bay là 40% tổng khối lượng chất kết
dính (bột).
- Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của vôi đến mô đun đàn hồi của bê tông có
hàm lượng lớn tro bay đến 90 ngày.
4. Phƣơng 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.
3
- Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm.
- Đánh giá sự ảnh hưởng của vôi đến mô đun đàn hồi của bê tông có hàm lượng
lớn tro bay.
5. Ý nghĩa của đề tài
Xác định khả năng sử dụng vôi trong bê tông có hàm lượng lớn tro bay để mang
lại hiệu quả mô đun đàn hồi của bê tông. Đưa ra kết luận sử dụng vôi và tro bay thay
thế một phần xi măng. Đồng thời giúp các nhà máy nhiệt điện tìm giải pháp xử lý tro
bay nếu được áp dụng trong việc thay thế một phần xi măng trong sản xuất bê tông.
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.
Chƣơng 1: Tổng quan về bê tông và phạm vi ứng dụng của tro bay, vôi trong
xây dựng.
Chƣơng 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm.
Chƣơng 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vôi đến mô đun đàn hồi của bê
tông có hàm lượng lớn tro bay.
Kết luận và kiến nghị chung.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRO
BAY, VÔI TRONG XÂY DỰNG
1.1. Bê tông và các đặc trƣng 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 [4]. 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...
5
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.
a)
b)
c)
Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử
1 – Mẫu; 3 – Ma sát; 5 – Hình tháp phá hoại
2 – Bàn máy nén; 4 – Bê tông bị ép vụn;
6 – Vết nứt dọc trong mẫu.
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.
6
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:
R
R28
Rt
0
28
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
7
cùng thấp hơn so với bê tông được bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn.
Ảnh hƣởng của tốc độ gia tải và thời gian tác dụng của tải trọng
Tốc độ gia tải khi thí nghiệm cũng ảnh hưởng đến cường độ của mẫu. Tốc độ
gia tải qui định bằng 2kg/cm2/giây và cường độ đạt được là R. Khi gia tải rất chậm,
cường độ bê tông chỉ đạt khoảng (0,85-0.90)R. Khi gia tải nhanh, cường độ bê tông có
thể đạt (1,15-1,20)R.
Ảnh hƣởng của tỉ lệ N/X đến cƣờng 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; dVùng 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, phụ thuộc vào
cường độ bê tông. Giá trị mô đun đàn hồi bê tông cũng thay đổi theo thời gian.
Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông Eb được định nghĩa từ biểu thức Modul là độ
d
dốc của đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng (Hình vẽ), tức là E
. Đường
d
cong biến dạng ứng suất của bê tông là đường phi tuyến tính do sự xuất hiện của từ
biến ngay cả ở giai đoạn ban đầu chất tải.
8
Hình 1.4. Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ
Mô đun đàn hồi ban đầu là mô đun xuất hiện ngay khi chất tải. Mô đun ban đầu
của bê tông được định nghĩa từ biểu thức:
Eb
b
el
tg
0
(4)
αo- Góc lập bởi tiếp tuyến tại góc của biểu đồ ζ - ε với trục ε.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê thông cũng chủ yếu bao gồm
thành phần cấp phối, loại cốt liệu, chất kết dính (xi măng,..) và công nghệ chế tạo, điều
kiện dưỡng hộ. Ngoài ra cũng giống như cường độ chịu nén thì mô đun đàn hồi của bê
tông cũng phụ thuộc vào tuổi bê tông.
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).
9
Hình 1.5. Tro bay (Fly ash)
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
10
LOI x Ðộ mịn
255
-
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...
1.2.2. Thành phần tro bay
1.2.2.1. 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 [7]. 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 SiO2,
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]
Khoảng (% khối lượng)
Thành
phần
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
11
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].
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].
1.2.2.2. Các nguyên tố vi lượng trong tro bay
Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ô nhiễm
không khí và phát tán các kim loại các nguyên tố vi lượng độc hại. Hiểu được sự thay
đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá cũng như hàm lượng của nó
12
có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng trong vấn đề đánh giá tác động môi
trường của các nhà máy nhiệt điện cũng như các ứng dụng tro bay. Hàm lượng các
nguyên tố vi lượng trong tro bay phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng của chúng có trong
nguyên liệu ban đầu.
Dựa trên kết quả nghiên cứu các mẫu tro bay thu được từ 7 nhà máy nhiệt điện
khác nhau ở Canada [7], các nhà nghiên cứu nước này đã cho biết hàm lượng của các
kim loại nặng như As, Cd, Hg, Mo, Ni hay Pb trong tro bay có liên quan với hàm
lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu than đá ban đầu. Thông thường, các loại than đá
có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ có hàm lượng các nguyên tố này cao. Tro bay ở
Canada được thu hồi bằng phương pháp kết lắng tĩnh điện hoặc phương pháp lọc túi.
Kết quả cho thấy hàm lượng các nguyên tố trên trong các loại tro bay thu được từ
phương pháp lọc túi cao hơn so với các mẫu tro bay thu được bằng phương pháp kết
lắng tĩnh điện trong cùng một nhà máy [7].
1.2.2.3. Cấu trúc hình thái của tro bay
Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau,
các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau [11]. Các
hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường, các hạt
tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong
rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng. Một trong các dạng
thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như
thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và
các oxit khác.
Hình 1.6. Sự tương phản về kích
thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn
và các hạt nhỏ
Hình 1.7. Biểu diễn đặc trưng
dạng cầu của các hạt trong khoảng kích
thước thường thấy nhiều hơn
- Xem thêm -
.PDF 
77 
2 
90 
