Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện An Khánh và Cao Ngạn trong thành phần bê tông làm lớp mặt đường giao thông nông thôn. Kết quả nghiên cứu đã xác định được hàm lượng xỉ nhiệt điện tối ưu thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu mịn và thô trong thành phần bê tông xi măng làm đường giao thông nông thôn.
Trang 1Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO XỈ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TRONG THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG
LÀM LỚP MẶT ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN
Đỗ Mai Anh*, Nguyễn Văn Đạt, Đinh Phúc Thương, Nguyễn Quang Trung
Trường Đại học Mỏ - Địa Chất
*Tác giả liên lạc: maianhdcct59@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện An Khánh
và Cao Ngạn trong thành phần bê tông làm lớp mặt đường giao thông nông thôn Kết quả nghiên cứu đã xác định được hàm lượng xỉ nhiệt điện tối ưu thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu mịn và thô trong thành phần bê tông xi măng làm đường giao thông nông thôn Xác định được hàm lượng tro bay tối ưu để thay thế một phần hàm lượng xi măng hỗn hợp PCB 40 bằng tro bay của hai nhà máy nhiệt điện An Khánh và Cao Ngạn trong thành phần bê tông xi măng Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết tính tóa n cấp phối bê tông có sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện và có ý nghĩa thực tiễn tận dụng tro xỉ các nhà máy nhiệt điện làm giảm lượng chất thải tại các nhà máy nhiệt điện, hạn chế ô nhiễm môi trường
Từ khóa: Tro xỉ, nhà máy điện
RESEARCH ON USING OF ASH SLAG OF THERMAL POWER PLANTS IN THE COMPOSITION OF CONCRETE FOR
CONSTRUCTION ROAD
Do Mai Anh*, Nguyen Van Dat, Dinh Phuc Thuong, Nguyen Quang Trung
Ha Noi University of Mining and Geology
*Corresponding Author: maianhdcct59@gmail.com
ABSTRACT
This paper presents the results of research on the use of ash slag in An Khanh and Cao Ngan hydropower plants in the composition of the road surface The results of this research have determined the optimum ash content to replace part
or all of fine aggregate and coarse aggregate in cementitious concrete components for rural roads Determination of optimum fly ash content to replace part of PCB 40 composite cement by fly ash of two An Khanh and Cao Ngan thermal power plants in cement concrete Contribute to the improvement of the theoretical basis for the composting of concrete using ash plant and practical significance to make use of ashes of thermal power plants to reduce waste in thermal power plants, limiting environmental pollution
Keywords: Ash, thermal power
TỔNG QUAN
Hiện nay, Việt Nam có 21 nhà máy
nhiệt điện than đang vận hành, tiêu thụ
khoảng 45 triệu tấn than/năm, thải ra
hàng năm hơn 16 triệu tấn tro xỉ và
tổng diện tích các bãi thải xỉ hơn
700ha Theo dự báo đến năm 2020, nước ta sẽ có tổng 43 nhà máy nhiệt điện với công suất 39020 MW, hằng năm sẽ thải ra một lượng tro xỉ lớn hơn
30 triệu tấn/năm Vì thế, nảy sinh các vấn đề môi trường như sẽ mất một diện
Trang 2Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học tích đất rất lớn để tập hợp chất thải,
khói bụi từ tro xỉ sẽ gây ô nhiễm nguồn
nước, nước rỉ từ bãi thải gây ô nhiễm
môi trường…
Trên thế giới, tro xỉ thải có thể ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau,
đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng đường
giao thông Hiệp hội tro bay của Mỹ
American Coal Ash Association,
2003 đã đưa ra những ứng dụng của
tro bay trong lĩnh vực giao thông cũng
như các phương pháp nghiên cứu
chúng Một số tác giả đã nghiên cứu sử
dụng tro bay với nhiều mục đích khác
nhau Behera, R K (2010), Cetin, B.,
A H Aydilek and Y Guney (2010),
Edil, T B., H A Acosta and C H
Benson (2006), Ismaiel, H A H
(2006), Erdem O Tastan at el, 2011
Có thể thấy, việc tái sử dụng tro xỉ các
nhà máy nhiệt điện đốt than đã và đang
đẩy mạnh trên thế giới
Một số nghiên cứu trong nước đã sử
dụng tro xỉ để sản xuất xi măng, làm bê
tông trọng lượng nhẹ, làm vật liệu xây
dựng, tro xỉ làm chất cải tạo đất cho
cây trồng Bùi Anh Tuấn (2016), Chu
Thị Hồng Nhạn và nnk (2014), Đỗ Văn
Nụ (2010, Nguyễn Mạnh Thủy và nnk
(2005), Hoàng Minh Đức và nnk
(2015), Đặng Công Hưởng(2017)…
Tuy nhiên, lượng tro xỉ thải ra hàng
năm quá lớn Vì vậy, việc nghiên cứu tái
chế, sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện cần
được đẩy mạnh không chỉ trong lĩnh vực
xây dựng mà còn trong tất cả các lĩnh vực
khác.Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử
dụng tro xỉ là hết sức cần thiết
Bài báo này đã tập trung nghiên cứu sử
dụng xỉ thải nhà máy nhiệt điện làm cốt
liệu thay thế cho cát và đá trong thành
phần bê tông xi măng làm lớp mặt
đường giao thông nông thôn
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để chế tạo bê tông có sử dụng tro xỉ
các nhà máy nhiệt điện, đã tiến hành lấy mẫu tro xỉ (xỉ đáy lò, tro bay) tại hai nhà máy nhiệt điện An Khánh và Cao Ngạn tỉnh Thái Nguyên Các mẫu lấy về được nghiên cứu các chỉ tiêu kỹ thuật cho tro xỉ để sử dụng trong thành phần bê tông như: thành phần hạt (TCVN 7570:2006); hàm lượng tạp chất (TCVN 7572:2006); khối lượng riêng (TCVN 4030:2003)
Bê tông thiết kế gồm các thành phần đá dăm, xỉ đáy lò (hoặc tro bay), cát, nước
và xi măng Các thành phần đá dăm, nước và xi măng đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật Bê tông tro xỉ được sử dụng làm lớp mặt đường giao thông nông thôn hạng A, B; Mac M30; độ sụt
2 - 4cm; độ mài mòn ≤ 0,6 g/cm2 Để thiết kế thành phần bê tông, sử dụng phương pháp tính tóa n kết hợp với thực nghiệm của Bolomey – Skramtaev (Nga) Loại xi măng sử dụng là xi măng PCB40, chất lượng cốt liệu thấp, độ sụt thiết kế 3 – 5cm
Trong quá trình tính tóa n lý thuyết trên cơ sở
Xỉ đáy lò sẽ được thay thế cát trong thành phần bê tông Các nhóm xỉ > 5mm sẽ thay thế một phần đá dăm trong cấp phối Tro bay sẽ được thay thế một phần chất kết dính xi măng Sau khi tính tóa n lý thuyết, tiến hành đúc mẫu xác định các chỉ tiêu kỹ thuật:
độ sụt (TCVN 3106:1993); cường độ kháng nén (TCVN 3118:1993), độ mài mòn (TCVN 3114:1993), cường độ kháng uốn (TCVN 3119:1993) Trong trường hợp nếu chưa đủ độ sụt thì thêm nước và xi măng để cho đạt đủ độ sụt, sao cho tỷ lệ N/X không đổi
Thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm “Địa kỹ thuật công trình” LAS XD 928 của Bộ môn Địa chất công trình, khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất và phòng thí nghiệm “Kỹ thuật đất đá và vật liệu xây dựng” LAS
XD 80 của Trung tâm Nghiên cứu Địa
Trang 3Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
kỹ thuật, trường Đại học Mỏ - Địa chất
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả xác định các chỉ tiêu kỹ
thuật của tro xỉ
Các kết quả xác định các chỉ tiêu kỹ
thuật cho tro xỉ để sử dụng trong thành
phần bê tông như: Xác định thành phần
hạt; Xác định hàm lượng tạp chất
- Về bê tông sử dụng tro xỉ An Khánh:
Với phương pháp thiết kế cấp phối
không hoàn toàn có thể sử dụng được
lượng nước thiết kế ban đầu mà lượng
nước sử dụng làm bê tông tro xỉ lớn
hơn sao với bê tông thông thường
Với phương pháp tận dụng cỡ hạt >
5mm của tro xỉ để thay thế một phần
đá dăm trong cấp phối thì bê tông tro
xỉ An Khánh có thể đạt Mac thiết kế
Điều đó cho thấy tro xỉ An Khánh hoàn
toàn phù hợp thay thế hoàn toàn cốt
liệu mịn và một phần cốt thiệu thô
trong thành phần bê tông làm lớp mặt
đường
- Về bê tông sử dụng tro xi Cao Ngạn:
Do thành phần hạt <0,14mm nhiều và
các hạt 0.314 – 0.63mm là chủ yếu nên
chất lượng cốt liệu rất thấp điều đó dẫn
đến khối lượng xi măng và lượng nước
cho cấp phối lớn Sau kết quả thí
nghiệm thì mẫu không đạt được Mac
thiết kế Nhóm tác giả đã sử dụng
phương pháp rửa gạt sạch tạp chất bẩn
(hạt <0,14 mm) và thiết kế cấp phối,
nhưng vẫn không đạt được Mác thiết
kế Vì vậy, phương án không khả thi
nên nhóm nghiên cứu loại bỏ phương
án thay thế hoàn toàn cốt liệu nhỏ là cát
trong cấp phối bằng tro xỉ Cao Ngạn và
chuyển sang phương án thay thế một
phần cát trong cấp phối
Do cát có thành phần cốt liệu rất tốt để
chế tạo bê tông nên khi thay thế 15% là
tro xỉ Cao Ngạn thì mẫu có thể đạt
được Mác thiết kế Điều đó cho thấy
Cao Ngạn không thể thay thế làm cốt
liệu nhỏ hoàn toàn được mà chỉ có thể
thay thế một phần trong cấp phối bê tông
- Về bê tông sử dụng tro bay Cao Ngạn, tro bay An Khánh làm thành phần phụ gia khóa ng để thay thế một phần lượng xi măng trong cấp phối tiêu chuẩn:
Nhóm tác giả đã nghiên cứu 2 tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay 30% và 10% Sau khi đúc và kiểm tra mẫu thì với lượng thay thế xi măng là 30% thì mẫu không đạt được Mac thiết kế do thành phần tro bay kết hợp với xi măng pooclang hỗn hợp làm giảm cường độ dính kết cốt liệu nên không thể thay thế quá nhiều xi măng trong cấp phối Với lượng thay thế xi măng là 10% thì mẫu
đã có thể đạt được Mac thiết kế nên phương án bê tông sử dụng tro bay An Khánh và tro bay Cao Ngạn có tính khả thi và có thể nghiên cứu tiếp
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu rút ra một số kết luận sau:
1 Khi xác định các yêu cầu kỹ thuật cho xỉ các nhà máy nhiệt điện sử dụng làm cốt liệu cho bê tông cho thấy:
- Về chất lượng cốt liệu: Tro xỉ An Khánh chất lượng trung bình, Tro xỉ Cao Ngạn chất lượng kém
- Về cấp phối: Các loại xỉ của nhà máy nhiệt điện tương ứng với cốt liệu mịn
sử dụng để thiết kế thành phần bê tông
xi măng Cấp phối của xỉ nhà máy nhiệt điện An Khánh nằm trong phạm
vi cho phép đối với cốt liệu cho bê tông Cấp phối của xỉ nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn không nằm trong phạm
vi cho phép đối với cốt liệu cho bê tông
- Về hàm lượng chất bẩn: Xỉ An Khánh đạt các yêu cầu kỹ thuật, xỉ nhà máy Cao Ngạn hàm lượng chất bẩn vượt quá giới hạn cho phép
2 Tro bay nhà máy nhiệt điện được dùng để thay thế một phần xi măng
Trang 4Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học trong thiết kế bê tông
3 Tính tóa n thiết kế thành phần bê
tông có sử dụng tro xỉ An Khánh và
Cao Ngạn làm kết cấu mặt đường bê
tông xi măng dựa theo phương pháp
Bolomey – Skramtaev và thực nghiệm
hoàn toàn Tuy nhiên, do chất lượng tro
xỉ còn kém, độ hút nước lớn, nên phải
tăng thêm 40-50 lít nước so với tính tóa
n
4 Tro xỉ nhiệt điện có thể sử dụng để
thay thế hoàn toàn hoặc thay thế một
phần cốt liệu mịn và thô , tro bay đóng
vai trò là phụ gia khóa ng thay thế một
phần xi măng trong cấp phối bê tông;
5 Cấp phối tối ưu có sử dụng xỉ, tro
bay đạt yêu cầu kỹ thuật cho 1 m3 bê
tông Mac 300 khi sử dụng xi măng
PCB40 là:
- Xỉ nhà máy nhiệt điện An Khánh thay
thế toàn bộ cốt liệu mịn và một phần
cốt liệu lớn: Xi măng= 524kg; Xỉ nhiệt
điện = 535kg; Đá = 820kg, Nước, tỷ lệ
nước/xi măng = 0.52
- Xỉ nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn thay
thế 15% cốt liệu mịn: X= 443kg; Xỉ
nhiệt điện = 93kg, Đá = 1063kg, Cát =
553kg Nước, tỷ lệ nước/xi măng =
0,48
- Tro bay nhiệt điện Cao ngạn, An Khánh sử dụng làm phụ gia khóa ng thay thế 10% lượng xi măng: X= 380kg; Tro bay Cao Ngạn, An Khánh
= 42kg, Đá = 1052kg, Nước, tỷ lệ nước/xi măng = 0.45
6 Đề tài có kiến nghị sau, kết quả nghiên cứu sẽ hoàn thiện nếu tiến hành thi công thử đổ bê tông mặt đường có
sử dụng tro, xỉ nhà máy nhiệt điện và kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật trong điều kiện thực tế trên đoạn đường giao thông nông thôn
7 Đề tài mở ra hướng mới cho các nghiên cứu về tro xỉ tại các nhà máy nhiệt điện trên cả nước trong thành phần bê tông làm đường giao thông nông thôn Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tiếp cận đến là nghiên cứu ảnh hướng của hàm lượng tro bay, xỉ đáy lò đến các tính chất kỹ thuật của bê tông, nghiên cứu các tính chất kỹ thuật của bê tông ở các ngày tuổi lớn hơn 28 ngày Nghiên cứu cấu trúc của hỗn hợp
bê tông xỉ để hoàn thiện thêm lý thuyết
về bê tông tro xỉ cũng như chế tạo hỗn hợp bê tông có các cường độ khác nhau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
NGUYỄN THỊ NỤ, PHẠM MINH TUẤN, BÙI TRƯỜNG SƠN, Vật liệu xây
dựng, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 2017
BÙI ANH TUẤN (2016) Nghiên cứu sử dụng hợp lý tro thải của nhà máy nhiệt
điện đốt than trong xây dựng đường ô tô Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Đại học
Giao thông vận tải, Hà Nội
CHU THỊ HỒNG NHẠN, TRẦN NGỌC HUY AND NGUYỄN HỮU TRÍ
(2014) Cấp phối đá dăm gia cố xi măng tro bay phủ vữa nhựa dùng cho
đường giao thông nông thôn Hội nghị Khoa học Công nghệ thường niên,
Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải
ĐỖ VĂN NỤ (2010) “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ và vật liệu mới trong
xây dựng đường giao thông nông thôn” Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh
Hưng Yên
NGUYỄN MẠNH THỦY AND ĐỖ ĐỨC TUẤN (2005) Một số kết quả nghiên
cứu gia cố vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro bay làm móng trong kết cấu áo đường tại tỉnh Tây Ninh Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ
9, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh