Nghiên cứu sử dụng tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải gia cố cấp phối thiên nhiên làm móng đường tại tỉnh Trà Vinh

Trong xây dựng đường ô tô ở Đồng bằng Sông Cửu Long nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng rất thiếu vật liệu làm móng kết cấu áo đường: cấp phối thiên nhiên, cấp phối đá dăm các loại thườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS CHÂU TRƯỜNG LINH

Phản biện 1: TS Trần Đình Quảng

Phản biện 2: TS Nguyễn Hồng Hải

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng

01 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại trường ĐH Bách Khoa Thư viện khoa Xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1

Trong những năm gần đây, nước ta đã đầu tư xây dựng rất nhiều nhà máy nhiệt điện để đấu nối vào lưới điện quốc gia, giảm phụ thuộc vào nguồn thủy điện Thực hiện theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030, trong quyết định

số 1028/QĐ –TTg ký ngày 21/7/2011, tổng công suất các nhà máy nhiệt điện tính theo phương án phụ tải cơ sở, vào năm 2020 sẽ là 36

000 MW và năm 2030 là khoảng 75 000 MW; Tỉnh Trà Vinh tiến hành xây dựng dự án Trung tâm Điện lực Duyên Hải với tổng công suất 4348MW, bao gồm 4 Nhà máy nhiệt điện đốt than công nghệ tua bin ngưng hơi truyền thống, trong đó Nhà máy nhiệt điệt Duyên Hải

1 với công suất 1245MW, sản lượng điện là 7,8 tỷ kWh được vận hành thương mại trong năm 2015, hàng năm Nhà máy này thải ra môi trường 1.192.880 tấn tro bay/năm Như vậy, khi dự án Trung tâm điện Duyện Hài vận hành sẽ thải ra môi trường lượng tro bay rất lớn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và ảnh hưởng đến sức khỏe con người Việc tìm giải pháp hữu hiệu để xử lý tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện là vấn đề hết sức cần thiết và cấp bách nhằm khắc phục ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên khoáng sản, đất đai,

vì sự phát triển bền vững

Hiện nay, Trên thế giới công nghệ làm nền đường giao thông được nhiều nước tiên tiến áp dụng hiện nay là sử dụng đất gia cố làm móng đường Tại Việt Nam từ những năm 1984 Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành Qui trình sử dụng đất gia cố bằng chất kết dính vô cơ trong xây dựng đường (Ban hành kèm theo quyết định số 2916/KHKT ngày 21/12/1984) Từ sau năm 2000 một số doanh nghiệp và thương nhân đã nắm bắt được công nghệ làm đường bằng đất gia cố hóa cứng với phụ gia ở một số nước tiên tiến đang áp dụng nên đã đưa vào Việt Nam một số loại phụ gia như SA44/LS40 (Hoa

Kỳ), RRP (Đức), Consolid (Thụy Sỹ), DB 500 (Hoa Kỳ)…Và đã được ứng dụng thử nghiệm ở một số nơi như: Tây Ninh, Đồng Tháp, Hưng Yên, Bắc Giang, Đường tuần tra biên giới (Bộ Quốc Phòng), Đăk Lăk…Các công trình trên đều đạt kết quả khả quan và nền đường đất hóa cứng hầu như không bị hư hỏng sau nhiều năm sử dụng

Đối với nước ta việc nghiên cứu gia cố đất mới được áp dụng trong vòng 15 năm gần đây Tuy nhiên, trong thời kỳ kháng chiến chống Mỹ cứu nước Bộ môn Đường của Trường ĐHXD, Viện KHCN GTVT đã áp dụng gia cố đất bằng phụ gia vôi, xi măng, tro bay để xây dựng nền đường cho một số đường ở Miền Bắc như Hà Bắc, Hà Nội, … Sau đó lại bị gián đoạn Những năm gần đây Bộ GTVT đang nghiên cứu gia cố đất bằng phụ gia vôi, xi măng cộng với hóa chất đã thí nghiệm xây dựng ở một số đoạn đường ở Đồng bằng Sông Cửu Long Vì vậy, có thể tận dụng nguồn thải tro bay từ nhà máy nhiệt điện phối trộn với vôi, xi măng hoặc sử dụng trực tiếp tro bay để gia cố đất để có cường độ cao hơn đáng kể; đồng thời tận dụng được nguồn vật liệu địa phương giảm ô nhiễm môi trường từ việc vận hành nhà máy nhiệt điện [5], [22]

Trong xây dựng đường ô tô ở Đồng bằng Sông Cửu Long nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng rất thiếu vật liệu làm móng kết cấu

áo đường: cấp phối thiên nhiên, cấp phối đá dăm các loại thường phải lấy từ các tỉnh xa đến (Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa Vũng Tàu, Tây Ninh, …), nên thường dẫn tới chi phí thi công tăng cao hơn các vùng khác Do vậy, làm sao để giảm bớt khối lượng vật liệu (nhất là cấp phối thiên nhiên và cấp phối đá dăm làm móng đường) phải đưa

từ nơi khác để sử dụng cho công trình đồng thời đảm bảo công trình

sử dụng tốt, ổn định và giảm bớt chi phí là vấn đề phải quan tâm Việc sử dụng tro bay thải ra từ nhà máy nhiệt điện làm phụ gia cho

bê tông, gia cố đất, gia cố cấp phối thiên nhiên nhằm cải thiện khả

năng chịu tải, khả năng chống thấm của vật liệu gia cố là giải pháp tốt đảm bảo cải thiện được chi phí xây dựng công trình, giảm chi phí chôn lắp tro bay, đó là một lựa chọn kinh tế và thân thiện với môi trường

Chính vì những yếu tố trên, mà tôi lựa chọn vấn đề “N n cứu

sử dụn tro bay từ n m N t n Du n Hả a cố cấp

p ố t n n n l m món ườn tạ tỉn Tr V n ” làm đề tài

nghiên cứu của luận văn

Trong quá trình tìm hiểu các công trình nghiên cứu trước đây cùng với các bài báo khoa học trong và ngoài nước, học viên nhận thấy rằng việc nghiên cứu sử dụng tro bay kết hợp với xi măng, vôi làm vật liệu gia cố đất đã thay thế được phần lớn lượng xi măng, vôi dùng để gia cố đất như trước đây, trong quá trình gia cố tro bay không những kết hợp tốt với xi măng và vôi, mà còn đảm bảo khả năng sử dụng tốt hơn và thay thế được một phần lớp móng đá như công nghệ làm đường trước đây, làm giảm chiều dày kết cấu mặt đường, giảm chi phí xây dựng công trình mang lại hiệu quả kinh tế; hiện nay, chúng ta có nghiên cứu và đưa ra quy trình sử dụng tro bay kết hợp với vôi trong gia cố đất, móng cát, móng cấp phối đá, tuy nhiên xi măng với thành phần chủ yếu tương tự như vôi nên gia cố các loại vật liệu trên bằng tro bay với xi măng làm chất hoạt hóa là có

cơ sở khoa học; vì thế, học viên mạnh dạn đề xuất hướng nghiên cứu:

N n cứu sử dụn tro bay từ n m N t n Du n Hả

a cố cấp p ố t n n n l m món ườn tạ tỉn Tr V n ”

2 Mụ êu g ê ứu

Nghiên cứu cải thiện cường độ các loại cấp phối thiên nhiên khác nhau được sử dụng làm móng đường tại tỉnh Trà Vinh, tập trung nghiên cứu ở một số chỉ tiêu như ER, Rn, Rec, CBR để giảm khối lượng Nhưng hiện nay, đi thực tế hiện trường thì hầu như không còn nguồn dùng cấp phối thiên nhiên ngoại tỉnh, chỉ còn sử dụng nguồn

cát đen khai thác tại tỉnh Trà Vinh để làm móng đường Do đó, đối tượng tập trung nghiên cứu là loại cát đen sử dụng phổ biến khai thác tại các sông Cổ Chiên và Hậu Giang

Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của cát đen để gia cố Trên cơ sở số liệu thí nghiệm mẫu tro bay, cát đen, tính toán được lượng tro bay, xi măng(có thể có xi măng đóng vai trò là phụ gia hoạt hóa) cần thiết để gia cố cát đen sử dụng làm lớp móng đường, xác định các mối quan

hệ giữa các chỉ tiêu như ER, Rn, Rec, CBR với hàm lượng tro bay của hỗn hợp tro bay – cát đen

Phân tích ứng suất và biến dạng của lớp cát đen có gia cố và chưa gia cố trên PM Plaxis So sánh kết quả thí nghiệm trong phòng, phần mềm mô phỏng Từ đó đánh giá được khả năng làm việc của cát đen gia cố tro bay và kiến nghị kết quả đạt được

3 Đố ượ g g ê ứu

Nguồn thải tro bay từ Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải

Nguồn cấp phối thiên nhiên, cát đen khai thác tại tỉnh Trà Vinh

4 P ạm v g ê ứu

Nghiên cứu lý thuyết cấp phối thiên nhiên gia cố tro bay với thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

5 P ươ g p áp g ê ứu

- Thu thập thông tin:

- Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của tro bay, cấp phối thiên nhiên khai thác tại tỉnh Trà Vinh

- So sánh tính hiệu quả về kinh tế giữa khối lượng vận chuyển cấp phối đá dăm, cấp phối thiên nhiên (Đồng Nai, Tây Ninh…) về Trà Vinh và giảm khối lượng vận chuyển nhờ gia cố cấp phối thiên (cát đen) khai thác tại Trà Vinh

- Mô phỏng để xác định ứng suất và biến dạng của lớp vật liệu có gia cố và chưa gia cố trên PM Plaxis

6 Ý g ĩ k v ễ ủ

Đề xuất được hàm lượng tro bay hợp lý đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật khi gia cố cấp phối thiên nhiên (cát đen) khai thác tại tỉnh Trà Vinh làm lớp móng đường thay thế cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên vận chuyển từ các tỉnh khác về như lâu nay

Đề tài nghiên cứu sử dụng nguồn tro bay gia cát đen khai thác tại tỉnh Trà Vinh để làm móng đường thay thế một phần cấp phối đá dăm góp phần giảm chi phí xây dựng công trình, đồng thời tận dụng được nguồn vật liệu địa phương, giải quyết một phần ô nhiễm môi trường do quá trình vận hành nhà máy nhiệt điện Duyên Hải thải ra là giải pháp đảm bảo tính kinh tế và thân thiện với môi trường

Kết quả nghiên cứu giúp người ra quyết định có thêm phương án xây dựng kết cấu áo đường để lựa chọn

C ươn 2: GIỚI THIỆU VỀ TRO BAY VÀ THÍ NGHIỆM CƠ -

LÝ – HOÁ TRO BAY, XI MĂNG VÀ CÁC LOẠI CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN GIA CỐ TRO BAY - XI MĂNG

C ươn 3: ÁP DỤNG LỚP CÁT GIA CỐ TRO BAY –XI MĂNG

TÍNH TOÁN CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG ĐỀ XUẤT KẾT CẤU

ÁO ĐƯỜNG CHO ĐƯỜNG NGUYỄN ĐÁN – THÀNH PHỐ TRÀ VINH

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU LÀM MÓNG KẾT CẤU

ÁO ĐƯỜNG TẠI CÁC TUYẾN ĐƯỜNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH – TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN BẰNG CHẤT LIÊN KẾT VÔ CƠ

1.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU LÀM KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG GIAO THÔNG HIỆN NAY TẠI TỈNH TRÀ VINH

1.3 NHẬN XÉT VỀ CÁCH XÂY DỰNG ĐƯỜNG TẠI TỈNH TRÀ VINH

Phương án xây dựng đường tại tỉnh Trà Vinh đến nay vẫn áp dụng các phương pháp xây dựng kết cấu áo đường truyền thống

1.4 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ VẬT LIỆU XÂY DỰNG (CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN) BẰNG CHẤT LIÊN KẾT VÔ CƠ

đá (đá được nghiền công nghiệp và đá tự nhiên), đất đồi, cấp phối thiên nhiên

Tỉnh Trà Vinh trong xây dựng cơ bản nói chung và xây dựng hạ tầng giao thông nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào nguồn vật liệu được vận chuyển về từ các tỉnh Đông Nam Bộ, Campuchia và Thái Lan, tốn kém chi phí vận chuyển, làm tăng giá thành

Các nghiên cứu khoa học để cải tạo đất, các loại vật liệu địa phương sẵn có, đa dạng tại các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long để

thay thế các loại vật liệu xây dựng truyền thống, đặc biệt là tại tỉnh Trà Vinh là rất hạng chế Gần đây, đã có một số thí nghiệm của Bộ GTVT và của một số nhà khoa học khi cho gia cố đất bằng một số phụ gia vô cơ (vôi, xi măng, phụ gia tro trấu, phụ gia thải các nhà máy giấy, nhà máy đầu khí và cao su tự nhiên) có thể dùng để xây dựng nền móng đường thay lớp đá dăm đối với đường quốc lộ và thân nền đường với đường giao thông nông thôn các tỉnh Đồng Tháp, Long An bằng giải pháp thi công pha trộn tưới ẩm tại chỗ với phụ gia

là vôi + hóa chất đã cho kết quả khả quan, đã mở ra một hướng mới trong nghiên cứu, xây dựng kết cấu áo đường áp dụng cho tỉnh Trà Vinh trong thời gian tới

Hiện nay với rất nhiều phương pháp gia cố đất xây dựng, trong đó gia cố đất bằng tro bay (có thể kết hợp với chất hoạt hòa là xi măng hoặc vôi) làm tăng khả năng chịu tải của đất và có các chỉ tiêu kỹ thuật cao (có thể đạt độ bền cấp III) đảm bảo làm lớp móng đường thay thế cho lớp móng bằng cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên

Trà Vinh với tổ hợp nhà máy nhiệt điện Duyên Hải hàng năm thải

ra hàng triệu tấn tro thải, biện pháp xử lý loại vật liệu này rất tốn kém

và không thân thiện với môi trường Do đó, tận dụng nguồn tro bay thải ra từ nhà máy Duyên Hải để gia cố cát đen khai thác tại Trà Vinh

để làm móng đường là một giải pháp tốt đảm bảo cải thiện được chi phí xây dựng công trình, giảm chi phí chôn lắp tro bay, đó là một lựa chọn kinh tế và thân thiện với môi trường

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ TRO BAY VÀ THÍ NGHIỆM CƠ - LÝ – HOÁ TRO BAY, XI MĂNG VÀ CÁC LOẠI CẤP PHỐI THIÊN

NHIÊN GIA CỐ TRO BAY - XI MĂNG

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRO BAY

Tro bay là sản phẩm phụ (chất thải) của các nhà máy nhiệt điện sử dụng vật liệu rắn là than

2.2 TÍNH CHẤT CỦA TRO BAY (FLY ASH)

2.3 PHÂN LOẠI TRO BAY

2.4 ĐẶC ĐIỂM TRO BAY CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN DUYÊN HẢI

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm tro bay

STT C ỉ tiêu thí n m P ươn p p t ử Đơn vị Kết quả thí n m

Và với tro bay loại F thì không thể sử dụng riêng để gia cố vì nó không tự phản ứng tạo liên kết mà cần phải có chất hoạt hóa là xi măng hoặc là vôi để tạo ra sản phẩm có tính chất kết dính Loại hỗn

hợp này được gọi là hỗn hợp gia cố pozzolanic (PSMs), [24] Các nghiên cứu thử nghiệm ban đầu của nhóm Nghiên cứu do PGS.TS Châu Trường Linh chỉ đạo cũng chỉ ra khi chỉ gia cố tro bay vào vật liệu đất sét, á sét tại Trà Vinh đều cho cường độ khá thấp dù liệu lượng tro bay sử dụng rất cao Dựa vào một số tài liệu việc gia cố đất bằng tro bay được kích hoạt bằng xi măng là một lựa chọn hiệu quả

để cải thiện các tính chất của đất, [31]

2.5 XI MĂNG DÙNG ĐỂ GIA CỐ CHO CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN TẠI TỈNH TRÀ VINH

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của xi măng KaiTo PCB 30

Thành phần hóa học,

N ận xét: Loại xi măng Kaito PCB30 đảm bảo yêu cầu để thực hiện

là chất hoạt hoá sử dụng để gia cố

2.6 KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM

2.6.1 Đố vớ cấp p ố t n n n c ưa a cố

2.6.2 Đố vớ c ất kết dín vô cơ

2.6.3 Đố vớ cấp p ố t n n n (c t en) a cố c ất kết dín vô cơ

2.6.4 Số lượn mẫu t í n m

Tham khảo theo kết luận từ bài nghiên cứu của Ahmet H.Aydilek,

Member, Sunil Arora [24], của Farshad Amini [28]; của Magdi M E Zumrawi [31] cho thấy rằng

nếu sử dụng tro bay để gia cố đất với hàm lượng tro bay lớn hơn

20 , hàm lượng xi măng thay đổi từ 3 ,5 và 7 so với khối lượng đất gia cố sẽ đạt được hiệu quả cao trong quá trình gia cố bằng tro bay với chất hoạt hóa là xi măng

Từ đó ta định hướng cho hàm lượng tro bay gia cố vào vật liệu thực nghiệm là 0%, 10%, 20%, 30%, 40 với hàm lượng xi măng là 3%, 5% và 7% với hàm hượng biến đổi như vậy ta tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu như sau: Cường độ chịu nén, cường độ kéo khi ép chẻ, cắt phẳng, CBR, mô đun đàn hồi (MR) Các mẫu ta cho tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu ở các tuổi mẫu 7, 14, 28,56 và

90 ngày, các mẫu này có cường độ thấp nên các thí nghiệm ta sử dụng máy thí nghiệm CBR để xác định các chỉ số tính toán kết quả thí nghiệm Tất cả các mẫu ta đều quan sát và tính toán được kết quả

- Đối với hỗn hợp cát – Fly Ash – Xi măng: 270 tổ mẫu Ta tiến hành làm 03 thành phần thí nghiệm theo tỷ lệ xi măng là: 3%, 5% và

7 tương ứng với từng tỷ lệ xi măng ta tiến hành điều chỉnh hàm lượng Tro bay (Fly Ash) từ 0 đến 40 với bước nhảy là 10 để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật theo yêu cầu

2.7 THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁT ĐEN SỬ DỤNG THỰC NGHIỆM

Bảng 2.7 Kết quả thí nghiệm chỉ số dẻo của cấp phối thiên nhiên

Hình 2.5 Biểu đồ đường bao cấp phối thiên nhiên và cấp phối của

Bảng 2.11 Bảng so sánh các chỉ tiêu của vật liệu thực nghiệm với

cấp phối thiên nhiên để gia cố xi măng

Cấp phối loại B

Cấp phối loại C

Vật liệu thực nghiệm