Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay duyên hải tới một số tính chất của xi măng trên nền clinker fico

+ Lượng nước tiêu chuẩn + Thời gian đông kết + Độ ổn định thể tích + Cường độ cơ học - Đánh giá các ưu điểm của tro bay so với puzolan đang sử dụng tại Nhà máy xi măng Tây Ninh... Phụ gi

Trang 1

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY DUYÊN HẢI TỚI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG TRÊN NỀN

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đức Minh Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn này là trung thực và chính xác, một số kết quả được trích dẫn từ các bài báo, sách đã được công bố Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Thanh Tùng

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt sâu sắc đến PGS.TS Huỳnh Đức Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thành Đông đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cám ơn cơ sở đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,

đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành được luận án này

Tôi xin cám ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, các quý thầy cô trong Viện

Kỹ thuật Hóa học trong bộ môn Hóa Silicat đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận án

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn Công ty Cổ phần xi măng FiCO Tây Ninh, gia đình, bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Trang 5

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Mục tiêu luận văn 2

Đối tượng nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng 4

1.1.1 Khái niệm về xi măng poóc lăng 4

1.1.2 Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp 4

1.1.3 Thành phần của clinker xi măng poóc lăng 5

1.1.3.1 Khái niệm về clinker xi măng poóc lăng 5

1.1.3.2 Thành phần hóa học của clinker poóc lăng [1] 6

1.1.3.3 Thành phần pha 6

1.2 Phản ứng thủy hóa của xi măng 7

1.2.1 Sự hiđrat hóa của C 3 S (Alit) 7

1.2.2 Sự hiđrat hóa của C 2 S (Belit) 7

1.2.3 Sự hiđrat hóa của C 3 A (Canxi aluminat) 7

1.2.4 Sự hiđrat hóa của C 4 AF 8

1.3 Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng 9

1.3.1 Định nghĩa 9

1.3.2 Các tính chất cơ lý của xi măng 10

1.3.2.1 Độ mịn của xi măng 10

1.3.2.2 Lượng nước tiêu chuẩn 10

1.3.2.3 Thời gian đông kết của xi măng 11

1.3.2.4 Độ ổn định thể tích của đá xi măng 11

1.3.2.5 Cường độ của xi măng (hay mác xi măng) 12

1.3.2.6 Độ rỗng đá xi măng 13

1.3.2.7 Độ thấm của đá xi măng 14

1.4 Vai trò của phụ gia xi măng 14

1.4.1 Định nghĩa về phụ gia xi măng 14

1.4.2 Tính chất của phụ gia xi măng 15

1.4.3 Một số loại phụ thường được sử dụng 15

1.4.3.1 Phụ gia hoạt tính puzolan 16

Trang 6

1.4.3.2 Phụ gia đầy 17

1.4.3.3 Phụ gia công nghệ 17

1.5 Giới thiệu chung về tro bay nhiệt điện 18

1.5.1 Khái niệm và phân loại tro bay 18

1.5.2 Các đặc trưng của tro bay 23

1.5.2.1 Thành phần hóa học trong tro bay 23

1.5.2.2 Cấu trúc hình thái của tro bay 26

1.5.2.3 Phân bố kích thước hạt trong tro bay 28

1.5.3 Đặc tính của tro bay dùng trong xi măng 29

1.5.4 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới 30

1.6 Tro bay nhiệt điện Duyên Hải 34

1.7 Một số công trình nghiên cứu dùng tro bay làm phụ gia xi măng trong và ngoài nước 35

1.7.1 Trong nước 35

1.7.2 Nước ngoài 37

Chương 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39

2.1 Hóa chất và dụng cụ 39

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 39

2.1.2 Dụng cụ 39

2.2 Xác định thành phần khoáng, hoá và độ hoạt tính của tro bay 39

2.2.1 Xác định thành phần hóa học 39

2.2.2 Xác định thành phần khoáng của tro bay và puzolan 39

2.2.3 Xác định độ hoạt tính 40

2.2.4 Đo độ dẫn điện xác định nhanh độ hoạt tính tro bay 41

2.3 Khảo sát các tính chất cơ lý của xi măng 42

2.3.1 Chuẩn bị các cấp phối nghiên cứu 42

2.3.2 Xác định độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng 43

2.3.3 Xác định thời gian đông kết 48

2.3.4 Xác định cường độ kháng nén 50

2.3.5 Xác định độ mịn 51

Chương 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 53

3.1 Kết quả khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải 53

3.1.1 Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay 53

3.1.2 Thành phần cỡ hạt của tro bay 53

Trang 7

3.1.3 Thành phần khoáng, hóa của tro bay Duyên Hải 55

3.1.4 Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải 59

3.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nghiền đến độ hoạt tính của tro bay 61

3.2 Ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đến các tính chất của xi măng PCB40 FiCO khi sử dụng nó thay thế cho puzolan Bình Phước 64

3.2.1 Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn 64

3.2.2 Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết 65

3.2.3 Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích 66

3.2.4 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học 67

3.3 Kết quả khảo sát khi tiếp tục sử dụng tro bay thay thế cho clinker 70

3.3.1 Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn 70

3.3.2 Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết 72

3.3.3 Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích 73

3.3.4 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học 73

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

KẾT LUẬN 76

KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thành phần hóa học của clinker 6

Bảng 2: Thành phần pha của clinker 6

Bảng 3: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 20

Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây 21

Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng TCVN 10302 : 2014 23

Bảng 6: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền 24

Bảng 7: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 25

Bảng 8: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel 28

Bảng 9: Kích thước hạt tro bay thương phẩm 29

Bảng 10: Tỉ lệ tro bay sử dụng trong xi măng ở các nước 30

Bảng 11: Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước 33

Bảng 12: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 - 2020 33

Bảng 13: Thành phần hóa học của tro bay nhiệt điện Duyên Hải 35

Bảng 14: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi 41

Bảng 15: Thành phần các bài cấp phối nghiên cứu 43

Bảng 16: Dải cỡ hạt của tro bay Duyên Hải 54

Bảng 17: Thành phần hóa học tro bay Duyên Hải và puzolan Bình Phước 56

Bảng 18: Thành phần khoáng tro bay Duyên Hải 59

Bảng 19: Chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng của tro bay Duyên Hải 60

Bảng 20: Độ hút vôi của tro bay Duyên Hải 60

Bảng 21: Độ dẫn điện của các dung dịch với loại tro bay khác nhau 62

Bảng 22: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính 64

Bảng 23: Sự thay đổi thời gian đông kết 66

Bảng 24: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính 67

Bảng 25: Cường độ kháng nén các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi 68

Bảng 26: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn 71

Bảng 27: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng 72

Bảng 28: Độ ổn định thể tích của mẫu thử 73

Bảng 29: Tác động của hàm lượng tro bay đến cường độ xi măng 73

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa 8

Hình 2: Mô tả độ rỗng của đá xi măng 14

Hình 3: Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ 26

Hình 4: Đặc trưng dạng cầu của các hạt tro bay 26

Hình 5: Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF 27

Hình 6: Cấu trúc tro bay tiếp xúc với 27

Hình 7: Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ từ 1966 - 2012 31

Hình 8: Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001 - 2008 32

Hình 9: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết và cường độ sớm (Các chỉ số 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70 thể hiện tỉ lệ tro bay thay thế xi măng tính theo khối lượng) 37

Hình 10: Máy đo độ dẫn điện cầm tay Thermo Scientific model CON 6+ (Hoa Kỳ) 42

Hình 11: Ảnh chụp SEM hạt tro bay 53

Hình 12: Phân bố dải cỡ hạt tro bay Duyên Hải 54

Hình 13: Các peak khoáng chất trong tro bay 57

Hình 14: Các peak khoáng chất trong puzoland 58

Hình 15: Chênh lệch độ dẫn điện của dung dịch với loại tro bay khác nhau 63

Hình 16: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính 65

Hình 17: Sự thay đổi thời gian đông kết 66

Hình 18: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính 67

Hình 19: Cường độ kháng nén của các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi 68

Hình 20: Ảnh chụp SEM mẫu Pu7.5 (a) và Tb7.5 (b) ở tuổi 28 ngày 69

Hình 21: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn 71

Hình 22: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng 72

Hình 23: Sự giảm cường độ cơ học khi tăng tro bay 74

Hình 24: Ảnh chụp SEM mẫu Tb7.5 ở tuổi 28 ngày 75

Hình 25: Ảnh chụp SEM mẫu Tb11.5 ở tuổi 28 ngày 75

Trang 10

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS TS Huỳnh Đức Minh

PHẦN MỞ ĐẦU

Nước ta là nước đang phát triển và định hướng hội nhập sâu rộng với quốc

tế, tìm kiếm cơ hội thúc đẩy phát triển mạnh mẽ hơn nữa nhằm thu hẹp khoảng cách với các nước Trong đó, xây dựng cơ sở hạ tầng là một trong những công việc tiên phong trong công cuộc đổi mới phát triển Do vậy, ngành vật liệu xây dựng được quan tâm và yêu cầu nâng cao năng lực sản xuất, chất lượng sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng cao Xi măng là vật liệu cơ bản, truyền thống, chiếm tỉ trọng khá lớn cấu thành công trình xây dựng cho nên phát triển ngành công nghiệp xi măng – vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành tăng tính cạnh tranh – nằm trong định hướng chung và phải được chú trọng

Việt Nam hiện nay và trong thời gian sắp tới có nhiều nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) đốt than đang và sắp sửa hoạt động, lượng tro xỉ thải ra hàng năm là rất lớn Theo kết quả điều tra đánh giá nguồn tro xỉ và các giải pháp sử dụng của Trung tâm xi măng – Viện vật liệu xây dựng, được xây dựng trên cơ sở của Quy hoạch điện VII, khối lượng tro xỉ thải trong năm 2015 khoảng 12,8 triệu tấn, đến năm

2020 khoảng 25,4 triệu tấn và đến năm 2030 khoảng 38,3 triệu tấn Đây là lượng tro

xỉ rất lớn cần có các giải pháp để tiêu thụ Sử dụng tro xỉ NMNĐ cho sản xuất các sản phẩm liên quan đến xi măng, bê tông, vữa xây dựng, gạch không nung là một trong những giải pháp tiêu thụ tro xỉ với khối lượng lớn và đem lại hiệu quả kinh tế

kỹ thuật cao

Tro bay (fly ash - FA) là những hạt tro rất nhỏ bị cuốn theo khí từ buồng đốt của các nhà máy nhiệt điện do đốt nhiên liệu than Loại phế thải này nếu không được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn mà còn là một hiểm họa đối với môi trường Chính vì vậy, việc nghiên cứu, xử lý, tận dụng tro bay trong các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đã và đang được các nhà khoa học, công nghệ trong và ngoài nước quan tâm đặc biệt

Nghiên cứu tìm giải pháp để đưa tro bay vào xi măng vừa có thể cải thiện một số tính chất của xi măng, vừa giảm được tỉ lệ clinker trong cấp phối sản xuất

Trang 11

xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 FiCO, cũng như khả năng tiết kiệm clinker trong cấp phối sản xuất xi măng

Vì vậy, lựa chọn đề tài nghiên cứu sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Duyên Hải làm luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật vừa mang tính khoa học, lại vừa mang tính ứng dụng đem lại hiệu quả kinh tế cho Công ty

Mục tiêu luận văn

- Khảo sát các đặc trưng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải để định hướng sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 FiCO

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải đến một số tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO khi dùng nó thay thế cho đá puzolan Bình Phước và thay thế một phần clinker trong cấp phối sản xuất

- Đề xuất cấp phối sản xuất xi măng FiCO PCB40 sử dụng tro bay Duyên Hải với hàm lượng phù hợp

Đối tƣợng nghiên cứu

Để thực hiện các mục tiêu trên, luận án đã triển khai các nội dung nghiên cứu chủ yếu như sau:

- Các đặc trưng của tro bay Nhiệt điện Duyên Hải, đá puzolan Bình Phước + Thành phần hóa học

+ Thành phần khoáng

+ Độ hút vôi

+ Hoạt tính cường độ với xi măng

Trang 12

- Ảnh hưởng của tro bay nhà máy nhiệt điện Duyên Hải đến các tính chất của

xi măng FiCO PCB40

+ Lượng nước tiêu chuẩn

+ Thời gian đông kết

+ Độ ổn định thể tích

+ Cường độ cơ học

- Đánh giá các ưu điểm của tro bay so với puzolan đang sử dụng tại Nhà máy

xi măng Tây Ninh

Trang 13

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng

1.1.1 Khái niệm về xi măng poóc lăng

Xi măng poóc lăng là chất kết dính thủy, được chế tạo bằng cách nghiền mịn clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch cao cần thiết Trong quá trình nghiền có thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1% so với khối lượng clinker

Clinker xi măng poóc lăng được định nghĩa theo TCVN 5438 : 2004

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng có chất lượng theo quy định hiện hành (TCXD 168 : 89)

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính chất của xi măng, vữa và bê tông

1.1.2 Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là loại chất kết dính thuỷ, được chế tạo bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng poóc lăng với các phụ gia khoáng và một lượng thạch cao cần thiết hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi măng poóc lăng không chứa phụ gia khoáng

Clinker xi măng poóc lăng dùng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có hàm lượng magie ôxit (MgO) không lớn hơn 5%

Phụ gia khoáng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp phải thỏa mãn các yêu cầu của TCVN 6882 : 2001 và quy chuẩn sử dụng phụ gia trong sản xuất xi măng

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và/hoặc bảo quản của xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính chất của xi măng, vữa và bê tông; hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng

Trang 14

không lớn hơn 1%

Tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng poóc lăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40% trong đó phụ gia đầy không lớn hơn 20%

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có chất lượng theo TCXD 168 : 89

Xi măng poóc lăng hỗn hợp gồm ba mác PCB30, PCB40 và PCB50, trong đó:

- PCB là quy ước cho xi măng poóc lăng hỗn hợp;

- Các trị số 30, 40 , 50 là cường độ nén tối thiểu mẫu vữa chuẩn ở tuổi 28 ngày đóng rắn, tính bằng MPa, xác định theo TCVN 6016 : 1995 (ISO

679 : 1989)

1.1.3 Thành phần của clinker xi măng poóc lăng

1.1.3.1 Khái niệm về clinker xi măng poóc lăng

Clinker xi măng là sản phẩm chứa các pha (khoáng) có tính chất kết dính thủy lực, nhận được bằng cách nung đến kết khối hay nóng chảy hỗn hợp các nguyên liệu xác định (phối liệu)

Clinker xi măng poóc lăng là clinker xi măng chứa các khoáng canxi silicat, canxi aluminat và canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định

Clinker xi măng poóc lăng là nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất xi măng poóc lăng Clinker xi măng poóc lăng thường ở dạng hạt có đường kính 10 ÷

40 mm, có cấu trúc phức tạp (có nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình) Clinker xi măng poóc lăng được tạo thành do quá trình nung luyện phối liệu trong lò nung, nhiệt độ nung luyện vào khoảng 1450oC Chất lượng của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất Tính chất của xi măng do chất lượng của clinker quyết định

Trang 15

1.1.3.2 Thành phần hóa học của clinker poóc lăng [1]

Thành phần hóa học của clinker được trình bày ở bảng dưới đây:

Bảng 1: Thành phần hóa học của clinker

Tỷ lệ % khối lượng 63 ÷ 67 4 ÷ 8 20 ÷ 22 2 ÷ 4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1 ÷ 5%, ôxit kiềm 0.5 ÷ 3%

1.1.3.3 Thành phần pha

Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2: Thành phần pha của clinker Thành

phần pha

C3S (3CaO.SiO2)

C2S (2CaO.SiO2)

C3A (3CaO.Al2O3)

C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)

Đặc tính của từng pha:

* Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2 chiếm từ 45 ÷ 65% trong clinker Khoáng này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa, cho sản phẩm đông rắn cao nhất sau 28 ngày, đây là một pha quan trọng nhất của clinker

* Belit (C2S): bao gồm 2CaO.SiO2 chiếm 10 ÷ 37% trong clinker Khoáng này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng sau

28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit

* Celit (C4AF): bao gồm 4CaO.Al2O3.Fe2O3 chiếm 10 ÷ 18% trong clinker,

là khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm phản ứng với độ đông rắn thấp

* Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 5 ÷ 15%, khoáng này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông

Trang 16

rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém hơn alit

1.2 Phản ứng thủy hóa của xi măng

Khi trộn xi măng với nước các pha C3S, C2S, C3A, C4AF thực hiện phản ứng thủy hóa Tùy thuộc vào loại khoáng, hàm lượng khoáng, hàm lượng pha thủy tinh mà khả năng tương tác của xi măng với nước là khác nhau tạo nên pha kết dính

CxSyHz và CxAyHz, Ca(OH)2 và Al(OH)3

Quá trình hiđrat hoá tạo pha portlandit Ca(OH)2 và Al(OH)3 là những hiđrôxit dễ tan trong nước và chúng để lại những lỗ trống mao quản, đồng thời quá trình bay hơi của nước dư trong thời kỳ hiđrat hoá tạo nên độ xốp, rỗng trong vữa xi măng và bê tông

1.2.1 Sự hiđrat hóa của C 3 S (Alit)

Thời kì ban đầu ngay khi đổ nước vào để trộn vữa, bề mặt của hạt C3S tan dần ra để cung cấp các ion Ca2+, OH-, H2SiO42- vào dung dịch Dần dần dung dịch trở nên quá bão hòa Ca(OH)2 và pha rắn này bắt đầu kết tủa gọi là pha portlandit Lúc này có sự cạnh tranh nảy sinh các tinh thể Ca(OH)2 và CSH Ở điều kiện thường, phản ứng thủy hóa chỉ hoàn toàn kết thúc sau thời gian từ 1 đến 1,5 năm và

có thể viết như sau:

2(3CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

Phản ứng hiđrat hóa của C3S tách ra Ca(OH)2 Hàm lượng C3S trong xi măng chiếm tỷ lệ lớn nên lượng Ca(OH)2 tách ra khá lớn

1.2.2 Sự hiđrat hóa của C 2 S (Belit)

Phản ứng hiđrat hóa của C2S tạo thành hiđrô silicat và một số lượng Ca(OH)2, nhưng lượng Ca(OH)2 tách ra ở phản ứng này ít hơn ở phản ứng thủy hóa của C3S

2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

1.2.3 Sự hiđrat hóa của C 3 A (Canxi aluminat)

Trang 17

Sự tác dụng tương hỗ giữa C3A và H2O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:

3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O

Phản ứng phụ: khi trong xi măng poóc lăng có mặt của thạch cao sống thì

sẽ tác dụng với thành phần C3A và hình thành một khoáng vật mới gây trương nở thể tích theo phản ứng sau:

3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

1.2.4 Sự hiđrat hóa của C 4 AF

Khi cho C4AF tác dụng với H2O trong điều kiện xi măng thủy hóa hoàn toàn và hình thành một lượng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ của môi trường theo phương trình phản ứng sau:

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.6H2O

Hình 1: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa

Trang 18

Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):

Bắt đầu từ khi trộn nước và hỗn hợp phối liệu (thường là 1 xi măng 3 cát)

độ dẻo của vữa tăng dần Phản ứng của C3A bắt đầu, những tinh thể ettringit bắt đầu xuất hiện Khoảng cách ở giữa các hạt xi măng chứa dung dịch bão hòa SO42- và

Ca2+ Ngay tức khắc monosunfat (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) được tạo thành, sản phẩm này ngăn chặn sự tấn công ồ ạt của nước, quá trình hiđrat hóa chậm lại Sau

đó phản ứng kết tinh của silicat, aluminat phía trong màng, màng bị phá vỡ và sự hiđrat hóa xảy ra tiếp tục Quá trình trên lặp lại nhiều lần, hiđrô silicat canxi, hiđrô aluminat canxi dạng sợi, dạng hình kim … được tạo thành Khi nồng độ cao SO42-

và Ca2+ không còn đủ lớn tạo thành ettringit, sự tạo thành gel C-S-H xảy ra liên tục Chính nhờ cơ chế này mà tạo nên cường độ của xi măng

Người ta chia quá trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn:

Trang 19

Độ mịn được xác định bằng hai cách:

+ Phương pháp sàng: bao gồm sàng có kích thước lỗ 90μm và 45μm

+ Đo độ mịn theo phương pháp Blaine

1.3.2.2 Lượng nước tiêu chuẩn

Là tỷ lệ nước và xi măng cần thiết đề thực hiện quá trình ban đầu của sự đóng rắn tạo nên vữa xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn Khi nước dư nhiều ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phát triển cường độ, cho cường độ thấp vì tạo độ xốp trong đá xi măng Xi măng poóc lăng thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 24 - 30%

Trang 20

1.3.2.3 Thời gian đông kết của xi măng

Khi trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của các khoáng trong xi măng, vữa tạo thành theo thời gian mất dần tính dẻo, sau đó trở nên cứng

và có thể chịu lực Có 2 loại thời gian đông kết:

+ Thời gian bắt đầu đông kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến trước khi vữa mất tính dẻo

+ Thời gian kết thúc đông kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa cứng lại và có thể chịu lực

Thời gian đông kết của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng clinker, lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn của xi măng, nhiệt độ môi trường, lượng và loại phụ gia pha vào

1.3.2.4 Độ ổn định thể tích của đá xi măng

Trong suốt quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng luôn thay đổi Nếu

sự thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt công trình Sự không ổn định thể tích của xi măng là do ôxit CaO và ôxit MgO gây nên

* MgO tự do: không tham gia vào quá trình tạo clinker mà sau khi xi măng đóng rắn nó mới bị thủy hóa tạo Mg(OH)2 có thể tăng thể tích lên làm đá xi măng bị nứt vỡ Có trường hợp sau hai năm MgO mới bị thủy hóa, do đó cần hạn chế lượng MgO ≤ 5%

* CaO tự do: không tham gia vào phản ứng tạo clinker mà nằm ở dạng ôxit canxi bị các chất nóng chảy bao bọc xung quanh nên bị thủy hóa chậm gây nở thể tích làm rạn nứt đá xi măng

Cũng có thể do cấp hạt xi măng quá lớn, làm tốc độ thủy hóa xảy ra chậm, các sản phẩm gel C-S-H, aluminat hình thành khi công trình ổn định cũng gây ra sự mất ổn định thể tích Do vậy bất kì loại xi măng thành phẩm nào trên thị trường cũng phải có cấp hạt và hàm lượng các chất nằm trong giới hạn cho phép

Trang 21

1.3.2.5 Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)

Cường độ xi măng là giá trị lực biểu thị giới hạn bền cơ học của đá xi măng trên một đơn vị diện tích Là chỉ tiêu quan trọng nhất của đá xi măng, bao gồm độ bền uốn và độ bền nén của đá xi măng Thông thường người ta đo độ bền uốn và độ bền nén của đá xi măng được đúc theo tỷ lệ xi măng/cát là 1/3 ở tuổi 28 ngày làm chỉ tiêu xác định mác xi măng Khi nghiên cứu về cường độ người ta thường quan tâm đến cường độ kháng nén (Rn), cường độ kháng uốn (Ru), cường độ kháng kéo (Rk) của các mẫu thí nghiệm Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu của mác xi măng, tỷ lệ các khoáng trong xi măng, lượng nước sử dụng, công nghệ chế tạo và chất lượng thi công bê tông Muốn sản xuất bê tông có cường độ kháng nén cao thì phải dùng lượng nước ít nhất để trộn vữa Theo tác giả R.Feret thì công thức tính

Rn để biễu diễn như sau:

tỷ lệ N/X càng cao thì cường độ của bê tông càng giảm Cường độ của xi măng phát triển không đều: trong 3 ngày đầu có thể đạt được 40 - 50% mác xi măng, 7 ngày đầu đạt đến 60 - 70 % Trong những ngày sau tốc độ tăng cường độ còn chậm hơn nữa, đến 28 ngày đạt được mác Tuy nhiên trong những điều kiện thụân lợi thì sự

Trang 22

rắn chắc của nó có thể kéo dài hàng tháng và thậm chí hàng năm, vượt gấp 2 - 3 lần cường độ 28 ngày Có thể xem tốc độ phát triển cường độ trung bình của xi măng tuân theo quy luật Logarit được cho bởi công thức:

* Có thể phân chia lỗ rỗng theo kích thước của đá xi măng như sau:

+ Lỗ rỗng lớn: có kích thước lớn hơn 100µm

+ Lỗ rỗng vừa: có kích thước từ 1,6 – 100µm

+ Lỗ rỗng nhỏ: có kích thước từ 0,6 – 106 µm

+ Lỗ rỗng siêu nhỏ: có kích thước nhỏ hơn 0,6µm

* Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng

+ Lỗ rỗng có đường kính ≈ 2µm liên quan đến sự khuếch tán, xâm thực của các ion như Cl-

, SO42- … làm ảnh hưởng đến độ bền vững của công trình

+ Lỗ rỗng từ vài chục đến vài trăm µm liên quan đến sự thấm nước và thấm khí của công trình

Có hai loại lỗ rỗng đá xi măng: lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở, lỗ rỗng kín không nối với mao quản chỉ ảnh hưởng đến cường độ của đá mà không ảnh hưởng tới tính chống thấm của đá xi măng

Trang 23

C-1.4 Vai trò của phụ gia xi măng

1.4.1 Định nghĩa về phụ gia xi măng

Theo tiêu chuẩn TCVN 6882 : 2001, phụ gia khoáng của xi măng là các vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo khi sử dụng trong xi măng poóc lăng hỗn hợp không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất xi măng, bê tông và bê tông cốt thép Phụ gia khoáng được chia làm hai loại: phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy

Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C688, phụ gia xi măng là loại vật liệu làm thay đổi các tính chất của xi măng có lợi khi vật liệu được kết hợp trong quá trình sản

Lỗ mao quản

Khung C-S-H

Trang 24

xuất xi măng

1.4.2 Tính chất của phụ gia xi măng

* Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa:

+ Tăng độ linh động, độ sụt, kéo dài thời gian duy trì độ sụt mà không cần làm tăng hay giảm lượng nước trộn

+ Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu

+ Tạo khả năng chuyên chở bê tông tươi từ các trạm trộn ở xa đến vị trí công trình

+ Tạo khả năng bơm bê tông lên cao để thi công nhà cao tầng, bơm đi xa để thi công cầu, hầm hoặc công trình thủy lợi

* Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng:

+ Tăng cường độ sớm trong thời gian ban đầu để sớm tháo ván khuôn, sớm tạo ra ứng lực nhằm tăng nhanh tiến độ thi công

+ Tăng cường độ chịu nén, uốn, kéo

+ Tăng độ chống thấm

+ Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lượng tỏa ra khi bê tông đang hoá rắn để tránh các vết nứt do co ngót nhiệt đặc biệt là đối với các công trình khối lớn như: thủy điện, đập nước

+ Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các thành phần của khoáng cốt liệu

+ Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới

+ Tạo màu sắc cho bê tông theo dự kiến

Tuy nhiên với mỗi trường hợp sử dụng phụ gia nhất định cần phải xem xét

kỹ lưỡng và tính toán, thí nghiệm chu đáo để đảm bảo hiệu quả cao

1.4.3 Một số loại phụ thường được sử dụng

Trang 25

1.4.3.1 Phụ gia hoạt tính puzolan

Phụ gia khoáng hoạt tính puzolan là phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên hay nhân tạo ở dạng nghiền mịn khi khuấy trộn tự nó không đóng rắn, nhưng có khả năng phản ứng với vôi ở nhiệt độ thường tạo thành các sản phẩm có hoạt tính kết dính Khả năng liên kết vôi của phụ gia ở nhiệt độ thường khi có mặt nước gọi là hoạt tính puzolanic Độ hoạt tính của phụ gia phụ thuộc vào thành phần hóa học và thành phần khoáng, tỉ lệ pha tinh thể và pha thủy tinh, độ nghiền mịn của phụ gia

Số lượng và vôi thêm vào có ảnh hưởng đến nhiệt động học đông kết và rắn chắc của hệ cũng như lượng nước tham gia hình thành pha hiđrat Hiện nay độ hoạt tính của phụ gia khoáng được đánh giá thông qua chỉ số hoạt tính (với xi măng poóc lăng) và độ hút vôi, trong đó chỉ số hoạt tính với xi măng là quan trọng nhất

Cơ chế hoạt tính puzolan: khi xi măng thủy hóa sinh ra pha portlandic, đặc biệt là C3S khi thủy hóa sinh ra khoảng 6 ÷ 9% Ca(OH)2 Trong khi đó thành chủ yếu của phụ gia hoạt tính puzolan là SiO2 vô định hình hay còn gọi là SiO2 hoạt tính

và Al2O3 hoạt tính Các khoáng hoạt tính này sẽ phản ứng với Ca(OH)2 giải phóng

từ quá trình thủy hóa xi măng tạo thành các hợp chất C-S-H, C-A-H theo phương trình sau:

3Ca(OH)2 + 2SiO2(vô định hình) + 3H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O 3Ca(OH)2 + Al2O3 + 3H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O Các sản phẩm tạo ra từ phản ứng hoạt tính puzolan có cấu trúc giống cấu trúc C-S-H làm đặc chắc thêm cấu trúc của bê tông, kết quả là cường độ của bê tông được gia tăng, độ thấm giảm

Căn cứ vào nguồn gốc tạo thành, phụ gia hoạt tính puzolan được chia thành hai loại phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc nhân tạo Puzolan thiên nhiên bao gồm: đất điatomit, đá phiến sét, tuyp và tro núi lửa, đá bọt, đá bazan… Puzolan nhân tạo như: tro bay, tro trấu, silicafum, sisex, meta caolanh…

Phụ gia hoạt tính puzolan chứa nhiều ôxit silic, ôxit nhôm ở dạng vô định

Trang 26

hình có hoạt tính Do đó mà puzolan có những đặc tính tốt như sau:

+ Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hiđrat hóa và giảm co ngót do nhiệt

+ Giảm phản ứng hóa học của cốt liệu kiềm

+ Tăng độ đặc chắn, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong nước và trong đất có tính chất ăn mòn

+ Trước khi sử dụng thì puzolan cần phải được gia nhiệt và nghiền mịn để tăng hoạt tính Tuy nhiên puzolan có thể kéo dài thời gian đông kết, làm chậm sự phát triển cường độ bê tông ở tuổi ban đầu 3 - 7 ngày, nhưng cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vượt bê tông không chứa puzolan

+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bê tông khối lớn

+ Giảm lượng nước trộn hoặc tăng tính dễ đổ

Phụ gia trộn hỗn hợp hay có thể được nghiền riêng thành bột mịn để pha vào bê tông và vữa trước khi trộn Xỉ hạt lò cao thường được nghiền mịn hơn xi măng, tỷ diện của nó lớn hơn 3500 cm2/g, có khi tới 5000 cm2/g, xỉ càng mịn hoạt tính càng tăng

1.4.3.2 Phụ gia đầy

Phụ gia đầy gồm các vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, chúng hầu như không tham gia vào quá trình hiđrat hoá của xi măng mà chủ yếu đóng vai trò cốt liệu mịn, làm tốt thành phần hạt và cấu trúc của đá xi măng Phụ gia đầy sử dụng trong công nghiệp xi măng gồm: đá vôi, đá vôi silic có mầu đen, đá sét đen, các loại bụi thu hồi ở lọc bụi điện trong dây chuyền sản xuất xi măng cũng được sử dụng như một loại phụ gia đầy nhân tạo

1.4.3.3 Phụ gia công nghệ

Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu đến tính chất

Trang 27

của xi măng, vữa và bê tông; hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng không lớn hơn 1% [3] Phụ gia trợ nghiền chính là một loại phụ gia công nghệ, hỗ trợ cho quá trình nghiền mịn xi măng

Về mặt bản chất hoá học, các loại phụ gia trợ nghiền cho xi măng phần lớn đều là các chất hoạt tính bề mặt, điện ly mạnh ở dạng dung dịch nước Chúng thường có bản tính kiềm pH = 8 – 12, khối lượng thể tích xấp xỉ 1,05 – 1,09 (±0,02) (g/cm3), nặng hơn nước chút ít và hoà tan tốt trong nước, tạo dung dịch nước độ nhớt thấp, thấm ướt tốt bề mặt vật thể rắn phi kim loại Trong công nghiệp xi măng phụ gia trợ nghiền được sử dụng rất phổ biến, chúng được sử dụng khi nghiền mịn, siêu mịn các loại xi măng giúp tăng hiệu quả quá trình nghiền, giảm năng lượng nghiền

Ngoài tác dụng trợ nghiền chúng còn có tác dụng bổ trợ ứng dụng khác như tăng năng suất nghiền, khử hoặc ức chế hiện tượng pack set (agglomeration), hạ thấp lượng nước liên kết khi đóng rắn, tăng độ bền cơ học của đá xi măng, tăng thời gian bảo quản trong không khí ẩm, tăng tốc độ phát triển cường độ đá xi măng giai đoạn đầu đông kết, tăng độ linh động của hồ xi măng và bê tông, giảm hiện tượng tách nước của bê tông khi đóng rắn

Các loại phụ gia trợ nghiền thông dụng được dùng trong quá trình nghiền

xi măng chủ yếu là: xà phòng naphtalen, chế phẩm từ dầu mỏ, các loại axit béo hữu

cơ C7 - C9, một số muối điện ly và có gốc kiềm (AlCl3, NaCl, Na2CO3 , CaCl2, MgCl2, Al2(SO4)3, BaCl2), các chế phẩm từ chất thải công nghiệp giấy (dịch lignhin, keo SSB (single strand break), các rượu đa chức (polyglycol, TEA, hỗn hợp TEA + SSB) Hiệu quả nhất vẫn là các loại có khả năng hấp phụ bề mặt với hoạt tính cao như TEA (Triethalolamin N(CH2CH2OH)3)

1.5 Giới thiệu chung về tro bay nhiệt điện

1.5.1 Khái niệm và phân loại tro bay

Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá, phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần tro gồm

Trang 28

các hạt rất mịn bay theo khí thải, được thu gom bằng các thiết bị lọc bụi Trước đây

ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh phần tro này thường được xem là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn [4] Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí Và thuật ngữ

tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát

ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện

Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay theo các loại khác nhau Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải, Trung Quốc, tro bay được phân làm hai loại [5] là tro bay có hàm lượng canxi thấp

và tro bay có hàm lượng canxi cao Tro bay có chứa hàm lượng canxi từ 8% trở lên (hoặc CaO tự do trên 1%) là loại tro bay có hàm lượng canxi cao Do đó, CaO trong tro bay hoặc CaO tự do được sử dụng để phân biệt tro bay có hàm lượng canxi cao với tro bay hàm lượng canxi thấp Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám

Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [6]:

 Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%

 Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%

 Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%

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 [7]

Trang 29

Bảng 3: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618

Các yêu cầu theo tiêu chuẩn

ASTM C618

Đơn

vị

Lớn nhất /nhỏ nhất

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

 Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) ≥ 70%

Trang 30

 Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) < 70% Tại Việt Nam, tro bay được phân loại theo tiêu chuẩn TCVN 10302 : 2014 [8] có hai loại:

 Tro axit: tro có hàm lượng canxi ôxit đến 10 %, ký hiệu: F

 Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi ôxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

Ngoài ra còn phân loại tro bay theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại:

 Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây, bao gồm 4 nhóm lĩnh vực sử dụng,

ký hiệu:

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông cốt thép từ bê tông nặng

và bê tông nhẹ, ký hiệu: a;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông không cốt thép từ bê tông nặng, bê tông nhẹ và vữa xây, ký hiệu: b;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông tổ ong, ký hiệu: c;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông, bê tông cốt thép làm việc trong điều kiện đặc biệt, ký hiệu: d

 Tro bay dùng cho xi măng, kí hiệu: xm

 Yêu cầu kỹ thuật:

- Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây: Tro bay dùng cho bê tông và vữa

xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại Bảng 4 [8]

Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3

+ Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn

F

C

70

45

Trang 31

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu

huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khối

lượng, không lớn hơn

3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd,

% khối lượng, không lớn hơn

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, %

khối lượng, không lớn hơn

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa

tan), % khối lượng, không lớn hơn

F

10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff,

(Bq/kg) của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công

- Đối với công trình công nghiệp,

đường đô thị và khu dân cư, không lớn

hơn

740

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

Trang 32

- Tro bay dùng cho xi măng

Tro bay dùng cho xi măng cần đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng quy định tại TCVN 10302: 2014 (bảng 5)

Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng TCVN 10302 : 2014 [8]

Chỉ tiêu

Mức Tro axit

3 Hàm lượng CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn 1,0 3,0

4 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng,

6 Chỉ số hoạt tính cường độ đối với xi măng sau 28

7 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay,

* Khi đốt than antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tới 12% theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

1.5.2 Các đặc trưng của tro bay

1.5.2.1 Thành phần hóa học trong 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 [9] Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75%

Trang 33

tổng lượng tro thải ra Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các ôxit 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

Bảng 6: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [10]

Thành

phần

Khoảng (% khối lượng)

Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia

là khác nhau Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học

Trang 34

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, số liệu như trong bảng 7 [11]:

Bảng 7: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Loại tro bay

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 C618 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 [12]

Trang 35

1.5.2.2 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hình thái và kích thước của các hạt tro bay được mô tả trong hình 2, 3 [13] Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, 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 ôxit silic và các ôxit khác

Trang 36

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền kéo Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4 - 0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6 - 11,0 g/cm3 Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ)

* Cấu trúc bên trong:

Cấu trúc bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản Cấu trúc này

bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong

Nghiên cứu của Biggs và Brunsnel trong hình 5 cho thấy hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2 giờ) với dung dịch axit hiđrô floric 1%, hai cấu trúc bên trong rất khác nhau đã được lộ ra Các hạt bên trái là các hạt giàu sắt,

có từ tính, hạt bên phải có cấu trúc tinh thể hình cây Các hạt ở bên phải hình 6 chứa một cấu trúc đặc trưng của các hạt mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim, được tìm thấy trong hầu hết các hạt không có từ tính của các hạt tro bay có hàm lượng canxi thấp điển hình

Hình 5: Cấu trúc hạt tro bay sau khi

tiếp xúc ngắn với dung dịch HF

Hình 6: Cấu trúc tro bay tiếp xúc với dung dịch HF trong thời gian dài

Trang 37

1.5.2.3 Phân bố kích thước hạt trong tro bay

Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng ứng dụng của nó Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, điều kiện đốt

và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong tro bay khác nhau Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10 - 350 m, trong đó phân đoạn có đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷ trọng lớn

Bảng 8: Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [14]

Phân đoạn

(mesh)

Kích thước (μm)

Nguồn nguyên liệu

Nam Phi (%) Colombia (%)

< 45

1,9 8,2 10,6 79,2

4,5 10,0 9,2 76,3 Tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng mà có thể tách các phân đoạn kích thước khác nhau Hai loại tro bay thương phẩm của Công ty Boud Minerals & Polymers (Anh Quốc) sử dụng làm chất gia cường cho chất dẻo có kích thước hạt thể hiện trên bảng 9

Trang 38

Bảng 9: Kích thước hạt tro bay thương phẩm

Thông số Đơn vị Plasfill 5 Plasfill 15

D50

D99

D90

Tỷ trọng Mầu sắc

11,5

110

52 2,25 Ghi sáng

1.5.3 Đặc tính của tro bay dùng trong xi măng

Tro bay là một loại vật liệu puzolan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong quá trình cháy của than chưa hết Nó được thu lượm bằng máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh điện từ ống khói nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền làm nhiên liệu Là một vật liệu rất mịn nên thành phần chủ yếu của tro bay là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu Loại vật liệu này một thời đã được coi là rác thải khó xử lí và khó phân hủy, nhưng hiện nay nó được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp như là một phụ gia

Tro bay thu được từ nhà máy tách bằng khí xoáy có kích thước hạt tương đối lớn, trong khi đó tro bay thu được từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện

bề mặt tương đối lớn 3000 - 5000 cm2/g Vì vậy tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, SO3… Các đặc trưng quan trọng nhất trong việc sử dụng phụ gia là hàm lượng cacbon phải thấp và SiO2 phải ở dạng bột mịn và rời rạc

* Ưu điểm của việc sử dụng tro bay:

+ Kích thước hạt tro bay rất mịn, tương thích với thành phần hạt của xi măng, dễ dàng lấp đầy vào các lỗ trống để làm tăng độ chắc đặc cho đá xi măng

+ Khả năng hoạt tính của tro bay cao nên nó phát huy tốt vai trò phụ gia trong việc làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan trong xi măng và tạo thành gel C-S-

Trang 39

H có khả năng rắn chắc với phản ứng điển hình như sau:

2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O + Khắc phục đáng kể hiện tượng xâm thực của môi trường nước biển chứaCl- ăn mòn mạnh cốt thép và gây phá hủy công trình

* Với những ưu điểm khi sử dụng phụ gia tro bay được nêu trên, hiện nay nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tro bay của các nhà máy nhiệt điện làm phụ gia

để sản xuất xi măng hỗn hợp PCB Một số thông tin về việc sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng được đưa ra ở bảng sau:

Bảng 10: Tỉ lệ tro bay sử dụng trong xi măng ở các nước [15]

Các nước Tỉ lệ tro bay trong hỗn hợp xi măng, %

1.5.4 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới

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

Trang 40

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 [16] 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 [17] 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

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,46 MB