Nghiên cứu đánh giá chất lượng cơ bản của bê tông nhựa sử dụng xỉ than trong phòng thí nghiệm

TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA SỬ DỤNG XỈ THAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM Mục tiêu của đề tài là đánh giá khả năng làm việc của bê tông nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA SỬ DỤNG XỈ THAN

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

ngày tháng năm 20 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Lê Bá Khánh – Chủ tịch

2 PGS.TS Lê Anh Thắng – Phản biện

3 TS Lê Văn Phúc – Phản biện

4 TS Huỳnh Ngọc Thi – Thư ký

5 PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn – Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1977 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông Mã số : 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA SỬ DỤNG XỈ THAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan bê tông nhựa xỉ than

2 Thiết kế mẫu bê tông nhựa chặt xỉ than

3 Thí nghiệm các chỉ tiêu đánh giá chất lượng cơ bản bê tông nhựa chặt xỉ than

4 So sánh kinh tế kỹ thuật bê tông nhựa chặt xỉ than và bê tông nhựa chặt thường

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/8/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Em chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn đã hướng dẫn em hoàn thành luận văn này Thầy đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ nhiều tài liệu, hướng dẫn thí nghiệm cho em trong thời gian học tập và nghiên cứu

Em cũng xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy, Cô Bộ Môn Kỹ Thuật xây dựng cầu đường – Khoa Kỹ thuật xây dựng, trường ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã dành thời gian quí báu dẫn dắt, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý giá cũng như đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian học tập tại trường Xin cảm ơn thầy PGS

TS Lê Anh Thắng và phòng thí nghiệm cầu đường trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm cầu đường trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè và đồng nghiệp trong quá trình học tại trường ĐH Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho tôi trong toàn bộ quá trình làm luận văn

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn sâu sắc

Với những hạn chế về thời gian thực hiện cũng như năng lực có hạn của bản thân, chắc chắn luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến từ quý Thầy, Cô, đồng nghiệp và bạn bè để luận văn thêm hoàn thiện

và có đóng góp vào thực tiễn

Trân trọng cám ơn

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019

Tác giả luận văn

Lê Thị Thu Thủy

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA

SỬ DỤNG XỈ THAN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

Mục tiêu của đề tài là đánh giá khả năng làm việc của bê tông nhựa sử dụng xỉ than thay thế cốt liệu đá dăm thông thường và hàm lượng sử dụng xỉ than 5.7% Trong nghiên cứu này xỉ than được thay thế phần cốt liệu mịn của bê tông nhựa chặt 12.5mm, cụ thể các kích thước cốt liệu mịn từ 0.075mm đến 2.36mm được thay thế bằng xỉ than với 4 hàm lượng 15%, 20%, 25%, 30% (theo khối lượng)

Trong nghiên cứu này các mẫu bê tông nhựa được chế bị theo phương pháp Marshall theo hàm lượng nhựa 5.7% để thực hiện các thí nghiệm nhằm đánh giá chất lượng của bê tông nhựa sử dụng xỉ than thay thế phần thông qua các kết quả đánh giá độ bền mỏi, hằn lún vệt bánh xe, độ nhám vĩ mô

Nghiên cứu cũng so sánh giá thành của BTNXT nhằm cung cấp thêm tư liệu để

so sánh lợi ích kinh tế của BTNXT so với sử dụng BTN thông thường để làm áo đường

ABSTRACT

The objective of the thesis is to evaluate the working ability of asphalt concrete using coal slag instead of conventional macadam aggregate and the use content of coal slag 5.7% In this study, coal slag is replaced by the fine aggregate of 12.5mm compact asphalt concrete, specifically, the fine aggregate size from 0.075mm to 2.36mm is replaced by coal slag with 4 content of 15%, 20% , 25%, 30% (by volume)

In this study, the asphalt concrete samples were prepared according to Marshall method with the resin content of 5.7% to perform experiments to evaluate the quality of asphalt concrete using coal slag instead of the results of evaluation price fatigue strength, rutting wheel rutting, macro roughness

The study also compares the cost of asphalt concrete to provide more data to compare the economic benefits of asphalt concrete compared to using conventional asphalt to make road coats

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA SỬ DỤNG XỈ THAN

TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi với sự

hướng dẫn dẫn dắt của thầy PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Các số liệu trong nghiên cứu là trung thực Việc tham khảo tài liệu (nếu có) đều được trích dẫn theo đúng quy định

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này

TP.HCM, ngày 8 tháng 12 năm 2020

LÊ THỊ THU THỦY Học viên cao học khóa 2016 Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Công Giao Thông

Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

1.5 Nội dung luận văn 3

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA VÀ BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN .5

2.1 Bê tông nhựa 5

2.1.1 Khái niệm hỗn hợp bê tông nhựa 5

2.1.2 Phân loại bê tông nhựa 5

2.1.3 Thành phần của hỗn hợp BTNC 6

2.2 Vật liệu xỉ than và bê tông nhựa xỉ than 6

2.2.1 Khái niệm bê tông nhựa xỉ than 6

2.2.2 Vật liệu xỉ than 6

2.3 Các nghiên cứu sử dụng xỉ than trong lĩnh vực xây dựng 9

2.3.1 Khái quát tình hình cung ứng và sử dụng xỉ than 9

2.3.2 Tình hình nghiên cứu hỗn hợp BTN xỉ than trên thế giới 11

2.4 Kết luận về nghiên cứu tro xỉ tại Việt Nam và trên thế giới 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN 29

3.1 Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế mẫu bê tông nhựa 29

3.1.1 Nhựa đường sử dụng trong nghiên cứu 29

3.1.2 Cốt liệu đá sử dụng trong nghiên cứu 31

3.1.3 Bột khoáng 32

3.1.4 Xỉ than 33

3.2 Thiết kế hỗn hợp mẫu bê tông nhựa xỉ than theo phương pháp Marshall 33

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN 42

4.1 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi vật liệu 42

4.1.1 Chuẩn bị thí nghiệm 42

4.1.2 Trình tự thí nghiệm 42

4.1.3 Kết quả thí nghiệm 43

4.2 Thí nghiệm độ ổn định Marshall 44

4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 44

4.2.2 Mô tả thí nghiệm 44

4.2.3 Kết quả thí nghiệm 45

4.3 Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro 46

4.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm 46

4.3.2 Mô tả thí nghiệm 46

4.3.3 Kết quả thí nghiệm 46

4.4 Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) (ITS) 47

4.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 47

4.4.2 Mô tả thí nghiệm 48

4.4.3 Kết quả thí nghiệm 48

4.5 Thí nghiệm xác định độ nhám 49

4.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm 49

4.5.2 Mô tả thí nghiệm 49

4.5.3 Kết quả thí nghiệm 50

4.6 Thí nghiệm vệt hằn bánh xe 50

4.6.1 Chuẩn bị thí nghiệm 50

4.6.2 Mô tả thí nghiệm: theo phương pháp A 51

4.6.3 Kết quả thí nghiệm 52

4.7 Thí nghiệm xác định độ bền mỏi hỗn hợp bê tông nhựa chặt xỉ than 55

4.7.1 Chuẩn bị thí nghiệm 55

4.7.2 Mô tả thí nghiệm 56

4.7.3 Kết quả thí nghiệm 57

4.8 Đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa xỉ than 62

4.8.1 Về mô đun đàn hồi của vật liệu BTNXT 62

4.8.2 Về độ ổn định và độ dẻo Marshall 62

4.8.3 Về khả năng chịu hao mòn theo thí nghiệm Cantabro 62

4.8.4 Về cường độ chịu kéo gián tiếp 62

4.8.5 Về độ nhám theo thí nghiệm bằng phương pháp rắc cát 62

4.8.6 Về khả năng kháng lún theo thí nghiệm vệt hằn bánh xe 62

4.8.7 Về khả năng bền mỏi của bê tông nhựa xỉ than 63

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT BÊ TÔNG NHỰA XỈ THAN 64

5.1 Khối lượng vật liệu: 64

5.2 Đơn giá vật liệu: 64

5.3 Phân tích tích hiệu quả kinh tế của BTNXT 65

5.4 Kết luận 66

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

6.1 Kết luận 68

6.2 Các đề xuất 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng tro bay tiêu thụ giai đoạn từ 2005 đến 2020 [3] 2

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số loại tro xỉ Việt Nam [8] 8

Bảng 2.2 Đặc tính cơ học của xỉ đáy lò Việt Nam [7] 8

Bảng 2.3 Phân loại mẫu cấp phối sử dụng trong thiết kế hỗn hợp [18] 13

Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm GLWT [18] 13

Bảng 2.5 Cấp phối đá vôi với 15% tro đáy [19] 14

Bảng 2.6 Cấp phối đá granit với 15% tro đáy [19] 15

Bảng 2.7 Bảng thiết kế hỗn hợp [19] 15

Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm GLWT [19] 16

Bảng 2.10 Độ mài mòn Los Angeles coefficient (LA %) [22] 19

Bảng 2.11 Số liệu thí nghiệm tổng hợp [22] 19

Bảng 2.12 Thí nghiệm Marshall tại hàm lượng nhựa tối ưu [24] 21

Bảng 3.1 Kết quả các thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường 60/70 30

Bảng 3.2 Kết quả các thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô (đá dăm) 32

Bảng 3.3 Kết quả các thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mịn ( đá xay) 32

Bảng 3.4 Kết quả các thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của Vincem Hà Tiên PCB 40 32

Bảng 3.5 Phần trăm thay thế cốt liệu mịn trong BTNXT 34

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu thông quá các biểu đồ quan hệ thu được từ thí nghiệm các cấp phối xỉ than 40

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm E đàn hồi của các hỗn hợp BTNXT 43

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall và chỉ số dẻo của BTNXT với hàm lượng nhựa 5.25% 45

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro của BTNXT 47

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp của BTNXT và BTNC thường có hàm lượng nhựa 5.25% 48

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm đo độ nhám mặt đường bằng phương pháp rắc cát 50

Bảng 4.5 Tổng hợp hằn lún vệt bánh xe 52

Bảng 4.6 Biến dạng và số vòng lặp trong thí nghiệm mỏi BTNXT 57

Bảng 5.1 : Tổng hợp so sánh hiệu quả kinh tế BTNXT và BTN thông thường 65

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu trong luận văn 4

Hình 2.2 Tình hình sử dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng ở Châu Âu năm 2018 9 Hình 2.3 Tình hình sử dụng tro đáy trong công nghiệp xây dựng năm 2008 10

Hình 2.4 Hình ảnh một số loại lò hơi công nghiệp sử dụng tại Việt Nam [12] 11

Hình 2.5 Đường cong cấp phối theo Gunalaan [21] 17

Hình 2.6 Kết quả đo mô đun đàn hồi các mẫu theo Gunalaan [21] 17

Hình 2.8 Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định [21] 18

Hình 2.9 Cấp phối cốt liệu với phối trộn 10%, 20% và 30% BA [24] 21

Hình 2.10 Độ ổn định Marshall và độ dẻo, độ rỗng [24] 22

Hình 2.11 Hình ảnh một số công trình xây dựng sử dụng tro xỉ trên thế giới [25] 24 Hình 2.12 Một số hình ảnh ứng dụng tro xỉ vào xây dựng ở Việt Nam 27

Hình 3.1 Đá sau khi được sấy khô và loại bỏ tạp chất 31

Hình 3.2 Đá sau khi được phân loại qua sàng 31

Hình 3.3 Xỉ than trước và sau khi được sấy khô 33

Hình 3.4 Xỉ than sau khi được phân loại qua sàng 33

Hình 3.5 Biểu đồ thành phần hạt BTNC dùng trong nghiên cứu 34

Hình 3.6 Khuôn đúc mẫu và mẫu chế bị 35

Hình 3.7 Thiết bị sàng rung tự động, thiết bị đầm nén mẫu và lấy mẫu 35

Hình 3.8 Thiết bị sấy đá và làm nóng nhựa đường 35

Hình 3.9 Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu cơ lý của BTN xỉ than với lượng xỉ than thay thế 15% 36

Hình 3.10 Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và chỉ tiêu cơ lý của BTN xỉ than với lượng xỉ than thay thế 20% 37

Hình 3.11 Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu cơ lý của BTN xỉ than với lượng xỉ than thay thế 25% 38

Hình 3.12 Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và chỉ tiêu cơ lý của BTN xỉ than với lượng xỉ than thay thế 30% 39

Hình 3.13 : Mẫu thử lần 1 BTNXT 20% có hàm lượng nhựa 5.25% theo KL 41

Hình 3.14 Kết quả thử nghiệm hằn lún vệt bánh xe mẫu thử BTNXT 20% 41

Hình 4.1 Kết quả thí nghiệm E đàn hồi vật liệu của các hỗn hợp BTNC thường và các hỗn hợp BTNXTvới hàm lượng nhựa 5.25% 43

Hình 4.2 : Thí nghiệm độ ổn định Marshall 45

Hình 4.4 Thiết bị thí nghiệm ép chẻ và tủ bảo dưỡng mẫu ở 250C 48

Hình 4.5 Một số hình ảnh thí nghiệm đo nhám bằng phương pháp rắc cát 49

Hình 4.6 Một số hình ảnh về thiết bị tạo mẫu BTNCXT dùng trong nghiên cứu 51

Hình 4.7 Các mẫu BTNXT trước và sau khi tháo ván khuôn 51

Hình 4.8 : Một số hình ảnh thí nghiệm hằn lún BTNXT dùng trong nghiên cứu 52

Hình 4.10 : Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu lún và số vòng quay BTNXT 20% 53

Hinh 4.11 : Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu lún và số vòng quay BTNXT 25% 53

Hình 4.12 : Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu lún và số vòng quay BTNXT 30% 54

Hình 4.13 Biểu đồ tổng hợp chiều sâu lún và số vòng quay của các loại BTNXT 54 Hình 4.14 Máy DTS 30 56

Hình 4.15 Một số hình ảnh về bố trí mẫu thử 57

Hình 4.16 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và số vòng lặp BTNXT 15% 58

Hình 4.17 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và số vòng lặp của BTNXT 20% 58

Hình 4.20 Biểu đồ tổng hợp quan hệ giữa ứng suất và độ bền mỏi của các loại BTNXT 60

Hình 4.21 Biểu đồ so sánh độ bền mỏi của các loại BTNXT 60

Hình 5.1 Biểu đồ so sánh giá 1 tấn BTN thông thường và BTNXT 65

BTN: Bê tông nhựa

DANH MỤC VIẾT TẮT

BTNC: Bê tông nhựa chặt thông thường

BTNR: Bê tông nhựa rỗng

BTNC 9,5: Bê tông nhựa chặt, cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm

BTNC 12,5: Bê tông nhựa chặt, cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm

BTNC 19: Bê tông nhựa chặt, cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm

BTNC 4,75: Bê tông nhựa cát có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm

BTNC 12,5: Bê tông nhựa chặt 12,5 mm thông thường theo nghiên cứu của ThS Trần Huy Hải, Luận văn thạc sĩ, 2015 của trường ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh BTNXT 12,5: Bê tông nhựa chặt sử dụng cốt liệu xỉ than thay thế cho thành phần hạt mịn kích thước < 4.75mm

BTNXT - 15: Bê tông nhựa sử dụng cốt liệu xỉ than thay thế cho cốt liệu mịn với tỉ

1.1 Lý do chọn đề tài

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Giao thông vận tải nói chung và giao thông đường bộ nói riêng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của đất nước Theo quyết định số 318/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ về chiến lược giao thông vận tải đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030, vận tải hàng hóa đường bộ là 1.297.171 nghìn tấn/năm Tốc độ tăng trưởng giai đoạn 2013 - 2020 là 7.6% Vận tải hành khách là 5.875.359 nghìn người/năm, tốc độ tăng trưởng giai đoạn 2013-2020 là 10.7% [1] Để đáp ứng được nhu cầu về vận tải hàng hóa và hành khách ngày càng tăng, xây dựng đường bộ được đầu tư mạnh cả về chất lượng và số lượng Tuy nhiên, trước tình hình nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, thì sử dụng các sản phẩm phụ từ chất thải công nghiệp để thay thế một phần cốt liệu tự nhiên trong bê tông nhựa đã đưa ra tiềm năng to lớn trong việc tiết kiệm nguyên vật liệu, hạ giá thành, góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Tại Việt Nam, năng lượng than đang ngày càng được sử dụng nhiều do yêu cầu phát triển của kinh tế Theo tài liệu địa chất [2], tài nguyên than của Việt Nam ở khoảng 34 790 058.103 tấn Năm 2018, sản lương tiêu thụ và sản lượng than nhập khẩu cũng tăng mạnh hơn 50% so với năm 2017 Kèm theo sự tăng mạnh về nhu cầu

sử dụng than, lượng tro xỉ do sử dụng than Chỉ tính riêng nhu cầu sử dụng than trong các nhà máy nhiệt điện,Việt Nam hiện có 21 nhà máy nhiệt điện than đang hoạt động, với tổng công suất lắp đặt khoảng 14.310MW Lượng than phải tiêu thụ mỗi năm khoảng 40 triệu tấn, trung bình các nhà máy nhiệt điện sẽ phát sinh lượng tro xỉ thải khoảng 15,8 triệu tấn/năm lượng tro xỉ than thải ra do chưa được xử lý chặt chẽ, gây

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Theo hội Khoa học kỹ thuật Nhiệt Việt Nam, dự kiến, nếu các nhà máy nhiệt điện được đầu tư theo quy hoạch và lượng tro, xỉ thải ra không được xử lý thì đến năm 2030 sẽ lên tới 422 triệu tấn Điều này tạo ra những thách thức về việc phải sử dụng diện tích đất khổng lồ làm bãi chứa và nhiều áp lực môi trường khác, nguy cơ các nhà máy phải dừng sản xuất do không có đủ bãi chứa là một thực tế

Bảng 1.1 Lượng tro bay tiêu thụ giai đoạn từ 2005 đến 2020 [3]

MW

Tiêu thụ than, (triệu tấn/năm)

Lượng tro bay, (triệu tấn/năm)

Tuy nhiên trong lĩnh vực giao thông, đặc biệt trong lĩnh vực lựa chọn sử dụng tro xỉ vào hỗn hợp bê tông nhựa lại còn thiếu nhiều nghiên cứu, khiến việc đưa hỗn hợp vào thực tế xây dựng mặt đường mềm còn gặp nhiều khó khăn Để giấc mơ biến chất phế thải thành vật liệu quý, không gây lãng phí nguồn tài nguyên, giảm giảm giá thành sản phẩm hỗn hợp bê tông nhựa , cần thiết phải có nhiều nghiên cứu đầy đủ hơn Nghiên cứu lựa chọn sử dụng tro xỉ than như là một loại vật liệu trong hỗn hợp

bê tông nhựa theo điều kiện Việt Nam là một việc làm hết sức cần thiết

1.2 Mục đích của đề tài

Thông qua các số liệu thực nghiệm, mục đích của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu các đặc tính về hằn lún, mỏi, mô đun phức động của bê tông nhựa

sử dụng xỉ than thay thế một phần cốt liệu hạt mịn

- So sánh kinh tế kỹ thuật bê tông nhựa xỉ than và bê tông nhựa thông thường

- Đánh giá khả năng ứng dụng của bê tông nhựa xỉ than trong tình hình thực tế tại Việt Nam

- Đề xuất các kiến nghị nhằm góp phần sớm xây dựng các tiêu chuẩn quy chuẩn

về bê tông nhựa xỉ than tại Việt Nam

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bê tông nhựa chặt sử dụng xỉ than

Phạm vi nghiên cứu gồm nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết gồm tổng quan về bê tông nhựa thông thường, bê tông nhựa có sử dụng xỉ than thay thế phần cốt liệu mịn ở Việt Nam và trên thế giới

Nghiên cứu thực nghiệm gồm chế tạo bê tông nhựa sử dụng xỉ than theo các tiêu chuẩn hiện hành nhằm đánh giá chất lượng của bê tông nhựa chặt sử dụng xỉ than trong tình hình thực tế

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá chất lượng của bê tông nhựa xỉ than

về mỏi, hằn lún vệt bánh xe và độ nhám giúp xác định các yếu tố kỹ thuật nhằm nhanh chóng đưa ra các khuyến cáo về khả năng ứng dụng của bê tông nhựa xỉ than làm lớp mặt đường mềm

Số liệu đáng tin cậy của nghiên cứu cũng là tài liệu tham khảo để tiếp tục phát triển các nghiên cứu ứng dụng của bê tông nhựa xỉ than tại Việt Nam Nghiên cứu có tính ứng dụng thực tế cao, giải quyết được tình hình nguyên vật liệu làm đường trước nguy cơ tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt , góp phần bảo vệ môi trường

1.5 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm các phần chính:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan bê tông nhựa và bê tông nhựa xỉ than

Chương 3: Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than

Chương 4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của bê tông nhựa xỉ than

Chương 5: Đánh giá kinh tế - kỹ thuật của bê tông nhựa xỉ than

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Các công tác nghiên cứu và thí nghiệm của luận văn được thể hiện trong sơ đồ sau:

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu trong luận văn

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA VÀ BÊ TÔNG

NHỰA XỈ THAN

2.1 Bê tông nhựa

2.1.1 Khái niệm hỗn hợp bê tông nhựa

Hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng và chất phụ gia (nếu có) có tỷ lệ phối trộn xác định, trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định thông qua thiết kế hỗn hợp Hỗn hợp vật liệu thường được phối liệu và trộn tại trạm trộn để đảm bảo đúng nhiệt độ, tỷ lệ cấp phối

2.1.2 Phân loại bê tông nhựa

Bê tông nhựa thường có thể chia làm rất nhiều loại dựa theo các yêu cầu kỹ thuật, như dựa theo độ rỗng còn dư, dựa theo kích cỡ hạt lớn nhất, phân loại theo loại nhựa sử dụng như bê tông nhựa rải nóng, bê tông nhựa rải nguội, bê tông nhựa rải ấm Dưới đây là một số cách phân loại theo TCVN 8819:2011 [4]

+Theo độ rỗng còn dư

- Bê tông nhựa chặt : Độ rỗng dư từ 3% ÷ 6% , thích hợp làm lớp mặt

- Bê tông nhựa rỗng : Độ rỗng dư từ 7% ÷ 12% thích hợp làm lớp móng

+Theo kích cỡ hạt lớn nhất

- Bê tông nhựa chặt 37.5 : BTNC, cỡ hạt danh định 37.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 50mm)

- Bê tông nhựa chặt 25 : BTNC, cỡ hạt danh định 25 mm ( cỡ hạt lớn nhất 37.5 mm)

- Bê tông nhựa chặt 19: BTNC, có cỡ hạt danh định 19 mm ( cỡ hạt lớn nhất 25 mm)

- Bê tông nhựa chặt 12.5: BTNC, cỡ hạt danh định 12.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 19 mm)

- Bê tông nhựa chặt 9.5: BTNC, có cỡ hạt danh định 9.5 mm ( cỡ hạt lớn nhất 12.5 mm)

- Bê tông nhựa chặt 4.75: BTNC, cỡ hạt danh định 4.75 mm ( cỡ hạt lớn nhất 9.5 mm)

- Đối với cốt liệu thô (đá dăm) , cốt liệu mịn và bột khoáng: TCVN 8819 : 2011

- Đối với nhựa đường : TCVN 7493 : 2005

2.2 Vật liệu xỉ than và bê tông nhựa xỉ than

2.2.1 Khái niệm bê tông nhựa xỉ than

Trong nghiên cứu của luận văn, bê tông nhựa xỉ than là một khái niệm để chỉ BTNC có sử dụng xỉ than để thay thế một phần cốt liệu mịn trong hỗn hợp

2.2.2 Vật liệu xỉ than :

Xỉ than là sản phẩm phụ của quá trình đốt than tại nhà máy sử dụng năng lượng than tạo ra nhiệt Xỉ than là khái niệm chung dùng để chỉ tới bất kì vật liệu rắn hoặc chất thải như tro bay, xỉ đáy, xỉ lò hơi…được tạo ra chủ yếu từ quá trình đốt than Khi than được nghiền nhỏ và đốt trong lò, khoảng 80% lượng thoát ra khỏi lò đốt ra là tro bay và 20% còn lại trong lò là tro đáy [5]

 Tro bay:

Tro bay ( Fly Ash) là phần chất thải rắn, rất mịn, thoát ra cùng với khí ống khói

và bay vào trong không khí Tro bay có kích thước rất nhỏ cỡ hạt bụi, tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình Thành phần hóa học của tro bay tại Việt Nam chủ yếu gồm oxit silic SiO2, oxit nhôm Al2 O3, oxit sắt Fe2O3 và một lượng nhỏ oxit can xi CaO, oxit magie MgO và một lượng rất nhỏ các loại oxit kali, natri (Bảng 2.1)

Ở một số nước, tùy thuộc vào mục đích mà người ta phân loại tro bay dựa theo những tiêu chí khác nhau Theo TCVN 10302 : 2014 [6] về phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông , vữa xây và xi măng phân loại tro bay theo thành phần hóa học thành:

- Tro axit : Tro có hàm lượng canxi oxit đến 10% , kí hiệu C

- Tro bazo : tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10%, kí hiệu F

Hình 2.1 Sơ đồ tạo thành phụ phẩm trong quá trình đốt than nhiệt điện [5] 1-Đường dẫn hơi nước; 2-Nồi hơi ( Supde); 3-Máy phát điện; 4-Máy biến áp; 5-Hệ thống truyền tải điện; 6-Các đơn vị tiêu thụ điện; 7-Lò đốt; 8 &9 -Bộ tách nhiệt ; 10- Bộ lọc bụi thô tĩnh điện; 11-Bộ lọc khói,bụi mịn; 12-Phễu chứa ;13-Van xả; 14- Thùng ( silô) chứa xỉ đáy ( 5=15%); 15-Bộ tách nước 16-Xe tải thùng; 17-Thùng chứa tro bay (5-85%); 20-Bộ phân phối tro bay; 21-Các phương tiện vận chuyển

khác nhau (xe tải, tàu thuyền)

➢ Xỉ đáy lò:

Xỉ đáy (Bottom Ash- BA) loại điển hình nhất của lò đốt than trong ngành sản xuất

điện ở dạng khô hoặc ở các lò hơi công nghiệp Đặc tính của xỉ đáy lò [7] :

- Kích thước hạt : xỉ đáy lò có kích thước hạt thay đổi từ cỡ hạt cát lên tới 19mm thậm chí lên tới gần 40mm

độ ẩm cao hơn đá dăm thường (Bảng 2.2)

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số loại tro xỉ Việt Nam [8]

TT Loại xỉ MKN SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3

1 Tro pha loại 1 0.39 61.42 18.30 5.30 8.80 1.00 0.10

2 Tro pha loại 2 1.81 62.05 16.54 4.58 10.03 0.99 -

3 Xỉ Ninh Bình 2.01 61.12 13.91 2.00 15.72 1.00 0.35

4 Xỉ Uông Bí 2.03 60.52 14.95 4.20 15.30 1.51 0.45

5 Xỉ Bãi Bằng 0.38 61.51 14.85 4.01 15.00 1.00 0.25

Bảng 2.2 Đặc tính cơ học của xỉ đáy lò Việt Nam [7]

Theo kết luận của nhiều nhà khoa học trên thế giới , thành phần hóa học của

xỉ đáy lò phụ thuộc nguồn than đốt và không phụ thuộc vào loại lò đốt Từ bảng 2.1

có thể thấy thành phần hóa học của xỉ than Việt Nam có thể được ứng dụng vào hỗn hợp BTNC mà hoàn toàn không gây các tác hại xấu đến sức khỏe và môi trường Các kết quả từ bảng 2.2 cũng là dấu hiệu thuận lợi để tiếp tục nghiên cứu tiềm năng ứng dụng xỉ than vào BTNC

2.3 Các nghiên cứu sử dụng xỉ than trong lĩnh vực xây dựng

2.3.1 Khái quát tình hình cung ứng và sử dụng xỉ than

Mặc dù được khuyến khích và ưu tiên sử dụng, nhưng các nguồn cung ứng năng lượng như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân… vẫn chỉ tập trung ở các nước phát triển và chưa thay thế được nhu cầu năng lượng toàn cầu Năng lượng than truyền thống đang chiếm tỷ trọng lớn và ngày càng tăng theo nhu cầu năng lượng thế giới Các nước sản xuất than hàng đầu trên thế giới có thể kể đến

là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Australia , Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng than của thế giới

Hình 2.2 Tình hình sử dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng ở Châu Âu năm 2018

(Tổng sản lượng 17.7 tấn) [11]

Hình 2.3 Tình hình sử dụng tro đáy trong công nghiệp xây dựng năm 2008 (Tổng

sản lượng sử dụng là 2,4 triệu tấn) [10]

Như một điều hiển nhiên, khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện càng nhiều thì các phát thải khi đốt cháy than là xỉ than hay hay tro bay sinh ra cũng tăng theo Lượng xỉ than tro bay được sinh ra gần như tỷ lệ thuận với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng , tuy nhiên chỉ một phần nhỏ trong đó đang được tái tạo lại như một nguyên liệu thứ sinh

Các nước sử dụng có hiệu quả nguồn tro xỉ phát thải đều là các nước có nền khoa học tiên tiến Đơn cử như tại Pháp có đến 99% lượng tro xỉ than thải ra được tái

sử dụng, tại Nhật Bản, con số này là 80%, tại Hàn Quốc là 85%[9] Ở nhiều nước khác, tro bay chủ yếu được sử dụng để sản xuất gạch không nung Sản xuất gạch từ nguyên liệu này tiết kiệm năng lượng đến hơn 85% so với việc sản xuất gạch nung truyền thống từ đất sét

Ở Việt Nam, than có nhiều loại, tập trung chủ yếu ở Quảng Ninh (90% trữ lượng than cả nước) Trữ lượng than của nước ta ước chừng hơn 6,6 tỷ tấn, trong đó trữ lượng có khả năng khai thác là 3,6 tỷ tấn (đứng đầu ở Đông Nam Á) Sản lượng

và xuất khẩu than tăng nhanh trong những năm gần đây Hiện nay, nhiệt điện than cấp 37-38% lượng điện cho nhu cầu điện năng của cả nước Theo tính toán quy hoạch được duyệt tới 2030, nhiệt điện than sẽ chiếm 53% điện năng cung cấp cho hệ thống điện [11]

Bắt đầu từ năm 2010, các nhà máy điện Việt Nam thường sử dụng công nghệ đốt than trong lò tầng sôi Than nguyên khai được đập đến 5÷8 mm rồi cấp vào lò đốt, hiệu suất cháy của buồng đốt cao hơn 90% Sản phẩm của quá trình này sinh ra tro xỉ đáy khoảng 20%, tro bay khoảng 80%

Ngoài lượng xỉ than đến từ hoạt động đốt than nhiệt điện ( chiếm phần lớn ), phần còn lại của xỉ than có nguồn gốc từ doanh nghiệp và tư nhân thông qua sử dụng

lò đốt hơi ghi xích Lò hơi ghi xích là loại lò hơi công nghiệp đốt than đá, củi, vỏ cây hoặc chất đốt hữu cơ rắn phần lớn có kết cấu buồng đốt sử dụng Ghi (ghi là bộ phận kim loại nơi chất đốt được đặt trên bề mặt và cháy trực tiếp để sinh nhiệt) Đối với loại lò hơi sử dụng ghi thì có 2 loại phổ biến là ghi tĩnh (nằm yên), ghi xích hay ghi chuyển động (Ghi được chạy giống bang tải) chất đốt được cấp vào và cháy trên ghi sau đó thành xỉ và được đưa ra trên ghi

Theo thống kê thì hiện nay các lò hơi (nồi hơi) sử dụng ghi thì lò hơi ghi xích chiếm tỷ lệ cao hơn do nó có cơ cấu cấp nhiên liệu và thải xỉ bằng cơ cấu tự động giúp vận hành đơn giản và tiết kiệm nhân công hơn

Hình 2.4 Hình ảnh một số loại lò hơi công nghiệp sử dụng tại Việt Nam [12]

2.3.2 Tình hình nghiên cứu hỗn hợp BTN xỉ than trên thế giới

Lịch sử nghiên cứu sử dụng xỉ than trong lĩnh vực xây dựng gắn liền với sự bùng nổ kinh tế và nhu cầu năng lượng Từ những năm đầu của thế kỉ 20, báo cáo đầu tiên về việc sử dụng tro bay thành công trong bê tông được ghi nhận vào năm

1935 bởi R.E.Davis Từ đó đến nay, hàng loạt các nghiên cứu đánh giá về xỉ than và ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng đã được nghiên cứu và công bố

Các kết quả nghiên cứu của Shuler, T S (1976)[13], R E Long and R.W Floyd (1982) [14], David Q Hunsucker (1992)[15], Muselaman et all (1994)[16], Saylak Estakhri và Chimakurthy (1997)[17] cho thấy hỗn hợp bê tông nhựa tro đáy có khả năng cải thiện được một số tính chất của bê tông nhựa như tăng khả năng kháng trượt của mặt đường, đồng thời cũng đưa ra tỷ lệ trộn tro đáy trong bê tông nhựa chặt nên ở mức dưới 50% khối lượng

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tro đáy tới hỗn hợp BTNC, Menglan Zeng et all (2003)[23] đã kết luận việc bổ sung tro đáy không làm thay đổi giá trị độ bền kéo gián tiếp (ITS) Các nghiên cứu toàn diện về đặc tính của bê tông nhựa sử dụng xỉ than đáy lò của Khaled Ksaibati và Jason Stephen (1999)[18] , Ksaibati et al (2006)[19], Ksaibati et al (2003)[20] cũng đưa ra các bằng chứng về tiềm năng sử dụng xỉ đáy lò trong BTNC

Các kết quả cụ thể tiêu biểu cho nghiên cứu về sử dụng tro đáy trong bê tông nhựa chặt có thể kể đến như :

Báo cáo “Utilization of Bottom Ash in Asphalt Mixes”, Khaled Ksaibati and Jason Stephen, University of Wyoming, USA, 1999 [18]

Tại đại học Wyoming năm 1999, Khaled Ksaibati và Jason Stephen đã sử dụng hỗn hợp chứa 15% và 20% tro đáy để thay thế phần hạt mịn dưới sàng 4.75mm trong BTNC 12,5 và BTNC 19, hàm lượng nhựa được sử dụng trong hỗn hợp có xỉ than là 7% và 7.5% Hàm lượng nhựa tối ưu của bê tông nhựa xỉ than cao hơn so với mức thông thường được tác giả giải thích nguyên nhân xuất phát từ sự hấp thụ nhựa của

xỉ than trong hỗn hợp

Các kết quả TN đầm nén tiêu chuẩn có độ chặt đạt ≥ 95%, khối lượng thể tích trung bình của bê tông nhựa xỉ than trong thí nghiệm là 2.289 g/cm3 Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe sau 8000 vòng trung bình là 0,59 cm Thống kê kết quả hằn lún vệt bánh xe cũng cho thấy tính kháng nứt của bê tông nhựa xỉ than cao hơn bê tông nhựa chặt thông thường

Bảng 2.3 Phân loại mẫu cấp phối sử dụng trong thiết kế hỗn hợp [18]

Mắt sàng

Phần trăm lọt sàng Quy

định (40/45/1 5)

Wyodak (40/40/5/15)

Jim Bridger (40/38/7/15)

Naughton (40/36/9/1 5)

Vệt hằn trung bình sau 8000 vòng (cm)

GLWT-C-24 Thường 3 2.355 0.220 GLWT-C-25 Thường 3 2.360 0.226

Trung bình 3 2.358 0.223 GLWT-W-22 Wyodak 3 2.284 0.240 GLWT-W-23 Wyodak 3 2.277 0.279

Trung bình 3 2.281 0.260 GLWT-J-22

Jim Bridger 3 2.287 0.519 GLWT-J-23

Jim Bridger 4 2.274 0.613 Trung bình 3 2.281 0.556 GLWT-N-22 Naughton 3 2.282 0.385 GLWT-N-23 Naughton 4 2.272 0.475

Trung bình 4 2.277 0.430

Theo báo cáo “Utilization of Wyoming bottom ash in asphalt mixes” của Ksaibati, K., & Sayiri, S R K.; No MPC Report No 06-179 Mountain Plains Consortium, (2006) [19]

Cũng tại đại học Wyoming năm 2006, thử nghiệm của Ksaibati trên các mẫu BTNCXT thay thế 15% lượng hạt mịn trong BTNC bằng tro đáy của 3 nhà máy điện khác nhau cho thấy hàm lượng nhựa tăng khoảng 1% so với hỗn hợp BTNC thông thường Khi thay thế tro đáy, độ rỗng dư Va của hỗn hợp không đổi (4%), độ rỗng cốt liệu VMA tăng từ 2% - 3% so với hỗn hợp BTN thông thường Kết quả hằn lún vệt bánh xe sau 1000, 4000 và 8000 vòng được thống kê trung bình lần lượt là 5,58

mm, 12,19 mm và 15,25 mm

Thí nghiệm trong báo cáo có sử dụng nguồn xỉ than từ ba nguồn là:

➢ Nhà máy điện Jim Bridger được đặt tại góc phía tây nam của bang Utah gần Point of Rocks( viết tắt là JB)

➢ Nhà máy điện sông Laramie được đặt tại Wheatland, Kazakhstan (viết tắt là LR)

➢ Nhà máy điện Dave Johnston được đặt tại Glenrock, bang Utah

Bảng 2.5 Cấp phối đá vôi với 15% tro đáy [19]

Cấp phối Quy định Mẫu DJ Mẫu LR Mẫu JB

% qua sàng % qua sàng % qua sàng % qua sàng

Bảng 2.6 Cấp phối đá granit với 15% tro đáy [19]

Cấp

phối

% qua sàng

% qua sàng

%

Tỷ trọng khối (pcf)

Rice Density (pcf)

Độ rỗng

dư (%)

Độ rỗng cốt liệu (%)

Độ rỗng lấp đầy (%)

Cấp phối đá vôi công ty CAP(ICM)

CAP 3/4”

thường

4.6 150.5 156.8 4 12.6 68.8 15% DJ Xỉ than 6.1 146.4 152.4 4 15.6 73.9 15% JB Xỉ than 5.2 144.8 150.8 4 15.3 83.3 15% LR Xỉ than 5.7 147.8 154 4 14.6 72.9 Cấp phối đá granit của công ty Lewis

Lewis 1/2”

thường

5.5 144.6 150.6 4 15.3 74 15% DJ Xỉ than 6.2 142.8 148.9 4 15.3 73 15% JB Xỉ than 6.2 139.5 145.8 4 16.1 75 15% LR Xỉ than 6 142.9 149.4 4 15.2 72

Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm GLWT [19]

Nguồn xỉ

than

Hàm lượng xỉ than

Độ rỗng

dư (%)

Độ sâu (mm)

1000 vòng

4000 vòng

8000 vòng

Tác giả đã thử nghiệm hỗn hợp đá vôi và hỗn hợp đá granit chứa xỉ than để đánh giá độ nhạy ẩm của hỗn hợp bê tông nhựa xỉ than

Loại mẫu 1 sử dụng nguồn tro của 3 nhà máy điện Loại mẫu 2 sử dụng tro đáy của 2 nhà máy điện trộn lẫn Hàm lượng tro đáy sử dụng là 15%, tạo mẫu cho cả BTNC 12.5 và BTNC 19 Các mẫu được đặt trong nước ở nhiệt độ 250C trong 2 giờ , hút chân không trước khi thử độ bền kéo gián tiếp

Các kết quả thu được từ thí nghiệm cho thấy mẫu BTN trộn xỉ than và mẫu BTN đá vôi có tác dụng ngang nhau trong việc cải thiện độ nhạy ẩm so với mẫu BTN thông thường

Báo cáo “Performance On Coal Bottom Ash In Hot Mix Asphalt”, Gunalaan Vasudevan, International Journal of Research in Engineering and Technology (2013), p24-33 [21]

Gunalaan Vasudevan (2013) đã thí nghiệm trên các mẫu BTNC thay thế phần cốt liệu từ 1% đến 6% xỉ than, sử dụng 1 hàm lượng nhựa cố định 5.1% với tất cả các mẫu Giá trị từ thí nghiệm độ chặt cho thấy khi tăng xỉ than trong hỗn hợp BTNC,

độ chặt giảm Tác giả lý giải do tro đáy có độ xốp nhất định, các lỗ rỗng trong xỉ than hấp phụ nhựa khiến độ chặt giảm Các thí nghiệm về độ ổn định Marshall cho thấy khi hàm lượng xỉ đáy lò tăng, thì độ ổn định cũng tăng Mô đun đàn hồi của các mẫu thử nghiệm cũng tăng so với các mẫu BTNC thông thường

Tỷ lệ phối trộn các mẫu BTNXT của Gunalaan :

Hình 2.5 Đường cong cấp phối theo Gunalaan [21]

Hình 2.6 Kết quả đo mô đun đàn hồi các mẫu theo Gunalaan [21]

Kết quả đo thí nghiệm mô đun đàn hồi của Gunalaan Vasudevan cho thấy khi lượng tro xỉ tăng đến khoảng 1,5% thì mô đun đàn hồi tăng, sau đó mô đun đàn hồi giảm nhẹ khi tro xỉ trong hỗn hợp tăng từ 1,5% đến 3% Từ 3% đến 6% trị số mô đun tăng đáng kể liên tục

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ khối lượng thể tích và hàm lượng nhựa [21]

Hình 2.8 Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định [21]

Hội thảo SIIV-5th International Congress - Sustainability of Road Infrastructures 2012, 29-31 October 2012, Rome, Italy

Tại hội thảo quốc tế về phát triển cơ sở hạ tầng bền vững năm 2012 tại Ý,

D’Andrea đã trình bày báo cáo “Application of Bottom Ash for Pavement Binder Course” [22] dựa trên thí nghiệm sử dụng tro xỉ thay thế là 15%, 20%, 30% khối

lượng cốt liệu mịn trong BTNC Các mẫu BTNC thường và tro xỉ đều sử dụng hàm lượng nhựa 4.5%, riêng 1 tổ mẫu BTNC 20% xỉ than được trộn với hàm lượng nhựa

5% Kết quả thí nghiệm độ mài mòn LA của hỗn hợp theo báo cáo là 25% – 28%, tăng theo lượng xỉ than thay thế trong hỗn hợp Các thí nghiệm khác về độ ổn định,

độ rỗng, độ cứng đều đạt tiêu chuẩn Độ ổn định trên 1200 daN , tăng 100 daN so với mẫu thông thường Độ cứng trung bình lớn hơn so với mẫu thông thường khoảng 200 daN, độ rỗng dao động rộng, tăng khoảng từ 1-3% so với mẫu BTN thông thường

Bảng 2.9 Thành phần cấp phối thiết kế [22]

Loại cấp phối Xỉ

đáy(%)

10-25% cốt liệu thô

4-10% cốt liệu thô

2-5% cốt liệu mịn Cát %

Bảng 2.10 Độ mài mòn Los Angeles coefficient (LA %) [22]

Tên mẫu theo cấp

phối

BA

%

10-25 cốt liệu thô

%

4-10 cốt liệu thô

%

2-5 cốt liệu mịn

%

Cát

%

Hỗn hợp

số Cantabro tăng theo hàm lượng xỉ than có trong hỗn hợp , cụ thể chỉ số Cantabro nằm trong khoảng 16 đối với hỗn hợp với 20% tro và tăng lên 18% với hỗn hợp 20% tro nhưng vẫn đạt yêu cầu so với quy định (<25%)

Các dữ liệu thực nghiệm từ báo cáo cho thấy thuộc tính cơ học của hỗn hợp trộn với tro xỉ đáy gần như tương đương với những phối trộn truyền thống

Báo cáo “Evaluation of asphalt mixture containing coal ash” công bố tại 6th Transport Research Arena April 18-21, 2016, Korea của các tác giả Byung- Soo Yoo, Dae Wook park, Hai Viet Vo [24]

Mới đây, tại Hàn Quốc, Byung-Soo Yoo, Dae Wook park, Hai Viet Vo [24]

đã công bố các kết quả thí nghiệm sử dụng xỉ đáy lò như một phần thay thế cốt liệu mịn dưới sàng 4.75mm cho hỗn hợp BTNC Nghiên cứu đã sử dụng xỉ đáy lò thay thế phần cốt liệu mịn là 10%, 20%, 30% với các hàm lượng nhựa 4,5%, 5%, 5,5%, 6% để đánh giá các chỉ tiêu : độ ổn định Marshall, độ dẻo,độ rỗng, khối lượng thể tích, kháng nứt mỏi, độ nhạy ẩm Các dữ liệu thí nghiệm cho thấy xỉ than có thể dùng

hiệu quả như cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa Sau đó các tác giả tiến hành thiết kế lại mẫu BTNC tương ứng với độ rỗng 4% , lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu

và các thí nghiệm về chỉ tiêu cơ lý cho kết quả tại bảng sau :

Bảng 2.12 Thí nghiệm Marshall tại hàm lượng nhựa tối ưu [24]

Tính chất Giới hạn 0% BA BA10 BA20 BA30

Kết luận rút ra từ nghiên cứu:

Nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng nhựa tăng khi sử dụng xỉ đáy trong hỗn hợp cốt liệu Tuy vậy hàm lượng xỉ đáy tăng từ 10-30% không có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng nhựa tối ưu và thuộc tính của BTN, hơn thế nữa sự hiện diện của xỉ đáy không làm thay đổi độ nhạy ẩm

Ứng dụng

Tây Virginia nước Mỹ là một trong những tiểu bang đầu tiên sử dụng tro đáy trong hỗn hợp bê tông nhựa Theo một bài báo được xuất bản năm 1976 bởi Viện Asphalt (AI), có thể coi tro than là cốt liệu có thể được sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa

Từ 1971 đến 1976 West Virginia phủ hơn 200 dặm đường bộ khối lượng thấp với một hỗn hợp của tro đáy và xi măng nhựa đường nhũ tương hóa Ưu điểm của tro đáy chủ yếu là do tính kinh tế, cùng với việc dự trữ phân loại dễ dàng , cùng một hướng dẫn và chế độ thử như bê tông nhựa thông thường, thì thực tế đã chứng minh các con đường làm từ bê tông nhựa có chứa xỉ tro đáy có độ bền không thua gì các con đường làm từ vật liệu truyền thống

Năm 1986, The Texas Department of Transportation đã xây dựng một phần thử nghiệm mặt đường mười bốn dặm trên xa lộ liên tiểu bang 9 năm sau khi xây dựng, báo cáo từ thực địa cho thấy không có những hư hỏng khác so với bê tông nhựa thông thường Đây cũng là kết quả của sự thành công rõ ràng của hỗn hợp BTN có thành phần chứa tro đáy Kể từ thành công này, Quận Paris và bang Texas bắt đầu phát triển các quy trình thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng tro đáy và sử dụng chúng cho các dự án mới

Kết quả từ nghiên cứu chỉ ra rằng sự kết hợp giữa xỉ lò hơi và tro đáy có thể được sử dụng như là một thay thế tổng hợp trong hỗn hợp bê tông nhựa Các vật liệu

đã được tìm thấy để đáp ứng tất cả các yêu cầu chất lượng và được thực nghiệm ở Ohio, Kentucky và West Virginia Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế có chứa xỉ lò hơi và tro đáy có thể đạt được bằng cách sử dụng tiêu chuẩn phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng thông thường Sau một năm hoàn công, con đường thử nghiệm chứa xỉ lò hơi và mặt đường tro dưới đáy không có dấu hiệu xuống cấp

Như vậy có thể nói, việc nghiên cứu và ứng dụng tro xỉ than trên thế giới đã

có những thành công nhất định Tro xỉ đáy lò có thể kết hợp làm cốt liệu trong bê tông nhựa chặt để làm nền và mặt đường Sự phối trộn cốt liệu xỉ đáy lò đem lại hiệu quả cao về tính kháng trượt và độ cứng nếu được phối trộn với lượng nhựa hợp lý Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cũng khuyến cáo về việc sử dụng xỉ than với hàm lượng nên thấp hơn 30% và trước khi sử dụng cần được nghiên cứu từ nguồn xỉ than cụ thể để đánh giá chính xác tác động của xỉ đáy lò đến tính chất cơ lý của bê tông nhựa chặt

Một số hình ảnh về sử dụng xỉ than trong các công trình thực tế trên thế giới

Đường La Ruen (Pháp) Đập vòm Puylaurent (Pháp)

Đường Froghall ở Staffordshire Cầu Đông ( Đan Mạch )

Hình 2.11 Hình ảnh một số công trình xây dựng sử dụng tro xỉ trên thế giới [25]

2.3.2 Tình hình nghiên cứu hỗn hợp BTNC xỉ than ở Việt Nam

Nhận ra được tầm quan trọng của việc xử lý chất thải tro xỉ từ các nhà máy

nhiệt điện và công nghiệp khác, kết hợp với kinh nghiệm tổng hợp sử dụng tro, xỉ

nhiệt điện của các nhóm nghiên cứu trên thế giới, Việt nam đã tiến hành nghiên cứu

tro xỉ than từ những năm từ những năm 80 của thế kỷ trước Công ty Điện lực 1 kết

hợp với Bộ môn Tuyển Khoáng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã nghiên cứu và

tuyển tro xỉ ở Nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn (Thái Nguyên) và nhiệt điện Phả Lại (Hải Dương) Nghiên cứu chỉ tiến hành ở phòng thí nghiệm và quy mô dây chuyền tuyến chỉ gồm 4 ngăn máy thể tích nhỏ (ở Cao Ngạn, Phả Lại và Đức Giang) Khi đó, mục tiêu nghiên cứu chỉ là để thu lại lượng than chưa cháy hết còn lẫn trong tro xỉ

Do đó đã hạn chế khả năng triển khai ứng dụng ở quy mô công nghiệp

Tiếp đó, cùng với sự mở rộng quy mô của nhiệt điện than và ứng dụng được thành tựu khoa học thế giới, tro, xỉ than các nhà máy điện cũng còn được nghiên cứu thành công để ứng dụng làm vật liện xây dựng khác như gạch, bê-tông, các nghiên cứu có thể kể đến như "Bê tông nhẹ cốt liệu rỗng từ tro xỉ nhà máy nhiệt điện" của tác giả Lê Hữu Đỗ; "Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến cường độ của bê tông hạt nhỏ sử dụng tro xỉ nhiệt điện" của tác giả Trương Văn Quyết

Trong lĩnh vực giao thông,loại xỉ than được nghiên cứu trong nước chủ yếu là tro bay Các đề tài luận văn nghiên cứu tại ĐH BK TP HCM liên quan đến tro bay trong lĩnh vực xây dựng có thể kể đến như :

+ Nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện và silicafume chế tạo bê tông cường

độ cao cho công trình giao thông của tác giả Nguyễn Minh Tín,2015

Kết quả nghiên cứu tro thấy khi sử dụng silicafume với hàm lượng 10% có thể nâng cao cường độ bê tông và mô đun đàn hồi, chiều dày lớp áo đường giảm 6% so với sử dụng bê tông xi măng thông thường, khi sử dụng tro bay với hàm lượng 10,20,30% thì có khuynh hướng giảm cường độ nén, uốn và modun dàn hồi và đồng thời giảm co ngót bê tông

+ Nghiên cứu chế tạo cốt liệu từ tro bay để chế tạo bê tông rỗng của tác giả

Lê Hoàng Thành Nam, 2011:

Nghiên cứu kết luận rằng sỏi tro được chế tạo từ hỗn hợp vữa tro đạt được các tính chất cơ lý rất khả quan khi so sánh với cốt liệu đá dăm tự nhiên …

+ Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sử dụng tro bay chưa qua xử lý trong gia cố cát hạt nhỏ làm móng mặt đường ô tô của tác giả Bùi Tuấn Anh, Trường ĐH

GTVT

+ Ứng dụng tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện làm vật liệu cho công trình giao thông" của các tác giả Nguyễn Thanh Sang, Nguyễn Châu Lân và Đặng Công

Dựa trên nghiên cứu vật liệu xỉ than trong nước, tác giả Võ Đức Đại [46] đã nghiên cứu thành phần hạt, hàm lượng nhựa tối ưu của bê tông nhựa nóng sử dụng thay thế 15%, 20%, 25%,30% cốt liệu mịn , lựa chọn được hàm lượng nhựa tối ưu và đánh giá một số các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của hỗn hợp BTNN

Ứng dụng :

Về mặt ứng dụng, tại Quyết định số 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất, phân bón làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng và trong các công trình xây dựng, Thủ tướng Chính phủ đã giao Bộ Xây dựng biên soạn và ban hành các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật, hướng dẫn kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật cho việc xử lý; sử dụng tro, xỉ, thạch cao FGD, thạch cao

PG làm nguyên liệu sản xuất VLXD và sử dụng trong các công trình xây dựng như :

➢ TCVN 6882:2001 phụ gia khoáng cho xi măng, áp dụng cho tro bay và tro đáy;

➢ TCVN 8825:2011 phụ gia khoáng cho BT đầm lăn, áp dụng cho tro bay, tro đáy; TCVN 7570: 2006 cốt liệu cho bê tông và vữa, áp dụng cho tro đáy;

➢ TCVN 4315:2007 xỉ hạt lò cao dùng để sản xuất xi măng;

➢ TCVN 11586:2016 xỉ hạt lò cao nghiền mịn cho bê tông và vữa xây dựng;

➢ TCVN 10302:2014 phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng

Tại Việt Nam, xỉ đáy lò dùng cho bê tông nhựa lại chưa có những yêu cầu cụ thể do còn thiếu nhiều nghiên cứu

Việc ứng dụng xỉ than ở Việt Nam chỉ mới được phát triển gần đây, bên cạnh các nghiên cứu và ứng dụng xỉ than vào xây dựng , tro bay đã được mô hình hóa và

sử dụng như là một thành phẩm để bổ sung vào bê tông đầm lăn ở Việt Nam.Các công ty đi đầu trong sản xuất tro bay là Công ty cổ phần Bắc Sơn (Hải Dương), Công

ty cổ phần tro bay Cát Phú (Hải Phòng), Công ty cổ phần Sông Đà Cao Cường (Hải Dương) Một số công trình ứng dụng tro xỉ vào xây dựng thành công có thể kể đến như thủy điện Sơn La, Lai Châu, dùng tro xỉ nhà máy nhiệt điện Vũng Áng để làm nền đường nông thôn, sản xuất vật liệu không nung ở Hà Tĩnh…

Thủy điện Lai Châu [29] Thủy điện Sơn La [28]

SX VLXD Quảng Ninh [26] Đường GT nông thôn [27]

Hình 2.12 Một số hình ảnh ứng dụng tro xỉ vào xây dựng ở Việt Nam

2.4 Kết luận về nghiên cứu tro xỉ tại Việt Nam và trên thế giới

Kết quả từ các nghiên cứu trên thế giới về BTNXT trên thế giới còn nhiều khác biệt do khác biệt về loại xỉ than được thí nghiệm, nhưng đều thống nhất ở những điểm chung sau :

1 Thông qua các thí nghiệm về chỉ tiêu cơ lý của BTNC có sử dụng xỉ than, khẳng định xỉ than có thể dùng hiệu quả như cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa