Chế tạo thành công "bê tông xanh" hàm lượng tro bay cao

Vật liệu bê tông hàm lượng tro bay cao do Phân viện Vật liệu Xây dựng miền Nam chế tạo, có thể sử dụng cho kết cấu trong công trình xây dựng, nhằm giảm lượng sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tận dụng được nguồn tro - xỉ từ các nhà máy nhiệt điện.

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng bền vững nhất về mặt sản xuất và bảo trì so với các vật liệu xây dựng khác. Tuy nhiên, thành phần chính trong bê tông là xi măng (chiếm 5-20% khối lượng bê tông), lại chiếm hơn 74-81% lượng phát khí thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG). Vì thế, để giảm mức tiêu thụ xi măng, có thể thay bằng tro bay trong việc sản xuất bê tông.

Bê tông hàm lượng tro bay cao được sản xuất thử nghiệm

Tro bay thường được đề xuất thay thế xi măng đến 35% tổng khối lượng xi măng Portland theo ACI 211, ACI 232. Tuy nhiên, nếu xét về tổng thể ở thời gian dài, các nhà nghiên cứu cho rằng việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể lên đến 50% hoặc lớn hơn, bê tông thậm chí còn có một số tính chất vượt trội và gọi bê tông chứa hơn 50% hàm lượng tro bay theo khối lượng thay thế xi măng Portland được coi là bê tông hàm lượng tro bay (High Volume Fly Ash Concrete - HVFC).

Trong khi đó, tại Việt Nam hiện nay hơn 25 triệu tấn tro, xỉ được thải ra mỗi năm chủ yếu từ các nhà máy điện trên cả nước. Dự báo nếu lượng tro xỉ không được tái chế sử dụng, đến năm 2030 ước tính tồn trữ lên đến 422 triệu tấn. Hầu hết lượng tro, xỉ này được vận chuyển ra ngoài bãi thải, nếu không được sử dụng về lâu dài sẽ tác động xấu đến môi trường, chiếm diện tích đất để tồn chứa ngày càng lớn, đồng thời lãng phí nguồn tài nguyên.

Chính vì vậy nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho các kết cấu công trình xây dựng" đã được nhóm tác giả Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam (Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng) thực hiện, nhằm giảm phát thải GHG của xi măng và giảm ô nhiễm do để bay tro lưu trữ trong đất và nước.

Ngoài ra, nhiệm vụ cũng hướng đến mục tiêu sử dụng hàm lượng tro bay thay thế đến 80 % xi măng Portland để chế tạo bê tông sử dụng cho mục đích kết cấu trong công trình xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế ô nhiễm môi trường; và quan trọng hơn hết là làm chủ công nghệ chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao sử dụng cho kết cấu trong công trình xây dựng.

Lê Văn Quang, chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết, HVFC khác hoàn toàn với bê tông hệ geopolymer, có thể thay thế tro bay 100%.HVFC không yêu cầu bảo dưỡng nhiệt, không đòi hỏi sử dụng kiềm cao, đó là một ưu điểm so với bê tông geopolymer trong ngành xây dựng. Tuy nhiên HVFC có nhược điểm lớn đó là phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm hạn chế tính ứng dụng của loại bê tông này. Điều này khiến HVFC làm giảm tiến độ thi công, khai thác công trình, khó sử dụng trong thời tiết lạnh,....

Cũng theo lời TS. Lê Văn Quang, nếu sử dụng bê tông HVFC cho mục đích kết cấu buộc phải cải thiện cường độ tuổi sớm. Một số các phương pháp được cho là có hiệu quả cao như sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính thấp, bổ sung thêm vôi Ca(OH)₂, bổ sung silica fume, sử dụng hóa chất tăng tốc, hay kích hoạt tro bay trước khi nhào trộn bê tông.

“Vì vậy, ngoài mục đích sử dụng hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng Portland đến 80% để chế tạo bê tông cho mục đích kết cấu, chúng tôi còn nghiên cứu để thúc đẩy sự phát triển cường độ sớm cho loại bê tông này, ngoài những biện pháp truyền thống sử dụng xi măng OPC có hàm lượng C3A cao, hạ thấp tỷ lệ nước/bột”, đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ nhấn mạnh.

 Mẫu bê tông cốt thép (sử dụng vật liệu HVFC)

Theo đó, để chế tạo bê tông HVFC, TS. Lê Văn Quang và các cộng sự sử dụng nguyên vật liệu là xi măng OPC40 Nghi Sơn, tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, cốt liệu nhỏ (cát sông, cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), nước, vôi bột hydrat Ca(OH)₂. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các phụ gia siêu dẻo, Silica fume và hỗn hợp hóa chất tăng tốc, đông kết sớm và tăng cường độ sớm cho bê tông HVFC là sodium thiocyanate (NaSCN), diethanolamine (DEA) and glycerol (Gly).

Lê Văn Quang, chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết thêm rằng, vì hàm lượng xi măng Portland sử dụng trong bê tông HVFC rất ít, nên sẽ thiếu lượng vôi Ca(OH)₂ (sản phẩm thủy hóa của xi măng) để tham gia vào phản ứng puzolanic với tro bay cũng như đảm bảo tính kiềm để bảo vệ cốt thép. Vì vậy, để chế tạo bê tông HVFC đáp ứng các mục tiêu đã đề ra, nhóm đã nghiên cứu bổ sung lượng vôi Ca(OH)₂ hợp lý vào trong bê tông . Đồng thời, sử dụng phụ gia tăng tốc đóng rắn nhanh silica fume, phụ gia tăng tốc 3 thành phần.

Quy trình sản xuất bê tông hàm lượng tro bay

Kết quả, nhóm các nhà khoa học tại Phân viện vật liệu xây dựng miền Nam đã nghiên cứu chế tạo được bê tông HVFC, với tỷ lệ thay thế xi măng lên tới 80% tro bay, đáp ứng được các tính chất cơ học như cường độ nén, uốn, nén chẻ, mô-đun đàn hồi và độ co ngót khô.

Trong đó, cường độ nén của bê tông HVFC có xu hướng tăng dần theo thời gian, ở 28 ngày đạt giá trị 59,47-70,13 MPa;  ở tuổi 180 ngày đạt 73,51-80,12 MPa.

Kết quả cho thấy bê tông HVFC hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế nhờ vào việc đã cải thiện được cường độ ở tuổi sớm và vẫn tiếp tục phát triển cường độ mạnh mẽ ở những tuổi muộn, vượt rất nhiều so với yêu cầu mục tiêu 40 MPa đề ra ở 28 ngày.

Thí nghiệm xác định thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông

Thử nghiệm khả năng bảo vệ ăn mòn cốt thép của bê tông HVFC cho kết quả vượt trội hơn với bê tông thường, khi độ pH đạt khoảng 11,61 đến 11,82 cao, hơn mẫu đối chứng (pH 10,66) ở tuổi 180 ngày. Hàm lượng ion hòa tan trong axít của bê tông HVFC đều có giá trị thấp khoảng từ 0,020-0,025 % và nằm trong giới hạn cho phép về ngưỡng ăn mòn theo các tiêu chuẩn thế giới hiện hành.

Kết quả về điện thế ăn mòn đo được theo phương pháp gia tốc chu kỳ khô + nhiệt - ẩm đều cho giá trị thấp < -350 mV, nằm dưới ngưỡng xác suất 90% cốt thép có thể bị ăn mòn.

Mẫu bê tông hàm lượng tro bay cao và thiết bị thí nghiệm khả năng Carbonat hóa (hai hình hàng trên); Các mẫu thí nghiệm quá trình Carbonat hóa (ba hình hàng dưới)

Thí nghiệm xác định mô-đun đàn hồi của bê tông HVFC

Nhóm nghiên cứu cũng đã ứng dụng bê tông HVFC tỷ lệ 80% tro bay thay thế xi măng vào sản xuất cọc vuông bê tông cốt thép. Quy trình sản xuất cọc vuông bê tông đúc sẵn được thực hiện qua 5 bước bao gồm: Chuẩn bị vật liệu - Thi công cốt thép - Thi công ván khuôn - Thi công bê tông - Bảo dưỡng. Cọc 350x350 mm, dài 10m, có thép chủ gồm 4 cáp tao sợi loại 7 tao, đường kính 12,7mm; thép đai đường kính 6mm. Cường độ chịu tải theo thiết kế đạt Pmax= 200T; lớp bê tông bảo vệ dày ít nhất 35mm.

Chế tạo bê tông cốt thép HVFC dạng cọc/trụ vuông

Kết quả thử nghiệm cho thấy, cọc bê tông HVFC và cọc bê tông mẫu đối chứng đều có chất lượng tốt, được thể hiện qua giá trị mô men uốn nứt và mô men uốn gãy vượt qua yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn MS 1314.

Cụ thể ở mô men uốn nứt 35 kN.m, cả hai loại cọc bê tông thử nghiệm không xuất hiện vết nứt nào (trong khi yêu cầu của tiêu chuẩn cho phép vết nứt có độ rộng lớn nhất ≤ 0,2 mm và không quy định về số lượng vết nứt). Mô men uốn gãy của cọc tại (70 kN.m) cả hai loại cọc đều không bị phá hủy, không bị gãy cọc.

 Hình ảnh thí nghiệm uốn gãy và uốn nứt cọc

Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật, nhóm chuyên gia Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam khẳng định, bê tông HVFC có giá thành tương đương với bê tông thương phẩm thông thường nên về cơ bản có thể có tính khả thi cao.

Hơn nữa việc sử dụng lên đến 80% tro bay thay thế xi măng có thể giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường đối với chất thải tro xỉ nhiệt điện, tiết kiệm tài nguyên, cũng như giảm phát thải khí nhà kính. Không những thế, hoàn toàn có thể sử dụng các dây chuyền, thiết bị sản xuất bê tông chất lượng cao để sản xuất bê tông HVFC, do công nghệ trộn hỗn hợp bê tông hoàn toàn tương tự.