Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và phụ gia hóa học đến tính chất cơ học và độ bền của bê tông xi măng

1. Đặt vấn đề

Tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay (TB) trong sản xuất BTXM [1, 2, 3, 4, 5]. Mặc dù TB và xi măng Portland có sự khác biệt về đặc tính hóa học và cơ lý, nhưng việc ứng dụng TB trong bê tông ngày càng phổ biến nhờ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường.

TB là phế thải của các nhà máy nhiệt điện, với khối lượng phát sinh hằng năm rất lớn, nếu không được tái sử dụng hợp lý sẽ gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Việc tận dụng TB giúp giảm áp lực lưu trữ chất thải, tiết kiệm chi phí xử lý và góp phần hạ giá thành xây dựng do giá TB thấp hơn xi măng truyền thống, đồng thời hướng tới phát triển vật liệu bền vững và thân thiện môi trường. 

Hằng năm, lượng TB phát sinh rất lớn, có thể lên đến hàng nghìn đến hàng chục nghìn tấn, đặc biệt tại các nhà máy có quy mô lớn. Tổng lượng TB phát thải cũng biến động theo thời gian do việc xây dựng thêm các nhà máy mới hoặc thay đổi công suất vận hành của các nhà máy hiện có.

TB được xem là vật liệu khoáng hoạt tính có thể sử dụng như phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng (Dontriros và cs., 2020) [6]. Gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung đánh giá ảnh hưởng của TB đến các đặc tính cơ học của vữa và bê tông (Herath và cs., 2023) [7]. Thông thường, TB được sử dụng để thay thế (0 - 40)% lượng xi măng (Trần & Phan, 2024) [8]. 

Việc xác định hàm lượng TB tối ưu giúp tạo ra sản phẩm bê tông vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Do sự khác biệt về thành phần khoáng và đặc tính của từng loại TB, mức độ ảnh hưởng của nó đến các tính chất của BTXM cũng không giống nhau.

Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá tác động của các tỷ lệ TB khác nhau kết hợp với phụ gia hóa học (PGHH) của hãng Sika nhằm chế tạo bê tông xi măng (BTXM). Đánh giá một số đặc trưng cơ học và độ bền của BTXM trong việc đề xuất thiết kế kết cấu mặt đường ô tô.

2. Vật liệu chế tạo BTXM

Kế hoạch triển khai thực nghiệm được nhóm tác giả thực hiện tại các đơn vị chuyên môn gồm: Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng của Trường Đại học Thủ Dầu Một và Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng của Phân hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải tại TP.HCM.

2.1. Xi măng và TB

2.1.1. Xi măng (PCB40) 

Xi măng PCB40 Fico sản xuất tại Việt Nam, là loại xi măng pooc-lăng hỗn hợp đạt tiêu chuẩn TCVN 6260:2020, đồng thời được chứng nhận ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 và CE Marking, đáp ứng yêu cầu xuất khẩu sang châu Âu.

Đây là sản phẩm xi măng thân thiện môi trường (Eco cement), góp phần giảm phát thải và thúc đẩy xây dựng bền vững. Xi măng PCB40 Fico có khối lượng riêng 3,15 g/cm³, phù hợp cho các công trình hiện đại theo xu hướng phát triển xanh. Cường độ nén 28 ngày tuổi 45,5 Mpa (Hình 1).

2.1.2. Tro bay 

Sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ Trung tâm Nhiệt điện Vĩnh Tân 1, tỉnh Bình Thuận cũ (nay là tỉnh Lâm Đồng) (Hình 1, Bảng 1 và Bảng 2). Các thí nghiệm được tiến hành tại Phân viện Vật liệu Xây dựng Miền Nam, theo mã số 2671/SVIBM/PTH, được cấp ngày 07/02/2025.

Hình 1. Xi măng PCB40 và TB

Bảng 1. Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn thí nghiệm đối với TB

Nhãn

Bảng 2. So sánh một số chỉ tiêu của TB Vĩnh Tân 1 với một số TB khác 
 

Nhận xét: TB thu được từ Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 1 có thành phần hóa học tương tự TB Vũng Áng, nổi bật với tổng hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 đạt 87,48%, cao hơn nhiều so với các nguồn khác. Các chỉ tiêu SO3 (0,26%), CaO (1,5%) và MKN (2,36%) đều ở mức thấp, góp phần hạn chế nguy cơ ăn mòn và cải thiện cường độ của bê tông.

Theo tiêu chuẩn TCVN 10302:2014, loại TB này được xếp vào nhóm F và có thể sử dụng trực tiếp trong sản xuất bê tông mà không cần xử lý bổ sung. Với đặc tính hóa học thuận lợi, TB Vĩnh Tân 1 thể hiện tiềm năng lớn trong chế tạo BTXM và các loại vật liệu xây dựng thân thiện môi trường.

2.2. Cốt liệu nhỏ

Được sử dụng trong nghiên cứu là cát thô được phơi khô và sàng để thu dải kích thước hạt từ 0,15 mm đến 4,75 mm. Các đặc trưng cơ lý của cát được xác định theo TCVN 7572:2006 và TCVN 7570:2006, đồng thời so sánh với các yêu cầu kỹ thuật trong TCCS 40:2022/TCĐBVN.

Kết quả thể hiện như: Mô-đun độ lớn là Mdl=2,2, khối lượng riêng: 2,642 g/cm3, khối lượng thể tích xốp là: 1,445 g/cm3, hàm lượng hạt trên sàng 5 mm là 0,72%, độ hút nước là 0,7%, hàm lượng chung bụi, bùn, sét 1,3%.

2.3. Đá dăm

Nghiên cứu sử dụng đá dăm Basalt có kích thước lớn nhất Dmax = 19 mm, được khai thác từ mỏ Tân Đông Hiệp (Bình Dương cũ nay là TP.HCM). Các đặc tính cơ lý và thành phần hạt của đá được xác định theo tiêu chuẩn TCCS 40:2022/TCĐBVN và kết quả cho thấy vật liệu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật quy định trong TCVN 7570:2006 và TCVN 7572:2006.

Kết quả thể hiện như: Độ hút nước: 0,48%, khối lượng thể tích xốp: 1,613 g/cm3, khối lượng riêng: 2,785 g/cm3, hàm lượng chung bụi, bùn, sét: 0,36%.

2.4. Phụ gia hóa học

Trong nghiên cứu này, hỗn hợp bê tông được thiết kế theo cấp phối sử dụng cho BTXM, kết hợp PGHH nhằm kiểm soát hiệu quả tỷ lệ N/CKD, đặc biệt trong trường hợp có sử dụng TB. Do hạt TB có diện tích bề mặt riêng lớn nên có xu hướng làm giảm độ sụt của bê tông. Loại phụ gia được dùng là Sikament® R-7 N, có tác dụng giảm nước đồng thời kéo dài thời gian ninh kết của xi măng và giúp cải thiện tính công tác của hỗn hợp, thể hiện ở Hình 2.
 

Hình 2. PGHH Sikament® R-7 N

2.5. Nước

Nghiên cứu sử dụng nước máy đạt các yêu cầu kỹ thuật quy định trong TCVN 4506:2012 “Nước trộn bê tông và vữa - yêu cầu kỹ thuật”, đảm bảo phù hợp cho quá trình trộn và bảo dưỡng bê tông.

3. Thiết kế thí nghiệm

3.1. Thành phần cấp phối BTXM

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp tính toán cấp phối Bôlomay - Ckramkaep (Nga) kết hợp với các tiêu chuẩn TCVN hiện hành để thiết kế hỗn hợp BTXM có cường độ yêu cầu 30 MPa. Các thành phần cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, PGHH, nước và PGHH được giữ nguyên.

Chỉ thay đổi thành phần chất kết dính bằng cách dùng lần lượt: 0%; 15%; 25% và 35% TB (theo khối lượng) thay thế xi măng. Tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) được giữ ổn định ở 0,48 cho tất cả các cấp phối. Các cấp phối trong hỗn hợp BTXM được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3. Kết quả tính toán thành phần cấp phối của BTXM
 

Ghi chú: CP-ĐC: Mẫu đối chứng: CP1-10: 10% TB; CP2-20: 20% TB; CP3-30: 30% TB.

3.2. Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm

Mỗi tổ hợp BTXM được chế tạo 24 mẫu nhằm phục vụ các thí nghiệm xác định tính chất cơ học. Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm được trình bày trong Bảng 4.

Bảng 4. Số lượng mẫu phục vụ thí nghiệm
 

Một số hình ảnh phục vụ công tác thí nghiệm và kiểm tra chỉ tiêu cơ lý của BTXM:
 

Hình 3. Công tác thí nghiệm BTXM

4. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

4.1. Độ sụt của BTXM 

Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTXM được thể hiện ở Bảng 5.

Bảng 5. Kết quả thí nghiệm độ sụt (cm)
 

- Nhận xét: Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng PGHH kết hợp với (10%, 20% và 30%) TB thay thế xi măng thì độ sụt của hỗn hợp BTXM tăng so với khi không dùng TB lần lượt là: 10%, 25% và 40%.

4.2. Cường độ Rn và Rku của BTXM

Kết quả cường độ chịu nén được thể hiện qua Hình 4 và Hình 5.
 

* Nhận xét: 

- Ở 7 ngày tuổi, chênh lệch về cường độ giữa các loại bê tông sử dụng TB là không lớn so với bê tông đối chứng (CP-ĐC) giá trị sau: Cường độ chịu nén 78,80 đến 97,04 % và cường độ chịu kéo khi uốn 85,76 đến 98,71%. Ở tuổi 7 ngày, phản ứng pozzolan của TB diễn ra chậm, nên chưa thể hiện rõ hiệu quả trong việc gia tăng cường độ.

- Ở 28 ngày tuổi, hỗn hợp BTXM sử dụng 20% TB đạt giá trị cường đô cao nhất. Điều này có thể được lý giải là do sự kết hợp giữa các thành phần đã hỗ trợ lẫn nhau, giúp lấp đầy các lỗ rỗng, làm cho hỗn hợp BTXM trở nên đặc chắc hơn so với mẫu đối chứng, cụ thể như sau:

+ Cường độ chịu nén 93,35 đến 102,58% và cường độ chịu kéo uốn 89,91 đến 101,31%;

+ Ở giai đoạn này, TB bắt đầu tham gia mạnh vào các phản ứng puzơlan, góp phần cải thiện đáng kể cường độ cho tất cả các cấp phối bê tông có sử dụng TB.

- Ở tuổi 56 ngày, phản ứng pozzolan của TB đã phát huy rõ rệt, góp phần bù đắp lượng xi măng thay thế, giúp cường độ nén đạt từ 99,14 đến 104,73% và cường độ kéo uốn đạt từ 89,13 đến 102,36% so với mẫu đối chứng.

- Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng TB thay thế (10 - 30)% xi măng kết hợp với PGHH, mặc dù tổng hàm lượng chất kết dính nhỏ hơn 400 kg/m3, nhưng cường độ kéo khi uốn của BTXM vẫn đạt yêu cầu sử dụng cho kết cấu mặt đường ô tô (Rku > 4,5 - 5,0 MPa) đáp ứng theo yêu cầu của TCCS 40:2022/TCĐBVN.

4.3. Khả năng chống mài mòn của BTXM

Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của BTXM được thể hiện ở Bảng 6.

Bảng 6. Kết quả độ mài mòn ở tuổi 28 ngày và 56 ngày tuổi
 

* Nhận xét:

- Ở 28 và 56 ngày tuổi, kết quả thí nghiệm Mm nhỏ nhất hay khả năng chống mài tốt nhất khi sử dụng 20% TB. Khi sử dụng hàm lượng thay thế 30% TB kết quả độ mài mòn lớn nhất (khả năng chống mài mòn thấp) so với cấp phối đối chứng. Điều này phù hợp với kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và kéo khi uốn.

- Theo TCCS 40:2022/TCĐBVN, khi sử dụng (10 - 20)% TB phù hợp mặt đường BTXM đường ô tô cấp III trở xuống, độ mài mòn Mm ≤0,3 (g/cm2) và khi sử dụng 30% TB phù hợp mặt đường BTXM đường ô tô cấp IV trở xuống (mặt đường giao thông nông thôn), độ mài mòn Mm ≤0,6 (g/cm2).

5. Kết luận 

Nghiên cứu đã cho thấy rằng việc sử dụng TB thay thế một phần xi măng có sử dụng PGHH rút ra một số kết luận sau:

- Trung tâm Nhiệt điện Vĩnh Tân 1 phù hợp với TB loại F theo các quy định hiện hành ở trong và ngoài nước, đáp ứng yêu cầu làm phụ gia khoáng hoạt tính cho BTXM.

- Khi sử dụng hàm lượng TB càng nhiều thì độ sụt của hỗn hợp BTXM cũng tăng, cường độ ở tuổi 7 ngày phát triển chậm, nhưng ở tuổi 56 ngày thì cường độ phát triển nhanh hơn khi sử dụng hàm lượng cho bay nhiều. Hàm lượng TB thay thế xi măng ở 20% trong thành phần chất kết dính cho kết quả tính cơ học của bê tông là tốt nhất.

- Đề xuất việc sử dụng 20% TB phù hợp mặt đường BTXM đường ô tô cấp III trở xuống và khi sử dụng 30% TB phù hợp mặt đường BTXM đường ô tô cấp IV trở xuống (mặt đường giao thông nông thôn).

- Việc sử dụng TB trong tất cả các cấp phối BTXM giúp giảm lượng xi măng, qua đó cắt giảm phát thải CO2, tận dụng hiệu quả nguồn phế thải công nghiệp, đồng thời giảm nhiệt thủy hóa và nâng cao khả năng chống nứt của mặt đường ở giai đoạn đầu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Concrete Society (1991), The Use of Fly ash in Concrete, Technical Report No.40, The Concrete Society, Wexham, Slough.
[2]. T. T. Hiếu (2017), Nghiên cứu ứng dụng BTXM TB làm mặt đường ô tô ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học GTVT.
[3]. T. D. Quân, N. T. Sang, L. T. Trang, H. T. Văn (2021), Một nghiên cứu thực nghiệm bê tông hàm lượng TB cao có cường độ cao làm mặt đường ô tô ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, 3, tr.105-109. 
[4]. T. H. Bằng, N. T. Sang (2023), Đề xuất kết cấu mặt đường BTXM sử dụng cát đỏ tỉnh Bình Thuận kết hợp TB và xỉ lò cao, Tạp chí Xây dựng, 12, tr.47-51.
[5]. N. Đ. Trọng (2024), Ảnh hưởng của hàm lượng TB đến một số tính chất của BTXM khi sử dụng phụ gia siêu dẻo MasterGlenium Sky 8718, Tạp chí GTVT, 6, tr.52-55.
[6]. Dontriros, S., Likitlersuang, S., Janjaroen, D., (2020), Mechanisms of chloride and sulfate removal from municipal-solid-waste-incineration fly ash (MSWI FA): Effect of acid-base solutions, Waste Management 101, 44-53.
[7]. Hasan, D.S., Zaheer, M.M., Arif, M., (2023), Effect of nano materials on cementitious mortar composites exposed to sulphate attack, Materials Today: Proceedings.
[8]. Tran, H.B., Phan, T.A.V., (2024), Potential usage of fly ash and nano silica in high-strength concrete: Laboratory experiment and application in rigid pavement, Case Studies in Construction Materials 20, e02856.