Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống xâm thực chloride của bê tông có sử dụng tro bay và xỉ lò cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN HOÀNG HUY C C NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO R L T. DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN HOÀNG HUY NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO C C R L T. DU Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN CHÍNH Đà Nẵng - Năm 2020 Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người cam đoan Lê Nguyễn Hoàng Huy C C DU R L T. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 3 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 4 TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................................1 2. Mục tiêu đề tài. ....................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. .....................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu. ...................................................................................2 C C 5. Kết quả dự kiến ...................................................................................................2 6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................2 R L T. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO ................................... 3 1.1. Tổng quan về tro bay........................................................................................... 3 DU 1.1.1. Công nghệ đốt than........................................................................................3 1.1.2. Các tính chất đặc trưng của tro, xỉ nhiệt điện ..............................................4 1.1.2.1 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt PC ................................4 1.1.2.2 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ CFBC ..................................4 1.1.3. Thành phần hóa học trong tro bay ...............................................................5 1.1.4. Sản lượng tro bay ..........................................................................................5 1.1.5. Phân loại tro bay ............................................................................................7 1.1.6. Yêu cầu kỹ thuật ............................................................................................8 1.2. Tổng quan về xỉ lò cao. ........................................................................................ 8 1.2.1. Phân loại xỉ lò cao .........................................................................................8 1.2.1.1. Xỉ lò cao làm nguội chậm (xỉ ABFS)...........................................................9 1.2.1.2. Xỉ hạt lò cao (xỉ GBF) .................................................................................9 1.2.2. 1.3. Đặc tính của xỉ lò cao ....................................................................................9 Bê tông. ............................................................................................................... 12 1.3.1. Đặc tính cơ lý của bê tông. ..........................................................................12 1.3.1.1. Cường độ bê tông ......................................................................................12 1.3.1.2. Biến dạng của bê tông ...............................................................................12 1.3.1.3. 1.3.2. Độ bền chống thấm ion clo .......................................................................12 Một số đặc tính độ bền của bê tông. ............................................................12 1.3.2.1. Tính công tác ................................................................................................12 1.3.2.2. Tính co ngót ..................................................................................................13 1.4. Các nghiên cứu trong nước và nước ngoài về độ bền chống chloride của bê tông. 14 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CHLORIDE ĐẾN SỰ HƯ HẠI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CHLORIDE ................................................................................................................. 16 2.1. Ảnh hưởng của ion clo đến sự hư hại của kết cấu BTCT .............................. 16 2.1.1. Sự xâm nhập ion clo ....................................................................................16 2.1.2. Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông ...............................................................17 2.1.3. Ngưỡng chloride giới hạn............................................................................24 2.2. C C Các phương pháp xác định nồng độ chloride.................................................. 25 R L T. 2.2.1. Phương pháp khoan lấy mẫu bột để xác định nồng độ chloride. ..............25 2.2.2. Phương pháp thí nghiệm nhanh (ASTM C1202/TCVN 9337-2012). ........25 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO .......... 26 DU Giới thiệu chung........................................................................................................... 26 Chương trình thí nghiệm ............................................................................................ 26 3.2.1 Tiêu chuẩn áp dụng .....................................................................................26 3.2.2 Vật liệu, dụng cụ, thiết bị dùng để thí nghiệm ...........................................26 3.2.2.1. Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................26 3.2.2.2. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ......................................................................29 3.2.3 Thành phần cấp phối...................................................................................34 3.2.4 Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu .......................................................................35 3.2.4.1. Đúc mẫu ....................................................................................................35 3.2.4.2. Bảo dưỡng .................................................................................................38 3.2.5 3.2.5.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịụ nén của các mẫu bê tông ................38 Quy trình nén mẫu .....................................................................................38 3.2.5.2 Công thức xác định cường độ chịu nén [13]. ...............................................39 3.2.6 Thí nghiệm xác định khả năng chống xâm thực chloride ........................40 Kết quả và thảo luận ................................................................................................... 46 3.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông có tro bay và tro xỉ lò cao .......................46 3.3.2 Tổng điện lượng truyền qua bê tông ..........................................................48 Kết luận chương 3........................................................................................................ 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 52 1. Kết luận ................................................................................................................. 52 2. Kiến nghị ............................................................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) C C DU R L T. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG XÂM THỰC CHLORIDE CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO Học viên: Lê Nguyễn Hoàng Huy, Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD và CN Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt Sự xâm nhập của ion clorua là một trong những nguyên nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong bê tông làm hư hại kết cấu bê tông cốt thép. Độ bền chống thấm ion clo qua bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cấp phối, loại xi măng, loại cốt liệu,... Hiện nay có nhiều nghiên cứu để tìm ra các nguồn vật liệu thay thế xi măng nhằm nâng cao độ bền của bê tông. Luận văn nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clorua của bê tông. Tỉ lệ các thành phần cấp phối là xi măng: cát: đá = 1 : 2 : 3 và giữ không đổi trong suốt thí nghiệm. Xi măng được thay thế bởi tro bay và xỉ lò cao với tổng khối lượng tro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20%. Tỉ lệ nước/tổng bột (tổng của xi măng và tro bay, xỉ lò cao) là 0.6. Các thí nghiệm cường độ chịu nén được thực hiện trên mẫu lập phương kích thước 150x150x150mm, các thí nghiệm độ thấm ion clorua được thực hiện trên mẫu hình trụ có đường kính 100mm và chiều dày 50mm. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 120 ngày. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài cường độ chịu nén của các mẫu bê tông có tro bay và xỉ lò cao thay thế 20% xi măng đạt đến cường độ tương đương (với sự giảm cường độ chỉ khoảng 7% so với mẫu đối chứng) hoặc lớn hơn mẫu đối chứng tại thời điểm 120 ngày tuổi. Tro bay và xỉ lò cao có thể được sử dụng đồng thời để thay thế 20% xi măng nhằm tăng cường khả năng chống thấm ion clo qua bê tông. Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% tro bay, 10% xỉ lò cao S95 thay thế xi măng vì góp phần nâng cao khả năng chống thấm ion clo qua bê tông và đảm bảo cường chịu nén gần bằng so với mẫu đối chứng. C C R L T. DU Từ khóa – bê tông, tro bay; xỉ lò cao, cường độ chịu nén, thấm ion clo. Abstract Cloride penetration is one of the main factors causing the corrosion of steel in concrete leading to the damage of reinforced concrete structures. The chloride resistance of concrete depends on the many factors including mix compositions, cement type, arggregates,….There are many research on the alternative cementitious binder to replace original Portland cement for improving of durability of concrete. The thesis studied the effect of fly ash, GGBS on chloride resistance of concrete. The mix proportion was cementitious material (OPC+ fly ash+ GGBS): sand: coarse aggregate: water of 1:2:3:0.6 in which 20% by mass of total cementitious materials of cement was replaced by class F fly ash and GGBS. Compressive strength tests were conducted on the cube samples dimension of 150x150x150mm while choloride penetration was conducted on the disc dimension of Dxh =100x50mm. Tests were conducted at 28, 56 and 120 days. The results shows that within the range of investigation, the compressive strenth of blended concrete is euipvalent to or slightly smaller than (about 7%) the control samples without fly ash ans GGBS at 120 days. Both fly ash and GGBS can be used to replace OPC for choloride resistance of concrete. Within the range of investigation, 10% of fly ash and 10% of GGBS is recommended to replace OPC as they improve the chloride resistance and maintain the compressive strength of concrete. Keywords: concrete, fly ash; blast furnace slag, compressive strength, chloride ion permeability, C C DU R L T. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Trang Tên bảng 1.1 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 20102020 Trang 6 1.2 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 Trang 7 1.3 Tổng hợp đặc tính của xỉ lò cao Trang 9 2.1 Hàm lượng ion clo tới hạn theo một số tiêu chuẩn Trang 18 3.1 Chỉ tiêu chất lượng của xi măng (Sông Gianh PCB40) Trang 27 3.2 Chỉ tiêu chất lượng tro bay (Loại F Vũng Áng) Trang 27 3.3 Chỉ tiêu chất lượng xỉ lò cao (S95 Hòa Phát) Trang 28 3.4 Chỉ tiêu chất lượng đá 1x2 (Phước Tường, Đà Nẵng) Trang 28 3.5 Chỉ tiêu chất lượng cát (Túy Loan, Đà Nẵng) Trang 28 3.6 Thành phần tỉ lệ cấp phối bê tông Trang 35 3.7 Khối lượng vật tư đúc mẫu 3.9 Thông số kỹ thuật máy nén mẫu SYE 2000 3.10 Cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông Trang 46 3.11 So sánh cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông các mẫu M2, M3, M4, M5, M6, so với mẫu M1 Trang 46 3.12 Kết quả thí nghiệm đo thấm ion clo qua bê tông Trang 48 R L . T U D C C Trang 35 Trang 40 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 Tro bay Tên hình Trang Trang 4 1.2 Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ Trang 5 1.3 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước thường thấy nhiều hơn Trang 5 1.4 Xỉ lò cao Trang 8 1.5 Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ lò cao Trang 8 1.6 Thành phần hạt xỉ hạt lò cao một số nhà máy gang thép tại Việt Nam Trang 11 2.1 Cơ chế ăn mòn cốt thép Trang 16 3.1 Khuôn thép đúc mẫu 3.2 Máy trộn bê tông đúc mẫu 3.3 Máy đầm dùi 3.4 Dụng cụ sàng vật liệu 3.5 Dụng cụ đo độ sụt 3.6 Cân vật liệu đúc mẫu Trang 31 3.7 Máy thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu bê tông Trang 31 3.8 Máy thí nghiệm thấm ion clo Trang 32 3.9 Máy thí nghiệm thấm ion clo Trang 32 C C R L T. DU Trang 29 Trang 29 Trang 29 Trang 30 Trang 30 3.10 Bộ gá mẫu bê tông Trang 33 3.11 Dụng cụ hút chân không mẫu bê tông Trang 33 3.12 Máy khoan, cắt gia công mẫu bê tông Trang 34 3.13 Khoan, cắt gia công mẫu bê tông Trang 34 3.14 Sàn cát Trang 36 3.15 Sàn đá 1x2 Trang 36 3.16 Cân cát Trang 37 3.17 Cân xi măng Trang 37 3.18 Cân xỉ lò cao Trang 37 3.19 Cân đá Trang 37 3.20 Trộn cấp phối bê tông Trang 37 3.21 Đo độ sụt Trang 37 3.22 Chuẩn bị khuôn thép Trang 38 3.23 Đúc mẫu bê tông Trang 38 3.24 Dưỡng hộ bằng ngâm nước Trang 38 3.25 Máy nén mẫu SYE 2000 tại PTN. kết cấu công trình Trang 39 3.26 Máy đo thấm ion clo Trang 40 3.27 Gia công khoan mẫu thử hình trụ đường kính 100mm Trang 41 3.28 Mẫu thử hình trụ 100x50mm Trang 41 3.29 Bảo dưỡng mẫu thử Trang 42 3.30 Bơm hút chân không mẫu thử Trang 42 3.31 Mẫu thử 100x50 hoàn chỉnh Trang 42 3.32 Lắp mẫu thử bê tông giữa 2 ngăn Trang 43 C C 3.33 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông R L T. 3.34 Lắp mẫu thử bê tông M1, M2 3.35 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M1, M2 DU Trang 43 Trang 44 Trang 44 3.36 Lắp mẫu thử bê tông M3, M4 Trang 44 3.37 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M3, M4 Trang 45 3.38 Lắp mẫu thử bê tông M5, M6 Trang 45 3.39 Thí nghiệm đo độ thấm ion clo trong bê tông mẫu M5, M6 Trang 45 3.40 Biểu đồ cường độ chịu nén của các hỗn hợp bê tông Trang 47 3.41 Biểu đồ độ thấm ion clo các hỗn hợp bê tông Trang 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự xâm thực ion clo qua lớp bê tông là nguyên nhân chính gây ăn mòn hư hại cốt thép trong bê tông, từ đó làm giảm tuổi thọ của cấu kiện bê tông [1]. Đồng thời, để tăng cường sử dụng rộng rãi hơn nữa các loại chất thải công nghiệp trộn vào bê tông như tro bay, xỉ lò cao,... làm giảm tỉ lệ xi măng trong bê tông. Mặt khác, giải quyết được đầu ra cho các loại chất thải công nghiệp giảm ô nhiễm môi trường. Tro bay là loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than. Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, có cỡ hạt từ 1 - 10μm, trung bình 9 - 15μm. Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: loại C có hàm lượng CaO ≥ 10% và thường bằng 15 - 35%. Đó là sản phẩm đốt than hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%. Loại F có hàm lượng CaO < 10%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2 - 10% [2]. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt... Ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể [2]. Xỉ lò cao là rác thải của ngành công nghiệp luyện gang thép, thải phẩm ở dạng hạt có đường kính từ 10 ÷ 200 mm. Đây là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxit sắt thành gang. Hiện nay, nó là vật liệu phổ biến được dùng trong sản xuất xi măng xỉ lò cao trên thế giới. Việc tận dụng phế thải xỉ lò cao trong sản xuất xi măng đã góp phần vào việc xử lý nguồn phế thải công nghiệp vì xi măng xỉ lò cao thực sự có nhiều tính chất đặc biệt như bền trong môi trường nước biển, bền sunfat, ít toả nhiệt, phù hợp với bê tông khối lớn, chống thấm tốt…[3]. Sự phát triển của công nghệ sản xuất bê tông trên cơ sở các chất thải công nghiệp hóa chất và luyện kim đã qua xử lý mở ra cơ hội lớn để tiết kiệm xi măng pooclăng và tiết kiệm nguồn năng lượng sản xuất. Công nghệ này đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật to lớn, do năng lượng tiêu hao, giá thành cũng như các chi phí cơ bản khác giảm nhiều lần. Hơn nữa, hiệu quả xã hội, sinh thái của công nghệ cũng không nhỏ. Từ những phân tích trên, để cải thiện khả năng chống thấm ion clo bền trong môi trường xâm thực và tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay, xỉ lò cao giúp giải quyết một lượng đáng kể chất thải từ các nhà máy gang thép, nhiệt điện. Tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống xâm thực Chloride của bê tông có sử dụng tro bay và xỉ lò cao”. 2. Mục tiêu đề tài Đánh giá ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực chloride của bê tông (tổng khối lượng tro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20% trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15%, 20%). 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Các loại vật liệu: (i) Tro bay (từ nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng Hà Tĩnh); (ii) Xỉ lò cao S95 Hòa Phát; (iii) Cát tại bãi cát Túy Loan (huyện Hòa Vang, thành phố Đà C C DU R L T. 2 Nẵng); (iv) Đá tại mỏ đá Phước Tường (quận Cẩm Lệ, thành phố Đà Nẵng); (vi) Xi măng Sông Gianh. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông đến 28, 56, 120 ngày. Xem xét mức độ ảnh hưởng của tro bay hay xỉ lò cao lớn hơn đối với sự kháng xâm thực ion clo của bê tông, từ đó tìm ra tỉ lệ tốt nhất giữa tro bay và xỉ lò cao trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng. 4. Phương pháp nghiên cứu Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9337:2012 Bê tông nặng – xác định độ thấm ion bằng phương pháp đo điện lượng; TCVN 3105:1993 – Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo và bão dưỡng mẫu; TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng – Phương pháp thử độ sụt; TCVN 3115:1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích; TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén. Thí nghiệm khả năng kháng xâm thực ion clo của bê tông có thành phần tỷ lệ ro bay và xỉ lò cao thay thế xi măng là 20% trên tổng lượng bột. Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm. Đánh giá sự ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông. 5. Kết quả dự kiến. Xác định khả năng sử dụng tro bay và xỉ lò cao trong bê tông để cải thiện khả năng kháng xâm thực ion clo của bê tông. Đưa ra các kiến nghị, ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về tro bay, tro xỉ lò cao và bê tông. Chương 2: Ảnh hưởng của chloride đến sự hư hại của kết cấu bê tông và các phương pháp xác định nồng độ chloride. Chương 3: Thí nghiệm xác định khả năng chống xâm thực chloride của bê tông có sử dụng tro bay và tro xỉ lò cao. C C DU R L T. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO 1.1. Tổng quan về tro bay Quá trình đốt than để vận hành các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) thải ra các sản phẩm cháy bao gồm: Tro đá (xỉ đá lò) hay còn gọi là xỉ, là các hạt thô, to thu được ở đá lò đốt; Tro bay là các hạt tro mịn lên được thu lại tại lọc bụi; Thạch cao, là sản phẩm của quá trình khử khí SO2 trong khói khi đốt. Thông thường lượng tro bay chiếm khoảng 80 - 90 %, còn xỉ chỉ chiếm khoảng 10 - 20% [4]. 1.1.1. Công nghệ đốt than Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam đang sử dụng một trong hai loại công nghệ đốt: Công nghệ lò đốt than phun – PC (Pulverised combustion) và Công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn - CFB (Circulating Fluidizing Bed) [4]. 1.1.1.1. Công nghệ đốt than phun PC Than đạt yêu cầu chất lượng đươc nhập về nhà máy, chứa trong các kho, trong kho có hệ thống đảo trộn để đồng nhất than phục vụ quá trình đốt. Than được nghiền mịn trên máy nghiền sấy liên hợp đến cỡ hạt ≤ 0,09mm chuyển đến các két chứa. Than mịn được hệ thống cấp liệu, định lượng chuyển đến vòi phun than, phun vào lò và bị đốt cháy trong không gian của lò hơi. Nhiệt độ trong lò đốt khoảng 1400oC1600oC nhằm mục đích gia nhiệt cho nước hóa hơi sinh áp lực để cấp cho tua bin sinh công, phát điện [4]. Than cháy để lại tro than, một phần quá nhiệt nóng chảy biến thành xỉ rơi xuống ống đá lò được làm lạnh bằng nước, phần lớn tro than mịn theo gió lò vào lọc bụi điện để giữ lại, khí sạch thải ra môi trường. Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh có trong than và yêu cầu khử khí SO2 mà các nhà máy nhiệt điện có thêm hệ thống FGD (Flue - Gas Desulfurization G ps m) để hấp thụ khí SO2 hoặc SWFGD (Sea water flue Gas Desulfurization). Hệ thống FGD hoạt động sử dụng dung dịch đá vôi để hấp thụ khí SO2 và phát sinh bã thải thạch cao, hệ thống sử dụng nước biển SWFGD không phát sinh bã thải thạch cao. Đối với công nghệ đốt than phun PC, thạch cao FGD phát sinh và được thải ra riêng biệt với tro bay [4]. 1.1.1.2. Công nghệ đốt than tầng sôi - CFB Công nghệ này sử dụng khi than có chất lượng thấp (nhiệt trị thấp) và hàm lượng lưu huỳnh cao. Than đáp ứng yêu cầu sử dụng được nhập về nhà máy chứa trong các kho có thể đảo trộn hoặc phối trộn các mỏ để đồng nhất. Than được gia công trên má đập ú đến cỡ hạt <10 mm chứa trong các két có hệ thống cấp và định lượng ở đáy. Đá vôi có chất lượng đạt yêu cầu cũng được gia công đến cỡ hạt <10 mm chứa trong két có hệ thống cấp liệu và định lượng ở đáy [4]. Than và đá vôi được cấp vào lò đốt tầng sôi tuần hoàn để sinh nhiệt cấp cho nước hóa thành hơi có áp suất lớn cấp cho tua bin sinh công, phát điện. Than cháy sinh nhiệt, cùng đá vôi được tuần hoàn trong buồng đốt phản ứng với khí SO2 của khói là chuyển thành CaSO4. Khói lò cùng tro mịn thu vào lọc bụi tĩnh điện thu được tro bay, khí sạch thải ra môi trường theo ống khói. Các hạt tro than to và đá vôi đã hoặc chưa phản ứng hết rơi xuống đáy lò ra ngoài thành tro đáy (xỉ) [4]. Đối với các nhà máy sử dụng công nghệ CFB, thạch cao luôn luôn được thải ra lẫn lộn cùng với tro bay. Việc thải lẫn tro bay và thạch cao của các nhà máy dùng công nghệ CFB dẫn đến khó phân tách thạch cao ra khỏi tro bay dẫn tới khó khăn trong qúa trình sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng [4]. C C DU R L T. 4 1.1.2. Các tính chất đặc trưng của tro, xỉ nhiệt điện Theo công nghệ đốt than của nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, tro, xỉ nhiệt điện được phân làm 2 loại [4]: - Tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than phun PC; - Tro, xỉ nhiệt điện theo công nghệ đốt than tầng sôi CFB. Trong đó chủ yếu là các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ PC. Theo quy hoạch điện VII thì đến năm 2020 và 2030 thì công suất của các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt than tầng sôi nước ta chỉ chiếm khoảng 10% trên tổng tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện than [4]. 1.1.2.1 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ đốt PC Tro được hình thành do các quá trình đốt than đã được nghiền mịn ở nhiệt độ cao 14000 C-16000 C, do vậy tro thu được gồm hỗn hợp các hạt bị nóng chảy và các hạt than chưa cháy hết. Phần vật liệu bị nóng chảy khi được làm lạnh nhanh tạo thành chủ yếu pha thủy tinh và các hạt hình cầu, ngoài ra còn một lượng nhỏ pha tinh thể [4]. Các hạt tro bay hình cầu có thể là hạt cầu rỗng (chứa nhiều hạt cầu con trong nó) hoặc là các hạt cầu đặc. Pha thủy tinh chiếm khoảng (60-90)% khối lượng tro bay. Pha thủy tinh và pha tinh thể không hoàn toàn độc lập với nhau mà thường pha trộn lẫn, thông thường pha tinh thể nằm trong cấu trúc pha thủy tinh hoặc gắn liền với bề mặt các hình cầu của pha thủy tinh. Do vậy, cấu trúc tổng thể của tro bay là phức tạp và pha trộn [4]. Xỉ được hình thành cùng với quá trình hình thành tro bay, tuy nhiên khi tro than nóng chảy kết thành tảng có kích thước lớn rơi xuống đá lò và được làm lạnh nhanh bằng nước nên thành phần chủ yếu là pha thủy tinh và lẫn rất ít than chưa cháy [4]. 1.1.2.2 Tro bay nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ CFBC Quá trình đốt than tầng sôi ở nhiệt độ khoảng 800oC - 900oC và được đốt tuần hoàn rất lâu trong lò đốt. Các hạt than được đốt cháy, một phần tro than vỡ ra rất mịn và nhẹ bay lên cùng khí nóng gọi là tro bay (trong tro bay có lẫn cả than mịn chưa cháy hết), phần tro than dạng hạt to (hạt cát) rơi xuống đáy được làm lạnh nhanh gọi là xỉ [4]. Do công nghệ đốt ở nhiệt độ thấp (800oC-900oC) nên phần lớn vật liệu không cháy trong than chưa bị nóng chảy, đó là các khoáng chiếm lượng lớn trong tro bay, xỉ như khoáng chứa Al2O3, hợp chất sắt oxyt, hợp chất CaO. Tro bay CFBC có hàm lượng SO3, CaSO4, CaCO3, CaO lớn hơn so với tro bay công nghệ đốt than phun do bột đá vôi được phun vào trong quá trình đốt để khử SO2 trong khí thải [4], xem hình 1.1. C C R L T. DU Hình 1.1. Tro bay 5 1.1.3. 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. Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra [5]. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit 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 [5]. 1.1.4. Cấu trúc hình thái của tro bay Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất 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 oxit silic và các oxit khác [6]. 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 xé. 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 , xem hình 1.2 và hình 1.3. C C R L T. DU Hình 1.2: Sự tương phản về kích thước Hình 1.3: Biểu diễn đặc trưng dạng giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các cầu của các hạt trong khoảng kích hạt nhỏ thước thường thấy nhiều hơn 1.1.5. Sản lượng tro bay trong và ngoài nước Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế. 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 điện,… 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 6 chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống, sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn [7]. 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. 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 [7]. 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. 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 bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn [8]. Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của các nhà máy nhiệt điện. Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1 triệu tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào khoảng 131 triệu tấn. Kể từ 1996-97 đến 2010-11, lượng tro bay sử dụng vào trong các lĩnh vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996-1997 là 9,63% đến năm 2010-2012 là 56%). Năm 20092010 ở Ấn Độ đạt được mức độ sử dụng tro bay cao nhất 63% [9]. Khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện càng nhiều thì các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu như xỉ than hay tro bay sinh ra cũng tăng theo. Thống kê của các nhà khoa học Hy Lạp cho thấy lượng tro bay sinh ra gần như tỷ lệ tuyến tính với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng [10]. Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc, do gần nguồn than. Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tính ở thời điểm 2010 là 4.250 MW [11] và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 được nêu trong bảng 1.1. Bảng 1.1: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2020 C C R L T. DU Năm Stt Công suất, MW Tiêu thụ than, triệu tấn/năm Lượng tro bay, triệu tấn/năm 1 2010 4.250 12,75 3,82-4,46 2 2015 6.240 18,72 5,61-6,55 3 2020 7.240 21,72 6,51-7,60 Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điện thường là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến 43÷45%. Do đó, các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro bay khá lớn, có thể chiếm tới 20-30% lượng than sử dụng [11]. Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh. Trong khi đó, các nhà máy sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, các công trình xây dựng đang có nhu cầu rất lớn về sử dụng tro bay và hoàn toàn có thể tiêu thụ hết số tro bay được xử lý từ sản xuất điện [12]. Để giải quyết các vấn đề này, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định 1696/QĐ-TTg ngày 23/9/2014 về một số giải pháp xử lý tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy phân bón hóa chất để sản xuất vật liệu xây dựng. 7 Đây là cơ sở pháp lý quan trọng cho các giải pháp, tổ chức thực hiện xử lý để sử dụng nguồn phế thải này làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng [11]. 1.1.6. Phân loại tro bay Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302 – 2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng thì tro bay được phân loại như sau [13]: - Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại: (i) Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F; (ii) Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C - Theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại: (i) Tro bay dùng cho xi măng; (ii) Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây. Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại như sau [14]: - 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, tro bay thường được phân loại 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, được nêu trong bảng 1.2 [15]. Bảng 1.2: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [15] C C R L T. Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 DU Yêu cầu hóa học Đơn Lớn nhất Nhóm Nhóm vị /nhỏ nhất F C SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % nhỏ nhất 70 50 SO3 % lớn nhất 5 5 Hàm lượng ẩm % lớn nhất 3 3 Hàm lượng mất khi nung % lớn nhất 5 5 1,5 1,5 Yêu cầu hóa học không bắt buộc Chất kiềm % Yêu cầu vật lý Độ mịn (+325) % lớn nhất 34 34 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày) % nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày) % nhỏ nhất 75 75 Lượng nước yêu cầu % lớn nhất 105 105 Độ nở trong nồi hấp % lớn nhất 0,8 0,8 Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % lớn nhất 5 5 Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % lớn nhất 5 5 8 1.1.7. Yêu cầu kỹ thuật Tro bay dùng cho bê tông và vữa cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại bảng 1 của TCVN 10302:2014. Tro bay dung xi măng cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại bảng 2 của TCVN 10302:2014. 1.2. Tổng quan về xỉ lò cao Xỉ lò cao (xỉ gang) là một phụ phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxít sắt thành gang trong lò cao [16]. Xỉ lò cao thường có hàm lượng oxít canxi lớn, CaO từ 40% ÷ 48%, SiO2 từ 35% ÷ 38%, Al2O3 từ 6% ÷ 18%, và tổng hàm lượng CaO + MgO thường đạt 40% ÷ 50% hay cao hơn nữa [16]. C C R L T. DU Hình 1.4. Xỉ lò cao 1.2.1. Phân loại xỉ lò cao Xỉ lò cao được tạo ra trong quá trình sản xuất gang. Tùy thuộc vào quy trình làm nguội, xỉ lò cao được chia thành hai loại: - Xỉ lò cao làm nguội chậm (viết tắt là xỉ ABFS), được làm nguội tự nhiên nhờ không khí hoặc nước; - Xỉ hạt lò cao (viết tắt là xỉ GBFS), được làm nguội nhanh bằng nước. Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ lò cao xem hình 1.4 [17]. 9 C C R L T. Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ quá trình tạo ra xỉ lò cao 1.2.1.1. Xỉ lò cao làm nguội chậm (xỉ ABFS) Xỉ nóng chảy hình thành từ lò cao được tháo ra sân (bãi) làm nguội. Tại đây, xỉ nóng chảy được làm nguội tự nhiên hoặc phun nước, chúng đông cứng thành dạng giống như đá với cấu trúc tinh thể. Xỉ lò cao làm nguội chậm thường được nghiền và sàng thành cỡ hạt yêu cầu để làm cốt liệu cho bê tông, vật liệu hạt cho san lấp và rải đường. 1.2.1.2. Xỉ hạt lò cao (xỉ GBF) Xỉ nóng chảy hình thành từ lò cao được tháo chảy ra các mương dẫn và được phun nước với áp lực cao để làm lạnh nhanh tạo nên các hạt giống như hạt cát có cấu trúc xốp. Các hạt xỉ này trộn với nước tạo nên hỗn hợp lỏng được bơm ra bãi khử nước, tại đó các hạt xỉ được róc nước tự nhiên. 1.2.2. Đặc tính của xỉ lò cao Đặc tính cơ bản của xỉ lò cao được nêu trong bảng 1.3 [17]. Bảng 1.3 Tổng hợp đặc tính của xỉ lò cao DU Đặc tính Mô tả chung Xỉ lò cao làm nguội chậm (ABFS) Xỉ hạt lò cao (GBFS) Xỉ ABFS có bề mặt thô, nhiều lỗ rỗng và góc cạnh; khối lượng thể tích nhẹ hơn và độ hút nước lớn hơn so với đá dăm tự nhiên. Xỉ ABFS có chất lượng thay đổi tùy thuộc vào mỗi nhà máy và lô sản xuất, do tính chất vật lý của nó thay đổi phụ thuộc vào độ dày của lớp xỉ nóng chảy và phương pháp làm nguội. Xỉ hạt lò cao có hình dạng bên ngoài giống với cát thô, hầu hết có cỡ hạt nhỏ hơn 5 mm, ít hạt mịn. Xỉ hạt lò cao có thành phần chủ yếu ở dạng thủy tinh với các hạt rất góc cạnh.