SỬ DỤNG CHẤT THẢI TRO BAY CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỂ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

SỬ DỤNG CHẤT THẢI TRO BAY CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỂ
THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
USING FLY ASH IN CONCRETE MIX DESIGN FOR ROAD CONSTRUCTION
PGS.TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH
TRƯƠNG NAM SƠN
NGUYỄN HỮU THẮNG
TÓM TẮT
Các công trình đường bộ ở nước ta hiện nay thường sử dụng
công nghệ xây dựng áo đường bằng bê tông nhựa, công nghệ
này tỏ ra kém bền vững và chi phí bảo trì cao so với áo đường
bằng bê tông xi măng. Vì vậy, xây dựng đường bằng bê tông xi
măng có chứa hàm lượng lớn tro bay là một giải pháp hiệu quả
giúp nâng cao chất lượng đường, giảm thiểu lượng xi măng, tiêu
thụ phế thải tro bay và góp phần bảo vệ môi trường.
ABSTRACT
The road construction in our country today has been using
asphalt concrete pavement, whichis unsustainable and higher
maintenance charge than concrete pavement. Therefore,
construction of concrete road containing large amounts of fly
ash is an effective solution to improve road quality, reduce using
of cement, consume fly ash and environmentally friendly.
PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
Nguyễn Hữu Thắng
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
Trương Nam Sơn
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa
1.

GIỚI THIỆU

Hệ thống đường bộ ở nước ta hiện nay đang được xây dựng
bằng cách sử dụng mặt đường mềm thông thường với nguyên liệu
chủ yếu là nhựa đường. Ở Việt Nam, nhựa đường chủ yếu được
nhập khẩu. Trong khi đó xi măng là sản phẩm ở nước ta có thể tự
sản xuất và khai thác được, luôn đảm bảo cung cấp đầy đủ cho thi
công nên sẽ là rất hiệu quả về mặt kinh tế, nguyên vật liệu, giá
thành… trong thi công xây dựng công trình giao thông. Hơn nữa,
việc tăng cường sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng
giao thông là triển khai thực hiện Nghị quyết của Chính phủ với
mục tiêu ưu tiên sử dụng sản phẩm hàng hóa sản xuất trong nước,
thúc đẩy sản xuất kinh doanh, kiềm chế nhập siêu và tiết kiệm
năng lượng.. Mặt khác, mặt đường bê tông nhựa 5-10 năm là phải
sửa chữa, cải tạo còn bê tông xi măng có tuổi thọ lên tới 30 năm
cho thấy chất lượng đường bê tông xi măng tốt hơn nhiều. Khả
năng sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông
ở Việt Nam hiện nay là rất lớn, đặc biệt phù hợp với các tuyến
đường giao thông nông thôn có chất lượng và tuổi thọ tốt.
Để sản xuất được 1 tấn xi măng Portland, cần thải ra 1 tấn CO2
vào khí quyển. Vì vậy, dùng tro bay để thay thếmột phần xi măng
trong bê tông vừa giúp giảm đáng kể chi phí cho bê tông vừa giúp
giảm khí nhà kính. Tro bay là phế thải của các nhà máy nhiệt
điện, có thể được cho vào bê tông như là một hỗn hơp xi măng tro bay hoặc thay thế một phần cốt liệu mịn trong tỷ lệ cấp phối
bê tông.

Tro bay có thể ứng xử như một cốt liệu mịn và đồng thời cũng
như một hợp chất kết dính nhờ hoạt động pozzolan của nó. Đã có
rất nhiều nghiên cứu về bê tông có chứa hàm lượng lớn tro bay
như độ sụt của bê tông tươi hay cường độ, độ bền, bề mặt hoàn
thiện của bê tông cứng. Ta hoàn toàn có thể sản xuất một loại bê
tông chất lượng tốt với 25% tro bay trong xi măng Portland.

Theo số liệu thống kê, hiện nay cả nước có 19 nhà máy nhiệt
điện đang vận hành với tổng công suất phát điện 14.480 MW và
thải ra khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ hàng năm. Trong đó, lượng tro
bay chiếm khoảng 75%, còn lại là xỉ. Dự kiến sau năm 2020, con
số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công suất 39.020 MW, lượng tro
xỉ thải ra dự kiến hơn 30 triệu tấn/năm. Ô nhiễm môi trường do
tro bay cũng đang là vấn đề nhức nhối của tỉnh Bình Thuận trong
thời gian vừa qua.Vĩnh Tân 2 chạy hết công suất sẽ thải khoảng
0,9 triệu tấn tro xỉ/năm. Nếu tính cả Trung tâm Điện lực Vĩnh Tân
gồm 4 nhà máy với công suất 5.600MW sẽ thải ra khoảng 4 triệu
tấn tro xỉ/năm.
2.

CHẤT LƯỢNG TRO XỈ Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
VĨNH TÂN
2.1. Hydrat hóa xi măng và tro bay

Tro bay làm cho bê tông ít thấm hơn và đặc hơn so với xi
măng Portland thông thường. Cường độ dài hạn (90 ngày trở lên)
của bê tông tro bay tốt hơn so với bê tông thường. Vật liệu
pozzolanic trong tro bay phản ứng với canxi hydroxit tạo ra bởi xi
măng Portland và tạo ra hợp chất kết dính thủy hóa thường được
biết đến là gel C-S-H, do đó làm tăng tính chất của bê tông. Phản
ứng có thể viết dưới dạng:

Hình 1 – Vận chuyển tro xỉ ra bãi chứa của Nhà
máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 2


C3 S + 6 H → C3 S 2 H 3 + 3Ca (OH ) 2

2C2 S + 4 H → C3 S 2 H 3 + Ca (OH ) 2
Ca (OH ) 2 + ( SiO2 + Al2O3 ) → C3 S 2 H 3
2.2. Thực nghiệm thành phần tro bay ở nhà máy nhiệt
điện Vĩnh Tân
Bảng 1 – Kết quả phân tích XRF của mẫu tro bay từ nhà
máy nhiệt điện Vĩnh Tân
Công thức

Hàm lượng

Sai số ±

SiO2

55.71%

0.188%

Al2O3

27.51%

0.136%

Fe2O3

7.02%

0.014%

K2O

5.31%

0.031%

MgO

1.17%

0.033%

TiO2

0.99%

0.013%

CaO

0.93%

0.013%

SO3

0.44%

0.012%

Na2O

0.25%

0.037%

P2O5

0.24%

0.012%

BaO

0.15%

0.010%

MnO

0.05%

0.002%

Rb2O

0.04%

0.001%

ZrO2

0.04%

0.001%

Cr2O3

0.03%

0.002%

Cl

0.02%

0.003%

ZnO

0.02%

0.001%

CuO

0.02%

0.001%

SrO

0.02%

0.001%

NiO

73 PPM

10 PPM

PbO

72 PPM

11 PPM

Ga2O3

63 PPM

5 PPM

As2O3

39 PPM

3 PPM

Nb2O5

30 PM

4 PPM

2.3. Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông
Bảng 2 – Chỉ tiêu kĩ thuật của tro bay dùng cho bê tông [4]

Chỉ tiêu
1. Tổng hàm lượng ôxit SiO2
+ Al2O3 + Fe2O3, % khối
lượng, không nhỏ hơn
2. Hàm lượng lưu huỳnh, hợp
chất lưu huỳnh tính quy đổi ra
SO3, % khối lượng, không lớn
hơn
3. Hàm lượng canxi ôxit tự do
CaOtd, % khối lượng, không
lớn hơn
4. Hàm lượng mất khi nung
MKN, % khối lượng, không
lớn hơn
5. Hàm lượng kiềm có hại
(kiềm hòa tan), % khối lượng,
không lớn hơn
6. Độ ẩm, % khối lượng,
không lớn hơn
7. Lượng sót sàng 45µm, %
khối lượng, không lớn hơn

8. Lượng nước yêu cầu so với
mẫu đối chứng, %, không lớn
hơn
9. Hàm lượng ion Cl-, % khối
lượng, không lớn hơn

Loại Lĩnh vực sử dụng - Mức
tro
a
b
c
d
bay
F

70

C

45

F

3

5

3

3

C

5

5

6

3

F

-

-

-

-

C

2

4

4

2

F

12

15

8*

5*

C

5

9

7

5

F

1,5

C
F

3

C
F
C
F
C
F
C

25

34

40

18

105

105

100

105

0,1

-

-

0,1

10. Hoạt độ phóng xạ tự
nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro
bay dùng:
- Đối với công trình nhà ở và
công cộng, không lớn hơn

370

- Đối với công trình công
nghiệp, đường đô thị và khu
dân cư, không lớn hơn

740

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


Qua phân tích chất lượng của mẫu tro xỉ của nhà máy nhiệt
điện Vĩnh Tân có tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, %
khối lượng, không nhỏ hơn 70% và không chứa những thành
phần ôxit độc hại nên có thể sử dụng để sản xuất bê tông cho
đường bê tông xi măng.
3.

THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG

TRO BAY ĐỂ LÀM ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
3.1. Yêu cầu kỹ thuật

Để thiết kế cấp phối bê tông cho thi công đường, yêu cầu
kỹ thuật thiết kế của bê tông là cường độ chịu uốn.
Bài toán được thiết kế với cường độ chịu uốn là 4.5MPa
Bảng 3 – Yêu cầu kỹ thuật các nguyên vật liệu theo [1]
Cường độ chịu uốn
của bê tông ở 28
ngày
Xi măng
Lượng xi măng tối
thiểu nên dùng
Lượng xi măng tối
đa nên dùng
Tro bay
Đá dăm
Cát
Độ sụt
Phụ gia siêu dẻo
Tỉ lệ nước/xi măng
tối đa

4.5 MPa
Xi măng Portland có cường độ chịu
nén 43Mpa, cường độ chịu nén ở 7
ngày tuổi là 40.5MPa. Tỉ trọng: 3.15
350 kg/m3
425 kg/m3
Thay thế 25% xi măng theo khối lượng

Kích thước phù hợp với bảng 4
Kích thước phù hợp với bảng 4
30mm
Nếu thêm 10g/1kg bê tông sẽ giảm
15% lượng nước
0.5

Trong đó:
R’ là cường độ chịu uốn thiết kế ở 28 ngày (MPa).
R là cường độ chịu uốn mong muốn.
Z là hệ số phụ thuộc vào mức độ quan trọng của công trình
đường. Z = 2.33 đối với đường cao tốc, Z = 1.96 đối với đường
quốc lộ, Z = 1.65 đối với đường nội thành và đường nông thôn.
σ được lấy theo bảng 5.
Bảng 5 – Bảng tra giá trị σ [1]
Cường độ
chịu uốn
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0

Đường
cao tốc
0.38
0.35
0.32
0.29
0.26

Đường
quốc lộ
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35

Đường nội thành và
đường nông thôn
0.60
0.55
0.50
0.45
0.4

• Bài báo này hướng đến thiết kế cấp phối cho đường nội
thành và đường nông thôn nên cường độ chịu uốn thiết kế là:
R’ = 4.5 + 1.65 x 0.45 = 5.3 (MPa)
Tỉ lệ nước/xi măng
Theo [3]Tỉ lệ nước/xi măng được cho trong biểu đồ ở hình 2
với đường A, B, C, D, E tương ứng với xi măng có cường độ chịu
nén ở 7 ngày lần lượt là 21-25 (MPa), 25-29 (MPa), 29-35 (MPa),
35-41 (MPa), 41-48 (MPa).
Với loại xi măng như mục III.1 và cường độ chịu uốn thiết kế
là 5.3MPa, tra biểu đồ ta có được tỉ lệ nước/xi măng là 0.42.

Bảng 4 – Yêu cầu về kích thước cốt liệu theo [1]
Kích thước lỗ

rây

Cát

40mm
20mm
12.5mm
10mm
4.75mm
2.36mm
1.18mm
600 micro
300 micro
150 micro

100
98
86
71
40
21
5

Phần trăm lọt qua
Đá dăm
10mm
20mm
100
100
100

89
0
6
0

3.2. Thiết kế cấp phối hỗn hợp
Theo [1], Do nhiều yếu tố ngoài thực tế khó kiểm soát được
nên để đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt được cường độ chịu uốn là
4.5MPa, cường độ chịu uốn thiết kế sẽ được tính như sau:
R’ = R + Z x σ

Hình 2 – Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỉ
lệ nước/xi măng và cường độ chịu uốn ở 28
à
Lượng nước yêu cầu
Bảng 6 – bảng tra lượng nước yêu cầu theo [1]
Kích thước cốt
liệu tối đa (mm)
10
20

Loại cốt
liệu
Cát
Đá dăm
Cát
Đá dăm

Lượng nước ứng với độ sụt
15-45mm (kg/m3)

185
215
165
195


•

Đối với cốt liệu gồm cát và đá dăm, theo [1] ta tính như
sau:
2
1
3
W = × 165 + × 195 = 175(kg/ m )
3
3
• Sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lượng 10g/1kg xi măng,
lượng nước yêu cầu được giảm 15% nên:
3

W = 175 × 0.85 = 149(kg/ m )
Khối lượng xi măng cần dùng
Lượng xi măng cần dùng là 149/0.42 = 355 (kg)
Khối lượng cốt liệu:
Khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông tươi không có tro bay
được tính như sau:
U M = 10 × Ga (100 − A) + Cm (1 − Ga / Gc ) − Wm (Ga − 1)

Trong đó:
UM, khối lượng riêng của bê tông tươi kg/m3.

Ga, tỉ trọng trung bình của cốt liệu.
Gc,tỉ trọng của xi măng.
A, hàm lượng bọt khí, lấy 1.5% đối với cốt liệu có kích
thước tối đa 20mm và 2.5% đối với cốt liệu có kích thước tối đa
10mm.
Wm, lượng nước yêu cầu
Cm, lượng xi măng sử dụng
Khối lượng riêng của hỗn hợp thiết kế:
2.65
3
10 × 2.65(100 − 1.5) + 355(1 −
) − 149(2.65 − 1) = 2420(kg / m )
3.15
Hàm lượng cát trong tổng số cốt liệu được lấy dựa vào bảng 7.
Ứng với tỉ lệ nước/xi măng là 0.42 và kích thước tối đa của cốt
liệu là 20mm ta được hàm lượng cát chiếm khoảng 35% trong
tổng khối lượng cốt liệu
Bảng 7 – Tỉ lệ cát trong tổng khối lượng cốt liệu ứng với độ sụt
15-45mm. Đơn vị (%)[3]
Tỉ lệ nước/xi măng
Kích thước tối đa của cốt liệu
10mm
20mm
0.3
39-48
30-37
0.4
41-50
32-39
0.5

43-52
34-41
Tổng khối lượng cốt liệu:
2420 – 355 – 149 = 1916 kg/m3
Khối lượng cát:
1916 x 0.35 = 670 kg/m3
Khối lượng đá dăm
1916 – 670 = 1246 kg/m3
Theo [2], Tỉ lệ khối lượng đá dăm có đường kính 10mm/khối
lượng đá dăm có đường kính 20mm là 2/3. Từ đó có được khối
lượng đá dăm 10mm là 498kg/m3, 20mm là 748kg/m3.
Khi thay thế xi măng bằng 25% tro bay, cấp phối bê tông
được tính toán lại như sau:
Theo thực nghiệm tổng lượng xi măng – tro bay nên tăng lên
10.7% để đạt được cường độ yêu cầu. Tổng lượng vật liệu xi
măng là 355 x 1.107 = 393 kg/m3. Đồng thời lượng nước yêu cầu
được giảm đi 5%.

Bảng 8 – Bảng tính toán thành phần cấp phối bê tông chứa 25%
tro bay thay thế xi măng
Vật liệu
Khối lượng
Khối lượng
Thể tích (m3)
3
(kg)
riêng (kg/m )
Xi măng
393 x 0.75
3150

0.0937
=295
Tro bay
393 x 0.25 =
2200
0.0445
98
Nước
149x0.95=142
1000
0.142
Phụ gia
6.2
1150
0.0054
siêu dẻo
Bọt khí
0.015
1.5%
Tổng
0.3006
Tổng cốt
1 - 0.3006
liệu
=0.6994
Đá dăm
1246
2650
0.4702
Cát

0.2292 x 2650
2650
0.6994 - 0.4702
= 607
= 0.2292
Bảng 9 – So sánh thành phần cấp phối của bê tông có cường độ
chịu uốn 4.5MPa khi dùng tro bay và không dùng tro bay
Vật liệu
Bê tông không
Bê tông chứa
chứa tro bay
tro bay
Nước (kg/m3)
149
142
Xi măng (kg/m3)
355
295
Tro bay (kg/m3)
0
98
Cát (kg/m3)
670
607
Đá dăm 10mm (kg/m3)
498
498
Đá dăm 20mm (kg/m3)
748
748

Phụ gia siêu dẻo (kg/m3)
3.55
6.2
Tỉ lệ nước/xi măng
0.42
0.361
4.

KẾT LUẬN CHUNG

Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng tro bay và phụ gia siêu dẻo
giúp tiết kiệm được 60kg xi măng và tiêu thụ hết 98kg tro bay
trong 1m3 bê tông.Vì vậy tận dụng tro bay để làm đường bê tông
xi măng là một giải pháp vừa giúp tiết kiệm một lượng lớn xi
măng vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải tro
bay của các nhà máy nhiệt điện.
Tài liệu tham khảo:
[1]IRC:15-2011, Standard specifications and code of practice
for construction of concrete roads.
[2] IS 383-1970, Specification for coarse and fine aggregates
from natural sources for concrete.
[3]Kaushal Kishore, Roorkee – Mix design for concrete roads
as per IRC-15-2002.
[4] TCVN 10302:2014, Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê
tông, vữa xây và xi măng.