Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Trần Trung Hiếu

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY
LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành:

Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã ngành:

62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS PHẠM DUY HỮU
PGS.TS LÃ VĂN CHĂM

HÀ NỘI – 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Trần Trung Hiếu


ii

LỜI CẢM ƠN
Với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả luận án xin chân thành cảm
ơn tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Lã Văn Chăm - những người Thầy đã tận
tình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên
gia, các nhà khoa học trong ngành GTVT và Xây dựng đã chỉ dẫn và đóng góp ý
kiến quý báu để luận án được hoàn thiện.
Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt
tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vật
liệu Xây dựng, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải và
GS.TS Bùi Xuân Cậy, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang và PGS.TS Nguyễn Quang
Phúc. Tác giả xin chân thành cảm ơn.
Tác giả chân thành cảm ơn đến cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao
tốc - Trường Đại học công nghệ GTVT; các phòng thí nghiệm LAS-XD72, LASXD160; Công ty Vật tư thiết bị giao thông TRANSMECO; Công ty phụ gia bê tông
Phả Lại – PHALAMI và các bạn đồng nghiệp, các TS-NCS nước ngoài đã tận tình
giúp đỡ, cung cấp tài liệu, số liệu, vật tư vật liệu và tạo điều kiện cho quá trình thí
nghiệm, thử nghiệm.
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vận
tải, tác giả đã nhận được sự tạo điều kiện thuận lợi tối đa của lãnh đạo Trường,
phòng Đào tạo Sau đại học và Khoa Công trình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ
Giao thông vận tải và lãnh đạo, cán bộ phòng KHCN-HTQT đã quan tâm tạo điều

kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia
đình đã động viên và chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tác giả luận án

Trần Trung Hiếu


3

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu...............................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................. 2
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................2
5. Bố cục của luận án.....................................................................................................3
6. Những đóng góp mới của luận án..............................................................................3
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...................................................................................4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY............................5
1.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng.............................................................. 5
1.1.1. Quy định về tính năng của BTXM................................................................5
1.1.2. Quy định về vật liệu chế tạo BTXM..............................................................6
1.2. Khái quát về bê tông xi măng tro bay.................................................................... 7
1.2.1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay.............................................................. 7
1.2.2. Tính chất tro bay nhiệt điện........................................................................ 8
1.2.3. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện..............................................................9
1.2.4. Sản lượng tro bay ở Việt Nam...................................................................... 9
1.3. Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay.................................................. 10
1.3.1. Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay...................................................10

1.3.2. Mức độ phản ứng puzơlan tro bay............................................................. 12
1.3.3. Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng...........................................................14
1.4. Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bê tông xi măng..........................14
1.4.1. Lịch sử nghiên cứu tro bay trong BTXM....................................................14
1.4.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất hỗn hợp BTXM...............................15
1.4.3. Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng BTXM.............................................17
1.4.4. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền BTXM.................................................18
1.5. Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay.....19
1.5.1. Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay...............................................................19
1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tro bay...............................................19
1.5.3. Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay..........21
1.6. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô.......24
1.6.1. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trên thế giới.....................................24
1.6.2. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay ở Việt Nam......................................27
1.7. Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu luận án.........................................31
Chương 2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ
THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY.................................................33


4
2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả tro bay......................................................33
2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay.........................................................35
2.2.1. Vật liệu và nội dung thí nghiệm................................................................. 36
2.2.2. Kết quả thí nghiệm..................................................................................... 39
2.2.3. Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ
nước / CKD................................................................................................40
2.2.4. Xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD................43
2.2.5. Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông...........................................44
2.3. Trình tự thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu quả tro bay........................45
2.3.1. Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt (Bước 1)......................................... 46

2.3.2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Bước 2).......................47
2.3.3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3)....................................46
2.3.4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4)......................................48
2.3.5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5)..................................................... 48
2.3.6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6)........................................49
2.3.7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7)..49
2.3.8. Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8).......................51
2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt
đường ô tô...........................................................................................................51
2.4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu........................................................................ 51
2.4.2. Tính thành phần vật liệu BTXM tro bay.....................................................54
2.4.3. Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén..........................................................58
2.4.4. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm.........................................................59
2.4.5. Công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô..........63
2.5. Kết luận Chương 2............................................................................................... 66
Chương 3. THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ....................................................................68
3.1. Vật liệu và kế hoạch thí nghiệm...........................................................................68
3.2. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTXM tro bay...............................................69
3.2.1. Độ sụt.........................................................................................................69
3.2.2. Thời gian đông kết......................................................................................71
3.3. Thí nghiệm đo nhiệt độ thủy hóa tỏa ra trong bê tông......................................... 73
3.4. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông...................................................76
3.4.1. Cường độ nén ở 7 ngày.............................................................................. 76
3.4.2. Cường độ nén ở 14 ngày............................................................................ 78
3.4.3. Cường độ nén ở 28 ngày............................................................................ 79
3.4.4. Cường độ nén ở 56 ngày............................................................................ 79
3.4.5. Phân tích sự phát triển cường nén theo thời gian......................................80

5
3.5. Thí nghiệm cường độ kéo uốn..............................................................................82
3.6. Thí nghiệm mô đun đàn hồi................................................................................. 86
3.7. Thí nghiệm độ mài mòn....................................................................................... 89
3.8. Thí nghiệm độ thấm nước.................................................................................... 90
3.9. Tổng hợp kết quả thí nghiệm................................................................................92
3.10. Kết luận chương 3.............................................................................................. 92
Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY
TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ..............................................................94
4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô......................94
4.1.1. Khả năng đáp ứng về cường độ................................................................. 94
4.1.2. Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay...................................................... 96
4.1.3. Khả năng chống thấm nước.......................................................................96
4.1.4. Tính công tác..............................................................................................97
4.1.5. Phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường.................................................... 99
4.1.6. Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường........................... 100
4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường bê tông xi măng tro bay............................101
4.2.1. Các số liệu phục vụ thiết kế......................................................................101
4.2.3. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng..................104
4.2.4. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình.........105
4.2.5. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nhẹ.....................106
4.2.6. Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay............................ 107
4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm...........................107
4.3.1. Đặt vấn đề................................................................................................ 107
4.3.2. Cường độ của BTXM trong giai đoạn tuổi sớm....................................... 109
4.3.3. Ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm..........................111
4.3.4. Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm .114
4.4. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường
BTXM ở giai đoạn tuổi sớm.....................................................................................108
4.4.1. Các số liệu phục vụ tính toán................................................................... 116

4.4.2. Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM.............................117
4.4.3. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ....................... 120
4.4.4. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển ứng suất kéo..................122
4.4.5. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM
ở giai đoạn tuổi sớm.........................................................................................123
4.5. Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM
tro bay ở giai đoạn tuổi sớm......................................................................................125
4.6. Kết luận chương 4.............................................................................................. 126
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO...................128


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ...........................i
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................I

CHƯƠNG 1
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô.....................................6
Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM..................................................8
Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM..............................9
Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020.............10
Bảng 1.5. So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường......27
Bảng 1.6 – Thành phần bê tông sử dụng vật liệu khoáng tro bay..................................29
CHƯƠNG 2
Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm..........................................................36
Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại..................................37
Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén................................................................39
Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay /
CKD và tỷ lệ nước / CKD...............................................................................................43
Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay.........................43
Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay.............................43

Bảng 2.7 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong BTXM tro bay.....................................45
Bảng 2.8 – Cường độ yêu cầu của BTXM làm mặt đường ô tô.....................................46
Bảng 2.9 – Yêu cầu độ sụt hỗn hợp bê tông làm mặt đường ô tô..................................47
Bảng 2.10 – Bảng tra thể tích cốt liệu thô.......................................................................47
Bảng 2.11 – Bảng tra lượng nước...................................................................................48
Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng.....................................................................48
Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay.............................................................50
Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát..........................................52
Bảng 2.15 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát...............................53
Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô......................53
Bảng 2.17 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô.................54
Bảng 2.18 – Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông.............................................56
Bảng 2.19 – Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông.................................56
Bảng 2.20 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC)...........................................57
Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN)............................................57
Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông...................58
Bảng 2.23 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-NC).......................59


vii

Bảng 2.24 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-EN).......................59
Bảng 2.25 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC....................................60
Bảng 2.26 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN.....................................61
Bảng 2.27 – So sánh cường độ đặc trưng và cường độ nén thiết kế..............................62
Bảng 2.28 – Bảng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô.......................63
Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô..........................63
CHƯƠNG 3
Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm..........................................................68
Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông................................................................69

Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến độ sụt............70
Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết.........................................................71
Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến thời gian đông kết.......72
Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông.................................75
Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông.........................................76
Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày....................................77
Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày..................................78
Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày................................79
Bảng 3.11 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày................................80
Bảng 3.12 – Sự phát triển cường độ nén đặc trưng........................................................81
Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông..........................................83
Bảng 3.14 – Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén.........................................86
Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông..............................................87
Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn.................................................................89
Bảng 3.17 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước bê tông.................................................91
Bảng 3.18 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm BTXM tro bay.............................................92
CHƯƠNG 4
Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ....................................................................95
Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay.......................................................96
Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước..........................................................................97
Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô.....................................................................97
Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính..................................................................98
Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km đường...................................................99
Bảng 4.7 – Bảng lượng khí CO2 thải ra do sản xuất xi măng........................................99
Bảng 4.8 – Bảng giá thành vật liệu BTXM tro bay (triệu đồng)....................................100
Bảng 4.9 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường..............................101
Bảng 4.10 – Quy mô giao thông.....................................................................................102


viii

Bảng 4.11 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay...................105
Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay...................105
Bảng 4.13 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay...................106
Bảng 4.14 – Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dày tấm BTXM tro bay (cm)...................107
Bảng 4.15 – Kết quả thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông.............................109
Bảng 4.16 – Bảng tham số quá trình thủy hóa.................................................................110
Bảng 4.17 – Số liệu đầu vào tính cường độ, ứng suất bê tông.........................................117
Bảng 4.18 – Bảng kết quả tính cường độ, ứng suất trong tấm bê tông (MPa)................118
Bảng 4.19 – Cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm........................................121
Bảng 4.20 – Ứng suất kéo lớn nhất trong bê tông ở giai đoạn tuổi sớm.........................122
Bảng 4.21 – Kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ).................124
Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt
đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm.....................................................................125

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
CHƯƠNG 1
Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay..........................................12
Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay......................................................12
Hình 1.3 – Hàm lượng Ca(OH)2 trong bê tông................................................................13
Hình 1.4 – Mức độ phản ứng puzơlan của tro bay trong bê tông....................................13
Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro bay đến lượng nước yêu cầu..............................15
Hình 1.6 – Ảnh hưởng của lượng tổn thất khi nung đến lượng nước yêu cầu................15
Hình 1.7 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết bê tông..............16
Hình 1.8 – Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ thủy hóa trong bê tông........................16
Hình 1.9 – Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ nén bê tông...................17
Hình 1.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo.............................18
CHƯƠNG 2
Hình 2.1 – Khảo sát vật liệu tại nhà máy tro bay Phả Lại - PHALAMI.........................38
Hình 2.2 – Quá trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu.............................................................38

Hình 2.3 – quan hệ giữa hệ số RS với tỷ lệ f và tỷ lệ ...................................................39
Hình 2.4 – Quan hệ giữa hiệu quả tro bay với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước /
CKD trong bê tông...........................................................................................................44


9

Hình 2.5. Biểu đồ thành phần hạt của cát.......................................................................52
Hình 2.6. Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu thô..........................................................54
Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC..............................60
Hình 2.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN..............................61
tk

Hình 2.9. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số f’c / R n và tỷ lệ tro bay / CKD..........................62
Hình 2.10. Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC và bê tông PC.............65
Hình 2.11. Biểu đồ tỷ lệ thành phần vật liệu trong BTXM tro bay................................66
CHƯƠNG 3
Hình 3.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông..................................................................70
Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết............................................................73
Hình 3.3. Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt trong mẫu bê tông..................................................73
Hình 3.4. Ảnh thí nghiệm đo nhiệt trong khối bê tông...................................................74
Hình 3.5. Nhiệt trong khối bê tông PC tại các đầu đo....................................................74
Hình 3.6. Nhiệt trong khối bê tông FC30 tại các đầu đo................................................75
Hình 3.7. Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông.....................................................75
Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày.......................................77
Hình 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày.....................................78
Hình 3.10. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày...................................79
Hình 3.11. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày...................................80
Hình 3.12. Sự phát triển cường độ nén BTXM tro bay theo thời gian...........................81
Hình 3.13. Tốc độ phát triển cường độ nén so với cường độ ở 28 ngày........................82

Hình 3.14. Mô hình thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn.................................................83
Hình 3.15. Hình ảnh thí nghiệm cường độ kéo uốn........................................................83
Hình 3.16. Kết quả phân tích tính tương đồng giữa các loại BTXM tro bay.................84
Hình 3.17. Biểu đồ phân tích cường độ kéo uốn đặc trưng BTXM tro bay...................85
Hình 3.18. Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi BTXM tro bay........................87
Hình 3.19. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay..........................................90
Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay........................................91

CHƯƠNG 4
Hình 4.1. Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường.....................................................100
Hình 4.2. Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay.....................................................102


Hình 4.3. Sơ đồ khối tính toán, thiết kế mặt đường BTXM............................................104
Hình 4.4. Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM tro bay...........................................107
Hình 4.5. Giai đoạn tuổi sớm của bê tông........................................................................108
Hình 4.6. Sự phát triển nhiệt độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm........................................108
Hình 4.7. Biến dạng uốn của tấm bê tông........................................................................111
Hình 4.8. Biến dạng do co ngót dẻo.................................................................................113
Hình 4.9. Sơ đồ tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường sớm.................................115
Hình 4.10. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo BTXM tro bay........................................119
Hình 4.11. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo bê tông PC..............................................119
Hình 4.12. Ảnh hưởng tro bay đến cường độ chịu kéo bê tông.......................................121
Hình 4.13. Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo.............................................................122
Hình 4.14. Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo bê tông................123
Hình 4.15. Biểu đồ ứng suất và cường độ chịu kéo tại điểm cực đại 41 giờ...................125


CÁC TỪ VIẾT TẮT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

AASHTO

: American Association of State Highway and Transportation Officials
(Hiệp hội những người làm đường bộ và vận tải Mỹ)

ACAA

: American Coal Ash Association (Hiệp hội tro bay Mỹ)

ACI

: American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ)

ASTM

: American Society for Testing and Materials
(Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ)

BTXM

: Bê tông xi măng

CHS

: Các khoáng silicat bền nước

CKD

: Chất kết dính

Dmax

: Cỡ hạt lớn nhất danh định

F

: Khối lượng tro bay trong bê tông

F/CKD

: Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f)

FA

: Fly Ash (Tro bay)

FC

: Fly Ash Cement Concrete (Bê tông xi măng tro bay)

f

’
c

: Cường độ nén đặc trưng

f

’

cr

: Cường độ nén trung bình yêu cầu

FHWA

: Federal Highway Administration
(Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ)

GTVT

: Giao thông vận tải

HPC

: High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao)

HVFA

: High Volume Fly Ash (Bê tông xi măng nhiều tro bay)

HRWR

: High-Range Water Reducers (Phụ gia hóa dẻo)

k

: Hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông

LOI

: Lượng mất khi nung

N/X

: Tỷ lệ nước / xi măng

N/CKD

: Tỷ lệ nước / chất kết dính ()

PC

: Portland Cement Concrete (Bê tông xi măng poóc lăng thông thường


xii

Ký hiệu
QĐ3230

không tro bay)
: Quy định kỹ thuật tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng
thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông

QĐ1951

: Quy định kỹ thuật tạm thời về thi công và nghiệm thu mặt bê tông xi
măng trong xây dựng công trình giao thông

QL

: Quốc lộ

Rn

: Cường độ chịu nén bê tông

Rku

: Cường độ chịu kéo uốn bê tông

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN

: Tiêu chuẩn ngành

VLXD

: Vật liệu xây dựng

X0

: Khối lượng xi măng trong bê tông thông thường (không tro bay)


1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu
Trên thế giới ở nhiều nước như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc,... mặt
đường BTXM được xây dựng chiếm tỷ lệ lớn trên các đường cao tốc và trục chính
do đây là loại vật liệu có cường độ và độ bền cao. Ở Việt Nam, BTXM ngày càng
được sử dụng nhiều để làm mặt đường ô tô với tổng chiều dài lên tới 1113 km [14]
và tiếp tục tăng, vì vậy nhu cầu về xi măng rất lớn. Để có 1 tấn xi măng thì ngành
công nghiệp sản xuất thải ra môi trường 1 tấn khí CO2 [47], đây là một trong những
nguyên nhân dẫn đến hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu.
Trong khi đó, hàng năm ở nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện và gang
thép đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và dự kiến đến năm 2020 là 7,6 triệu tấn [7].
Với lượng tro bay rất lớn, nếu không được tái sử dụng có hiệu quả thì sẽ lãng phí
nguồn tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống.
Theo các tài liệu [10],[57],[63],[81], sử dụng tro bay để thay thế một phần xi
măng trong BTXM truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông lên từ 1,15 đến
2 lần; tro bay có thể dùng tới 70 % khối lượng chất kết dính do đó góp phần quan
trọng trong việc giảm khối lượng xi măng, vì vậy giảm đáng kể lượng khí thải CO2.
Bê tông xi măng tro bay có lượng nhiệt thủy hóa thấp, nhờ đó làm giảm khả năng
xảy ra nứt trên mặt đường do tác dụng của nhiệt độ và co ngót ở giai đoạn tuổi sớm
so với BTXM poóc lăng truyền thống.
Trong BTXM, tro bay có ảnh hưởng nhất định đến cường độ và được biểu
hiện bằng hệ số hiệu quả tro bay (hệ số k). Tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [62] đã đưa
ra các quy định về hệ số k. Trong khi đó ở Việt Nam, hệ số k mới chỉ được đề cập
tới trong tài liệu [9] mà chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phù
hợp với nguồn vật liệu nước ta, vì vậy cũng chưa có phương pháp thiết kế thành
phần BTXM tro bay theo hệ số k.
Các công trình nghiên cứu về tro bay trong bê tông ở Việt Nam chủ yếu cho
bê tông đầm lăn; làm mặt đường giao thông nông thôn và đường cấp thấp hoặc làm
lớp móng đường cấp cao, chưa có công trình nghiên cứu và thực nghiệm có hệ

thống và đầy đủ về các tính chất và tính năng cơ học của BTXM tro bay để làm mặt
đường quốc lộ và mặt đường cấp cao.
Với các phân tích nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính
toán, thiết kế thành phần BTXM; nghiên cứu tính chất cơ học, độ bền, tính công tác
của BTXM tro bay để làm mặt đường ô tô trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bê
tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam” là cần thiết, có ý nghĩa về lý
thuyết, thực tiễn, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường trong điều kiện
nước ta có hàng triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm từ các nhà máy nhiệt điện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Phân tích tổng quan ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất của bê tông và
cơ chế phản ứng trong hỗn hợp BTXM tro bay.
- Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (hệ số k) để làm cơ sở thiết
lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM theo hệ số k.
- Xác định một số tính chất của hỗn hợp, tính năng cơ học và độ bền của
BTXM tro bay đáp ứng các yêu cầu làm mặt đường ô tô.
- Thiết kế các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay và xác định ảnh hưởng
của tro bay đến cường độ, ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm.
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Sử dụng vật liệu tro bay nhiệt điện Phả Lại sau tuyển đáp ứng các yêu cầu
kỹ thuật theo tiêu chuẩn ASTM C618 (loại F) và xi măng poóc lăng PC40 có cường
độ cao và độ ổn định, phù hợp với yêu cầu làm mặt đường quốc lộ và cấp cao.
- Thí nghiệm các tính năng cơ học chính của BTXM tro bay theo yêu cầu về
thiết kế và thi công để làm lớp trên của mặt đường ô tô.
- Trong thiết kết cấu áo đường BTXM tro bay có sử dụng các số liệu về tải
trọng, khí hậu, lớp móng và đất nền đường theo quyết định QĐ3230 [12].
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm trong phòng. Kết quả nghiên
cứu được so sánh với các công trình đã nghiên cứu và công bố trên thế giới nên có

độ tin cậy nhất định.
5. Bố cục của luận án
Luận án có bố cục gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận, kiến nghị như sau:
Chương 1: Tổng quan về BTXM tro bay. Nội dung trình bày khái quát về
BTXM tro bay, cơ chế phản ứng thủy hóa và phản ứng puzơlan; phân tích ảnh
hưởng của tro bay đến các tính năng bê tông từ đó rút ra các nhận xét và kết luận
làm định hướng cho các phần nghiên cứu tiếp theo.
Chương 2: Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông và thiết kế thành
phần BTXM tro bay. Nội dung trình bày phương pháp xác định hệ số k và kết quả
thí nghiệm. Từ đó xây dựng phương pháp lựa chọn thành phần vật liệu bê tông theo
hệ số k.
Chương 3: Thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay làm mặt đường ô
tô. Nội dung trình bày các kết quả thí nghiệm một số tính chất của hỗn hợp, tính
năng cơ học và độ bền của BTXM tro bay làm mặt đường ô tô.
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô
tô. Nội dung phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay và thiết kế các dạng kết
cấu áo đường. Tính cường độ chịu kéo giới hạn của bê tông và thiết lập nội dung
kiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường bê tông tuổi sớm. Phân tích ảnh hưởng của
tro bay đến cường độ, ứng suất và khả năng kháng nứt trên mặt đường BTXM giai
đoạn tuổi sớm.
Kết luận và kiến nghị.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Đã xây dựng mô hình để xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k) trên cơ
sở công thức cường độ nén của Bolomey cải tiến:
k 

trong đó:

(1 0,5)

(R S 1) 1

f
f, – tương ứng là tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước / chất kết

dính; Rs – hệ số cường độ được xác định bằng thực nghiệm.
Đã thí nghiệm xác định hệ số k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta như sau:


+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %):

hệ số k = 0,70 ÷ 0,40;

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %):

hệ số k = 0,40 ÷ 0,27.

- Đã thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm 8 bước. Trong
đó hệ số k được dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng (XFC) và
tro bay (F) nhằm đạt được cường độ nén và cường độ kéo uốn thiết kế ở tuổi 28
ngày như sau:
X FC

1  f
 1 (k 1) f X 0

và

F

f
1 (k 1) f

X

0

(kg)

trong đó: XFC , X0 – khối lượng xi măng trong BTXM tro bay và khối lượng xi măng
trong BTXM poóc lăng thông thường (không có tro bay).
- Đã thí nghiệm để đưa ra được các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường
độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ thấm nước, tính công tác của
BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt
đường ô tô sử dụng BTXM tro bay và kiến nghị phạm vi áp dụng.
- Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất nhiệt trong mặt đường BTXM ở giai
đoạn tuổi sớm và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến việc cải thiện khả năng
kháng nứt mặt đường trong giai đoạn này.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
về hệ số hiệu quả tro bay (k) và phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo hệ số
k có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu phát
triển BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam.
Công thức thành phần vật liệu và các dạng kết cấu áo đường bằng BTXM tro
bay có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế trong
tương lai khi có nhiều công trình đường quốc lộ và cấp cao được xây dựng bằng vật
liệu BTXM.
Nội dung tính và kiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường BTXM giai đoạn

tuổi sớm có ý nghĩa quan trọng, qua đó có thể đưa ra các giải pháp (sử dụng tro bay)
để giảm thiểu vết nứt trên mặt đường khi cường độ bê tông còn thấp.


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

Trong phạm vi tổng quan trình bày các quy định chung đối với BTXM làm
mặt đường ô tô; khái quát về BTXM tro bay và các quá trình phản ứng thủy hóa,
phản ứng puzơlan; ảnh hưởng của tro bay đến các đặc tính của bê tông và các công
trình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong xây dựng đường ô tô trên thế giới
và Việt Nam.
1.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng
Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, cấp cao thường được dùng làm
mặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất
bánh xe lên mặt đường từ 5 ÷ 7 kPa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao [1],[3],[4].
Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công
nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường
BTXM khác nhau. Theo các tài liệu [1],[3],[11],[31] thì mặt đường BTXM gồm các
loại kết cấu chính: mặt đường BTXM thông thường; mặt đường BTXM cốt thép có
khe nối; mặt đường BTXM lưới thép và mặt đường BTXM lưới thép liên tục.
Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN chính thức nên việc thiết kế mặt đường
BTXM được thực hiện theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [12]; thi công và
nghiệm thu theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT [13] do Bộ GTVT ban hành.
1.1.1. Quy định về tính năng của bê tông xi măng
Theo các quy định kỹ thuật [12],[13] thì BTXM làm mặt đường ô tô phải đáp
ứng được các yêu cầu chính như sau:
a. Cường độ kéo kéo uốn (cường độ kéo uốn)
tk

Cường độ kéo uốn thiết kế ( Rk ) đối với đường cấp II trở lên phải lớn hơn
5,0 MPa và với đường cấp III trở xuống phải lớn hơn 4,5 MPa.
b. Cường độ nén
Trong các quy định [12],[13] không đưa ra yêu cầu trực tiếp về cường độ nén


tk

thiết kế ( Rn ). Trong khi đó đây là chỉ tiêu quan trọng cần được xác định để tính
toán, thiết kế thành phần vật liệu bê tông; theo các tài liệu [8],[9] giữa cường độ nén
và kéo uốn có mối quan hệ như sau:
Rkutk

trong đó:

R tktk ,
Rku

r

Rtkn

(MPa)

(1.1)

– tương ứng là cường độ kéo uốn và cường độ nén thiết kế;
n

kr – hệ số có giá trị trong khoảng 0,70 0,75. Bê tông có cường độ nén

càng cao thì kr càng nhỏ do tốc độ phát triển cường độ kéo uốn chậm hơn cường độ
nén. Với hệ số kr tối thiểu là 0,7 thì khi đó cường độ nén thiết kế của bê tông được
xác định như trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô
TT

Cường độ thiết kế, MPa

Loại mặt đường BTXM

Kéo uốn

Nén

1

Mặt đường cao tốc, cấp I, cấp II

5,0

51,0

2

Mặt đường cấp III trở xuống

4,5

41,3

Bên cạnh đó, theo quy định [12],[13] thì cường độ trung bình yêu cầu chế tạo
trong phòng thí nghiệm cần lớn hơn cường độ thiết kế tối thiểu từ 1,15 1,2 lần.
c. Độ mài mòn
2

Với mặt đường ô tô cấp III trở lên, độ mài mòn phải nhỏ hơn 0,3 g/cm ; với
2

đường ô tô cấp IV trở xuống phải nhỏ hơn 0,6 g/cm .
1.1.2. Quy định về vật liệu chế tạo bê tông xi măng
a) Xi măng
Theo quy định [13] thì có thể sử dụng các loại xi măng poóc lăng, poóc lăng
hỗn hợp, poóc lăng bền sunphát để làm mặt đường BTXM.
3

- Hàm lượng xi măng tối đa không nên lớn hơn 400 kg/m ; hàm lượng xi măng tối
3

thiểu phải lớn hơn 290 kg/m [1],[13].
- Tỷ lệ nước / xi măng (N/X) lớn nhất trong phạm vi 0,44 ÷ 0,48; mặt đường cấp
càng cao thì chọn trị số N/X lớn nhất càng nhỏ [1],[13].


b) Cốt liệu nhỏ (Cát)
Cát có thể là cát sông hoặc cát xay có thành phần hạt hợp lý thì độ rỗng nhỏ,
cường độ bê tông sẽ cao, mô đun độ lớn trong phạm vi 2,2 ÷ 3,5 [13].
c. Cốt liệu thô (Đá dăm)
Cốt liệu thô có thể là đá dăm, sỏi cuội nghiền tạo ra bộ khung chịu lực cho bê
tông và có thành phần hạt theo quy định. Cỡ hạt danh định lớn nhất không lớn hơn
25 mm với sỏi cuội nghiền; không lớn hơn 37,5 mm đối với đá dăm.

d) Yêu cầu về nước
Nước không lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu cơ, độ pH ≥ 4; hàm lượng muối ≤
3

3

0,005 mg / mm và hàm lượng ion SO4 ≤ 0,0027 mg / mm .
e) Yêu cầu về phụ gia
Trong bê tông có thể sử dụng các loại phụ gia giảm nước, phụ gia làm chậm
đông kết và phụ gia khoáng hoạt tính cao.
1.2. Khái quát về bê tông xi măng tro bay
1.2.1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay
Theo ACI 232R [37], bê tông xi măng tro bay (FC) được hiểu là bê tông xi
măng poóc lăng (PC) trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định để
thay thế một phần chất kết dính xi măng poóc lăng.
Theo Michael [86] trong lịch sử phát triển, tro bay được sử dụng trong
BTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công
trình (Bảng 1.2). Ở mức độ thông thường, để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kết
cấu thì tỷ lệ tro bay từ 15 30 % khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn từ
30 50 % dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trong
các kết cấu bê tông khối lớn. Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bê
tông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 % dùng cho các kết cấu công trình yêu
cầu đòi hỏi về độ bền cao.
Hiện nay với BTXM chất lượng cao (HPC), hàm lượng tro bay thường dùng
từ 10 ÷ 30 % lượng chất kết dính. Trong BTXM lượng tro bay thêm vào bằng hoặc


cao hơn lượng xi măng bớt đi, vì tro bay có khối lượng riêng nhỏ hơn xi măng. Các
nghiên cứu của Owen [80], của Jiang và cộng sự [74] cho ra rằng với BTXM chất
lượng cao tùy thuộc vào chất lượng tro bay và lượng xi măng được thay thế. Mức

độ tổn thất độ sụt của BTXM tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều
kiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta [28]. Theo Mehta [91], sử dụng tro bay trong
bê tông chất lượng cao còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt và
tăng độ bền chống thấm nước.
Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM
TT

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính

Phân loại theo hàm lượng tro bay

1

< 15 %

Thấp

2

15 30 %

Trung bình

3

30 50 %

Cao

4

> 50 %

Rất cao

1.2.2. Tính chất tro bay nhiệt điện
Tro bay nhiệt điện là sản phẩm muội sinh ra trong quá trình đốt than ở các
nhà máy nhiệt điện. Tro bay trong khí thải được thu thập lại bởi thiết bị lọc bụi tĩnh
điện. Khi lơ lửng trong khí thải, các hạt tro bay thường có dạng hình cầu kích thước
từ 0,5 µm đến 100 µm. Thành phần chủ yếu là dioxide silic (SiO2) dưới dạng vô
định hình và tinh thể, oxit nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3). Tính chất hóa học của
các oxit trong tro bay chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của loại than được
đốt cháy [2],[7],[43],[58],[76].
Tiêu chuẩn ASTM C618 [43] phân tro bay thành hai loại chính là tro bay loại
F và loại C, sự khác biệt chính của hai loại này là ở các hàm lượng oxit canxi, oxit
silic, oxit nhôm và oxit sắt có trong từng loại tro bay. Tro bay loại F có hàm lượng
SiO2, Al2O3 cao và hàm lượng CaO, MgO thấp. Ngược lại tro bay loại C có hàm
lượng SiO2, Al2O3 thấp và hàm lượng CaO, MgO cao. Tiêu chuẩn TCVN
10302:2014 [22] cũng đã đưa ra quy định về tro bay tùy theo lĩnh vực sử dụng như
trong Bảng 1.3.


Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM

TT

1
2
3
4

5

Thành phần
SiO2 + Al2O3 +
Fe2O3, min %
SO3, max %
Độ ẩm, max %
Hàm lượng mất khi
nung MKN, max %
Lĩnh vực

Tiêu chuẩn Mỹ
(ASTM C618)
[43]
F
C

TCVN 10302:2014 [22]
F

C

F

C

70

50

70

45

70

45

5
3

5
3

5
3

5
3

3
3

5
3

6

6

15

9

12

5

-

-

BTXM không cốt
thép

BTXM cốt thép

Theo Bảng 1.3 cho thấy các chỉ tiêu về hàm lượng ôxit (SiO2 + Al2O3 +
Fe2O3), hàm lượng SO3, độ ẩm của hai tiêu chuẩn là gần tương đương nhau; trong
khi đó chỉ tiêu về hàm lượng mất khi nung trong TCVN 10302:2014 được nới rộng
hơn so với ASTM C618.
1.2.3. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện
Khi nhiên liệu than đi qua khu vực nhiệt độ cao trong lò, các thành phần vật
liệu không ổn định và các bon bị đốt cháy trong khi những tạp chất khoáng khác
được cuốn đi theo ống khói dưới dạng tro. Phần lớn tro cuốn ra ngoài theo đường
ống khói được gọi là tro bay. Sau đó tro bay được tách ra khỏi ống khói bằng
phương pháp lọc tĩnh điện và màng lọc. Ở các nhà máy nhiệt điện hiện đại, tro bay
sau khi được lọc tĩnh điện thì có thể dùng trực tiếp như là vật liệu cho BTXM mà
không cần phải có biện pháp xử lý [7].
Để tro bay trở thành vật liệu sản xuất bê tông thì cần phải qua quá trình

tuyển, tổng công suất tuyển hiện nay khoảng 500.000 tấn/năm [7]. Các công nghệ
tuyển bao gồm công nghệ tuyển nổi; công nghệ tách tĩnh điện; công nghệ phân ly
bằng ly tâm; công nghệ đốt các bon [26],[33].
1.2.4. Sản lượng tro bay ở Việt Nam
Nước ta có nguồn nguyên liệu than dồi dào với trữ lượng lớn, phần lớn các
nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc do gần nguồn than. Trong


quá trình đốt tạo ra lượng tro và xỉ rất lớn, chiếm khoảng 30 % ÷ 35 % lượng than
sử dụng; khoảng 20 ÷ 30 % tro xỉ hình thành rơi xuống đáy lò hơi thành xỉ đơn,
phần còn lại khoảng 70 ÷ 80 % là tro bay [7]. Theo số liệu báo cáo của Hội tuyển
khoáng Việt Nam [7], thì mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn tro bay (Bảng 1.4 ).
Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020
Tiêu thụ than

Lượng tro bay

(triệu tấn / năm)

(triệu tấn / năm)

2005

4,35

1,30 ÷ 1,52

2

2010

12,75

3,82 ÷ 4,46

3

2015

18,72

5,61 ÷ 6,55

4

2020

21,72

6,51 ÷ 7,60

TT

Năm

1

Với trữ lượng dồi dào nêu trên nếu không có các biện pháp xử lý hiệu quả thì
sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên.
1.3. Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

1.3.1. Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng tro bay
Trong hỗn hợp xi măng và tro bay bên cạnh bốn pha khoáng vật chính của xi
măng gồm C3S, C2S, C3A và C4AF còn có thêm các thành phần oxit được bổ sung
từ các thành phần hóa học chính của tro bay gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và CaO. Tỷ lệ
giữa các thành phần hóa học trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại xi măng, tro bay và
tỷ lệ tro bay / chất kết dính.
Quá trình phản ứng hóa học trong BTXM tro bay diễn ra phức tạp, bao gồm
các phản ứng thủy hóa và các phản ứng puzơlan. Trong hỗn hợp, các thành phần
khoáng của xi măng sẽ tham gia các phản ứng thủy hóa trước sau đó mới đến các
phản ứng puzơlan.
1.3.1.1. Quá trình phản ứng thuỷ hoá
Các phản ứng thuỷ hoá xảy ra giữa các thành phần khoáng của xi măng với
nước [8],[23]:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(1.2)


2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2

(1.3)

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

(1.4)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O

(1.5)

Kết quả của quá trình thủy hóa sẽ tạo thành các khoáng silicat bền nước
(CHS) và canxi hyđroxit Ca(OH)2 kém bền được giải phóng ra. Trong bê tông poóc
lăng thông thường, Ca(OH)2 có ảnh hưởng xấu tới tính chất của bê tông, làm cho bê
tông bị xốp, tạo sự phát triển các cấu trúc vi nứt, làm yếu liên kết với cốt liệu và làm
ảnh hưởng đến độ bền của bê tông.
Trong giai đoạn đầu tro bay hầu như không có hoạt tính, mà đóng vai trò như
một vật liệu trơ chèn lấp trong các lỗ rỗng hỗn hợp [52],[67],[78]. Theo thời gian,
quá trình thủy hóa vẫn tiếp tục làm cho môi trường có tính kiềm tăng dần lên (nồng
-

độ ion OH tăng), nhờ đó đã kích hoạt các tính chất thủy lực tiềm ẩn trong tro bay
để tạo ra các phản ứng puzơlan.
1.3.1.2. Quá trình phản ứng puzơlan
Các phản ứng puzơlan được xảy ra giữa các thành phần hoạt tính trong tro
bay (SiO2, Al2O3) với Ca(OH)2 và nước [67]:
2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O (C3S2H3)

(1.6)

Al2O3 + CaSO4.2H2O + 3Ca(OH)2 + 7H2O = 4CaO.Al2O3.SO3.12H2O
(C4ASH12)

(1.7)

Al2O3 + 4Ca(OH)2 + 9H2O = 4CaO.Al2O3.13H2O (C4AH13)

(1.8)

Quá trình phản ứng trong hỗn hợp bê tông xi măng thông thường được mô tả
tóm tắt theo sơ đồ Hình 1.1 và trong hỗn hợp bê tông xi măng - tro bay theo sơ đồ

Hình 1.2.
Kết quả của quá trình phản ứng puzơlan đã chuyển hóa thành phần Ca(OH)2
thành các sản phẩm CSH (C3S2H3, C4ASH12,C4AH13) bền vững, có tác dụng tăng
khả năng chống thấm, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ và tăng thêm cường độ cho bê
tông. Điều này cho thấy rằng nhiều loại BTXM khi sử dụng tro bay hợp lý có thể
cải thiện các đặc tính cơ lý tốt hơn so với bê tông xi măng thông thường. Do quá


trình phản ứng puzơlan, các hạt tro bay mất dạng hình cầu ban đầu và dần dần được
bao phủ bởi một lớp sản phẩm mới và sau sáu tháng thì không còn xác định được
hình dạng ban đầu [67].
Quá trình phản ứng thủy hóa xi măng đã bao gồm các chuỗi phản ứng phức
tạp, khi có thêm tro bay thì các quá trình phản ứng lại càng diễn ra phức tạp hơn.
Hoạt động của các hạt tro bay làm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng nhưng
không phải tất cả các hạt tro bay đều tham gia phản ứng, mà chỉ một phần hoạt tính
nhất định.

Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay

Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay
1.3.2. Mức độ phản ứng puzơlan tro bay
Theo nghiên cứu của L.Lam [78], các phản ứng puzơlan bắt đầu xảy ra ở
ngày thứ 3 đến ngày thứ 7 và tiếp tục được diễn ra sau đó; L.Lam cũng cho rằng
trong giai đoạn đầu, tro bay chủ yếu có tác dụng vật lý lấp đầy lỗ rỗng và tham gia
vào sự hình thành sản phẩm phức hợp Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O.
Theo Zhang [103] với BTXM nhiều tro bay, chỉ một phần tro bay tham gia
phản ứng, còn lại phần lớn không phản ứng, ngay cả sau thời gian dài hỗn hợp được
bảo dưỡng. Hỗn hợp BTXM nhiều tro bay được coi như là một vật liệu composite
với hạt tro bay có tác dụng như là hạt siêu nhỏ lấp đầy lỗ rỗng trong hỗn hợp.