Luận văn thạc sĩ ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồı của bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN DŨNG

ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY
ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TƠNG

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng 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 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong các cơng trình khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Dũng


MỤC LỤC
TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................................................. 1
2. Mục tiêu đề tài................................................................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................................. 1
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa của đề tài............................................................................................................................. 2
6. Bố cục đề tài....................................................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA
SILICAFUME, TRO BAY TRONG XÂY DỰNG....................................................................... 3
1.1. Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông............................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông................................................ 3
1.1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông....................................................................................... 4
1.2. Tổng quan về tro bay....................................................................................................................... 6
1.2.1. Khái niệm về tro bay............................................................................................................... 6
1.2.2. Thành phần tro bay................................................................................................................... 8
1.2.3. Hiện trạng nguồn nguyên liệu tro bay trong và ngoài nước..................................... 9
1.3. Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng........................................................................... 11
1.3.1. Một số cơng trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam..........................12
1.3.2. Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và cơng trình trên thế giới..................13
1.4. Tổng quan về tính chất cơ lý và ứng dụng của silicafume trong xây dựng.............13
1.4.1. Thành phần và tính chất cơ lý của silicafume............................................................. 13
1.4.2. Ứng dụng của silicafume trong lĩnh vực bê tông và xây dựng............................. 15
1.4.3. Sản lượng silicafume............................................................................................................ 16
1.5. Tiềm năng kết hợp giữa silicafume và tro bay.................................................................... 16

1.6. Mô đun đàn hồi và các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông.........17
1.6.1. Khái niệm về mô đun đàn hồi.......................................................................................... 17
1.6.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông...................................... 17
1.6.3. Các phương pháp xác định mô đun đàn hồi của bê tông....................................... 18


1.6.4. Các cơng trình nghiên cứu về mơ đun đàn hồi của bê tông.................................. 19
1.7. Nhận xét chương 1......................................................................................................................... 20
CHƯƠNG 2. TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM........................21
2.1. Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm............................................................................. 21
2.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm........................................................................................... 21
2.2.1. Cát (Cốt liệu nhỏ)................................................................................................................... 21
2.2.2. Đá dăm (Cốt liệu lớn)........................................................................................................... 22
2.2.3. Xi măng..................................................................................................................................... 24
2.2.4. Tro Bay....................................................................................................................................... 26
2.2.5. Silicafume................................................................................................................................. 28
2.2.6. Nước............................................................................................................................................ 29
2.3. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm........................................................................................... 31
2.3.1. Ván khn: Khn kích thước (150x300)mm............................................................ 31
2.3.2. Máy trộn.................................................................................................................................... 32
2.3.3. Thiết bị đầm bê tơng............................................................................................................. 32
2.3.4. Phịng dưỡng hộ bê tơng...................................................................................................... 32
2.3.5. Thiết bị đo độ sụt.................................................................................................................... 32
2.3.6. Máy nén..................................................................................................................................... 32
2.3.7. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông........................................................ 34
2.4. Nhận xét chương 2......................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ
TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG.......................................................... 35
3.1. Giới thiệu chung............................................................................................................................. 35
3.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm........................................................................................... 36

3.3. Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tơng........................................................................... 38
3.4. Thí nghiệm xác định độ sụt........................................................................................................ 39
3.5. Đúc mẫu và dưỡng hộ mẫu........................................................................................................ 40
3.6. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tơng....................................................... 42
3.6.1 Quy trình nén mẫu.................................................................................................................. 42
3.6.2. Cơng thức xác định cường độ chịu nén......................................................................... 43
3.7. Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi của bê tơng............................................................. 43
3.7.1. Quy trình thí nghiệm............................................................................................................. 43
3.7.2. Cơng thức xác định mơ đun đàn hồi của bê tông....................................................... 46
3.8. Kết quả và thảo luận..................................................................................................................... 47
3.8.1. Độ sụt của các hỗn hợp bê tông........................................................................................ 47
3.8.2. Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông .....48


3.8.3. Ảnh hường của của silicafume và tro bay đến đến mô đun đàn hồi của bê tông
50
3.9. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi....................................................... 52
3.10. Nhận xét chương 3...................................................................................................................... 53
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY
ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG
Học viên: Nguyễn Văn Dũng
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp.

Mã số: 60.58.02.08
Khóa: K34.XDD.KH
Tóm tắt:
Bê tơng là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong xây dựng trên toàn thế
giới. Xi măng portland là chất kết dính khơng thể thiếu trong bê tơng thơng thường. Q trình
sản xuất xi măng portland tiêu thụ năng lượng rất lớn, đồng thời thải ra một lượng lớn CO 2
gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng silicafume và tro bay như là loại vật liệu
thay thế một phần xi măng portland trong hỗn hợp bê tông là vấn đề thật sự cần thiết.
Luận văn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mơ đun đàn hồi
của bê tơng. Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu trụ kích thước 150x300mm với các thành
phần cấp phối cát, đá, nước được giữ nguyên không đổi trong khi xi măng được thay thế bởi
silicafume và tro bay với tổng tỉ lệ là 5%,10% và 20%. Các mẫu thí nghiệm là mẫu hình trụ có
kích thước 150x300mm được dưỡng hộ ngâm nước tại phịng thí nghiệm. Mô đun đàn hồi của
các mẫu bê tông được xác định tại các thời điểm 28, 56 và 90 ngày.
Kết quả cho thấy rằng khi silicafume được sử dụng để thay thế xi măng ở tỉ lệ 5% góp
phần tăng cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, trong khi đó với tỉ lệ thay thế có tro bay đều
giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi so với mẫu đối chứng. Sự suy giảm cường độ chịu
nén và mô đun đàn hồi lớn nhất khi 15% tro bay và 5% silicafume được sử dụng để thay thế
20% xi măng. Tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của tất cả các mẫu bê tơng có
3

hoặc khơng có tro bay và silicafume đều vào khoảng 0.8x10 đến 0.9x10

3

Từ khóa: bê tơng, cường độ chịu nén, mo đun đàn hồi, tro bay, silicafume, tỉ lệ mo đun
đàn hồi và cường độ chịu nén.
EFFECT OF SILICAFUME AND FLY ASH TO THE LITHOLOGICAL MODULE OF
CONCRETE
Abstracts:

Concrete is widely used as construction building materials in the world. Original Portland
cement (OPC) is an indispensable binder in conventional concrete. The cement production
consumes a great deal of energy, and causes pollution and other environmental problems


including CO2 emmission. It is really necessary to conduct the research to find out the
alternative materials such as fly ash and silicafume to replace partly OPC in the concrete mix.
The thesis studied the effect of silicafume and fly ash on the elasticity of concrete. The
tests were conducted on the cylinder samples of 150mm diameter and 300mm height cured in
water at 28 days, 56 days and 90 days. The mix proprtion of sand, coarse aggregates and
water was kept constantly while cement was replaced by total of silicafume and fly ash of 5%,
10% and 20% respectively.
The results shows that 5%silicafume used to replace cement improves both compressive
strength and modulus of elasticity of concrete wherease the fly ash replacement at different
proportions reduced both such properties. The most reduction of both compressive strength
and modulus of elasticity of concrete was monitored when 20% of cement was replaced by
15% of fly ash and 5% of silicafume. In general, the ratio of modulus of elasticity and
compressive strength of all mixes with and without fly ash and silicafume is in the range of
3

0.8x10 đến 0.9x10

3

Key words: concreet, compressive strength, modulus of elasticity, fly ash, silicafume,
ratio of modulus of elasticity and compressive strength


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

FA

: Tro bay

SF

: Silicafume

CP

: Cấp phối bê tông

RLT

: Cường độ lăng trụ

E0

: Mơ đun đàn hồi của bê tơng

D

: Đường kính mẫu trụ

H

: Chiều cao mẫu trụ


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008)............................................................ 7
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền...................................................... 8
Bảng 1.3. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác
nhau........................................................................................................................................... 9
Bảng 1.4. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước...................................... 10
Bảng 1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030.........................11
Bảng 2.1. Thành phần hạt của cát...................................................................................................... 21
Bảng 2.2. Hàm lượng ion Cl- trong cát........................................................................................... 22
Bảng 2.3. Thành phần hạt của cốt liệu lớn..................................................................................... 22
Bảng 2.4. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập............................................... 23
Bảng 2.5. Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm......................................................... 24
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng....................................................... 24
Bảng 2.7. So sánh chỉ tiêu chất lượng của Xi măng Nghi Sơn PCB40 với TCVN ........25
Bảng 2.8. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây................................... 26
Bảng 2.9. Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4................................................................ 27
Bảng 2.10. Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời................................................ 28
Bảng 2.11. Thông số kỹ thuật của silicafume............................................................................... 28
Bảng 2.12. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn
không tan trong nước trộn vữa. Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg L) . 29
Bảng 2.13. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hịa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn
khơng tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tơng. Đơn vị
tính bằng miligam trên lít (mg L)................................................................................ 30
Bảng 2.14. Các yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của
vữa........................................................................................................................................... 31
Bảng 3.1. Thành phần Cát.................................................................................................................... 36
Bảng 3.2. Thành phần Đá dăm........................................................................................................... 36
Bảng 3.3. Thành phần Xi măng.......................................................................................................... 37
Bảng 3.4. Thành phần Nước................................................................................................................ 37
Bảng 3.5. Thành phần cấp phối của các tổ mẫu bê tông........................................................... 38
Bảng 3.6. Kết quả đo độ sụt................................................................................................................. 47

Bảng 3.7. Cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm............................................................. 48
Bảng 3.8. Mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm................................................................... 50


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử.............................................................................................................. 4
Hình 1.2. Sự phá hoại mẫu thử khối vng...................................................................................... 5
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn........................... 6
Hình 1.4 Silicafume................................................................................................................................ 14
Hình 1.5. Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tơng.......................................................... 16
Hình 1.6. Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ...................................................... 17
Hình 2.1. Khn thép đúc mẫu........................................................................................................... 31
Hình 2.2. Máy trộn bê tơng.................................................................................................................. 32
Hình 2.3. Máy nén bê tơng................................................................................................................... 33
Hình 2.4. Thiết bị thí nghiệm mơ đun đàn hồi............................................................................. 34
Hình 3.1. Cơn đo độ sụt........................................................................................................................ 39
Hình 3.2. Đo kiểm tra độ sụt............................................................................................................... 40
Hình 3.3. Cân, đo các thành phần cấp phối................................................................................... 41
Hình 3.4. Đúc mẫu và dưỡng hộ........................................................................................................ 41
Hình 3.5. Quá trình nén mẫu............................................................................................................... 42
Hình 3.6 Khung và đồng hồ đo biến dạng..................................................................................... 44
Hình 3.7. Mẫu kiểm tra mơ đun đàn hồi......................................................................................... 45
Hình 3.8. Thí nghiệm đo mơ đun đàn hồi....................................................................................... 46
Hình 3.9. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm............................................................................... 47
Hình 3.10. Biểu đồ cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm........................................... 49
Hình 3.11. Biểu đồ mơ đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm................................................. 51
Hình 3.12. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của bê tông..................52


1

MỞ ĐẦU

1.Lý do chọn đề tài
Silicafume là một dạng cấu trúc vơ định hình của silic điơxít. Silicafume là sản
phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa silic, thốt ra dưới dạng khói bay
cực mịn. Silicafume có kích thước rất nhỏ bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường
kính hạt trung bình 1,5 μm [1].
Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên
liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt
qua ống khói nhà máy, được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện. Tro bay là
những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt từ 1μm
đến 10 μm [2].
Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm các thành phần: Cốt liệu và chất kết
dính. Chất kết dính bao gồm: Xi măng + nước, phụ gia….Với hầu hết bê tơng hiện
đang sử dụng thì thành phần cơ bản là cốt liệu, xi măng và nước. Cường độ của cốt
liệu là cố định, được quy định bởi sự hình thành của tự nhiên, trong quá trình sử dụng
vật liệu chúng ta đã chọn trước nguồn gốc sử dụng cốt liệu. Như vậy tính năng cơ lý
của hỗn hợp bê tông cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chất kết dính và các lỗ rỗng giữa
các cốt liệu liên kết với nhau [3].
Với đặc tính của silicafume và tro bay đều là các chất có khả năng lấp đầy lỗ
rỗng của các cốt liệu khi cùng làm việc trong bê tơng. Do đó có thể làm thay đổi đến
cường độ, mô đun đàn hồi và các chỉ tiêu khác của bê tơng. Nhằm mở rộng nghiên cứu
vai trị của silicafume và tro bay ảnh hưởng như thế nào đến bê tông, để đưa ra các
khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài nghiên
cứu: “Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông”.
2.Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu thử để xác định ảnh hưởng của silicafume và
tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông. Tổng khối lượng silicafume và tro bay thay
thế xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và

20%.
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đánh giá tổng quan về bê tơng và các đặc tính của bê tông, cũng như ứng dụng
của silicafume và tro bay trong lĩnh vực xây dựng.
Các loại vật liệu: Cát Diên Khánh (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Đá
Hòn Ngang (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Xi măng Nghi Sơn PCB 40;
Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; Tro bay Công ty Nhiệt điện Vĩnh Tân (Ninh Thuận).
Các mẫu bê tơng thí nghiệm có tổng khối lượng silicafume và tro bay thay thế
xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và 20%.
Các mẫu bê tơng thí nghiệm có lượng silicafume thay thế xi măng là là 5%,
10%.


2

Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi
của bê tông đến 90 ngày.
Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với sự phát
triển mô đun đàn hồi của bê tơng từ đó tìm ra tỉ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume
trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng.
Đánh giá các cơng trình nghiên cứu trước đó về sự tác động riêng biệt của tro
bay và silicafume đến mô đun đàn hồi của bê tơng.
4.Phương pháp nghiên cứu
-Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam:
+ 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 tơng nặng – Phương pháp xác định cường độ nén;

+ TCVN 5726:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ lăng trụ
và Mơ đun đàn hồi khi nén tĩnh.
-

Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm.

- Đánh giá sự ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của
bê
tông.
5.Ý nghĩa của đề tài
Xác định khả năng ảnh hưởng của việc sử dụng silicafume và tro bay đến mô
đun đàn hồi của bê tông.
-

Đưa ra các khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế.

6. Bố cục đề tài
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài.
2. Mục tiêu đề tài.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu.
5. Ý nghĩa của đề tài.
Chương 1: Tổng quan về bê tông và phạm vi ứng dụng của silicafume, tro bay
trong xây dựng.
Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm.
Chương 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô
đun đàn hồi của bê tông.

Kết luận và kiến nghị chung


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA SILICAFUME,
TRO BAY TRONG XÂY DỰNG
1.1. Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông
1.1.1. Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông
Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi)
và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia. Vật liệu rời còn gọi
là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn. Loại bé là cát có kích thước (1-5) mm, loại lớn
là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5-40) mm. Chất kết dính là xi măng trộn với nước
hoặc các chất dẻo khác. Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tơng trong lúc
thi cơng cũng như trong q trình sử dụng. Có nhiều loại phụ gia như phụ gia nâng cao
độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông,
nâng cao cường độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm [4].
Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu
nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại
thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng [4].
Bê tơng có cấu trúc khơng đồng nhất vì hình dạng kích thước cốt liệu khác nhau,
sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính khơng thật đồng đều, trong bê tơng vẫn cịn lại
một số ít nước thừa và lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi). Q trình khơ cứng của bê
tơng là q trình thủy hóa của xi măng, q trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự
giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê
tơng trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo [4].
Bê tơng được phân loại theo các cách sau [4]:
Theo cấu trúc: bê tông đặc chắc, bê tơng có lỗ rỗng (dùng ít cát), bê tông tổ ong,
bê tông xốp.

3

Theo dung lượng: bê tông nặng (γ = 2200 - 2500 kG/m ); bê tông nặng cốt liệu
3
3
bé (γ = 1800 - 2200 kG/m ); bê tông nhẹ (γ < 1800 kG m ); bê tơng đặc biệt nặng (γ>
3
2500 kG/m ).
Theo chất kết dính: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông chất dẻo, bê tông
thạch cao, bê tông xỉ, bê tông sillicat.
Theo phạm vi sử dụng: bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tơng chịu nóng, bê tơng
cách nhiệt, bê tơng chống xâm thực v.v...
- Theo thành phần hạt: bê tông thông thường, bê tông cốt liệu bé, bê tông
chèn đá
hộc...


4

1.1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông
Các đặc trung cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo,... Trong
giới hạn đề tài chỉ xét đến cường độ chịu nén và modun đàn hồi.
1.1.2.1. Cường độ chịu nén của bê tông
a. Khái niệm chung:
Cường độ chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tơng.
Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn
để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu lăng
trụ để đo cường độ có kích thước 150x300 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn
trong thời gian 28, 56, 90 ngày.
Bê tơng thơng thường có cường độ chịu nén R= 5÷30MPa. Bê tơng có R>

40MPa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tơng đặc
biệt có R≥ 80MPa.
Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tơng cịn bị nở
ngang. Thơng thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ.
Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tơng có thể làm tăng khả năng chịu nén
của nó. Trong thí nghiệm nếu khơng bơi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì
tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại
theo hình tháp đối đỉnh như hình 1.1b. Nếu bơi trơn mặt tiếp xúc để bê tơng tự do nở
ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự
phá hoại xảy ra như trên hình 1.1c. Cường độ của mẫu được bơi trơn thấp hơn cường
độ của mẫu khối vng có ma sát.

1- mẫu; 2- bàn máy nén; 3- ma sát; 4-bê tơng bị ép vụn;
5- hình tháp phá hoại; 6- vết nứt dọc theo mẫu.
Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử


5

Vì ma sát làm cản trở biến dạng ngang mà với mẫu khối khi tăng cạnh a thì R
giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông.
b. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê
tông Thành phần và công nghệ chế tạo
Cường độ của bê tông lớn hay bé là do thành phần và công nghệ chế tạo quyết
định. Một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cường độ bê tông:
Chất lượng và số lượng xi măng.
Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu.
Tỷ lệ giữa nước và xi măng.
Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện bảo dưỡng bê tơng.
Nói chung các nhân tố trên ảnh hưởng quyết định đến R, R t nhưng mức độ có

khác nhau. Ví dụ tỷ lệ nước trên xi măng N XM có ảnh hưởng rất lớn đến R và có
phần ít hơn đối với Rt; độ sạch cốt liệu ảnh hưởng lớn đến R và rất lớn đối với R t cũng
như khả năng chịu cắt của bê tông.
Tuổi của bê tông
Tuổi là thời gian t (ngày) tính từ lúc chế tạo bê tơng đến khi nó chịu lực. Cường
độ của bê tơng tăng theo thời gian. Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần.
Với bê tông dùng xi măng pooclăng chế tạo và bảo dưỡng trong điều kiện bình
thường, cường độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu.
Để biểu diễn sự tăng của R theo t có thể dùng một số cơng thức thực nghiệm.
Công thức của B.G. XKramtaep (1935) theo qui luật logarit, với t = 7÷300 ngày:
Rt=0,7R28lg(t)

Hình 1.2. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông
Trong môi trường thuận lợi (nhiệt độ dương, độ ẩm cao) sự tăng cường độ có
thể kéo dài trong nhiều năm. Cịn trong điều kiện khơ hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng
cường độ trong thời gian sau này là khơng đáng kể.
Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bê tông làm cho cường độ tăng rất nhanh
trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho bê tông trở nên dịn hơn và có cường độ cuối
cùng thấp hơn so với bê tông được bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn.


6

Ảnh hưởng của tỉ lệ N X đến cường độ chịu nén, chịu uốn của bê tông: Đá xi
măng (mác xi măng và tỷ lệ X N ) có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông. Sự phụ
thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ X N thực chất là phụ thuộc vào thể tích rỗng tạo
ra do lượng nước dư thừa. Hình 1.6 biểu thị mối quan hệ giữa cường độ bê tông và
lượng nước nhào trộn.

a- vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được; b- vùng

hỗn hợp bê tơng có cường độ và độ đặc cao; c- vùng hỗn hợp bê
tông dẻo;
d- vùng hỗn hợp bê tơng chảy.
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn
1.1.2.2. Mô đun đàn hồi của bê tông
Mô đun đàn hồi bê tông, là đại lượng thể hiện độ cứng của bê tơng được trình
bày chi tiết ở mục 1.6.
1.2. Tổng quan về tro bay
1.2.1. Khái niệm về tro bay
Tro bay (Fly ash - FA) là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các
nhà máy nhiệt điện thải ra mơi trường. Nó được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các
phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo. Người ta thường dùng
luồng khí để phân loại tro thành tro bay là loại nhỏ mịn, bay lên với khói lị, loại không
bay lên người ta gọi là tro cặn (tro đáy). Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là
hỗn hợp các ôxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O... Ngồi ra, có
thể chứa một lượng than chưa cháy với hàm lượng cacbon còn lại trong tro bay nhỏ
hơn 4% và một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, một lượng nhỏ nhóm OH ở
bề mặt và amonia...[5].
Có hai loại tro bay là loại C (hàm lượng Ca và Mg cao, tới 20%) và tro bay loại F
(hàm lượng Ca và Mg nhỏ hơn nhiều với tro bay loại C).


7

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay 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 [6].
Bảng 1.1. Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) [6]
Tính chất hóa học
SiO2 + AI2O3 + Fe2O3

SO3
Ðộ âm
Mất khi nung (Loss on ignition - LOI)
Hàm lượng kiềm
Tính chất vật lý
Ðộ mịn
Tính chất puzzolan xi măng (07 ngày)
Tính chất puzzolan xi măng (28 ngày)
Lượng nước yêu cầu
Ðộ nở trong Autoclave
Tính đồng nhất về mật độ
Tính đồng nhất về mật độ
LOI x Ðộ mịn
Tăng độ co khơ
Tính đồng nhất hịa tan trong khơng khí
Phản ứng kiềm hóa
Ghi chú: Mất khi nung (LOI) là hiện tượng carbon cháy hết trong tro và nó ảnh
hưởng đến chất lượng bằng cách tăng nhu cầu nước, giảm độ mịn và phản ứng
pozzolanic. ASTM C618 (2008) quy định mức tối đa của LOI là 6% [6].
Tro bay có đặc tính rất bền nhiệt, ít bị co ngót kích thước, bền với các loại hóa
chất, giá thành rẻ...


8

1.2.2. Thành phần tro bay
*. Thành phần hóa học 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 khống có trong than đá. Thơng thường, tro ở đáy lị
chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các

loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO 2, Al2O3,
Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so
với tổng hàm lượng tro, ngoài ra cịn 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 [7].
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [8]
Thành
phần
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
P2O5
TiO2
MnO
SO3
MKN
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác
nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay


với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than
nâu và than đen [9].


9

Bảng 1.3. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác
nhau [9]

Loại tro bay
Than đen
ZS- 14
ZS- 17
Than nâu
ZS- 13
ZS-16
Kết quả trên cho thấy,thành phần của các loại tro bay có được sau q trình đốt
cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau q trình đốt cháy than
nâu (ZS-16) là các nhơm silicat. Cịn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than
nâu (ZS-13) là loại canxi Silicat [9].
Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các nước
khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số các mẫu tro bay
ở Trung Quốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3, hàm lượng của chúng vào
khoảng 650 g kg đến 850 g kg. Các thành phần khác bao gồm lượng than chưa cháy,
Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung Quốc chứa hàm lượng than chưa cháy cao là do
hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc. Theo tiêu chuẩn phân loại
ASTM C 618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp.
Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung Quốc [10].
1.2.3 Hiện trạng nguồn nguyên liệu 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 xã hội. 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 triều,… 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 chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng

năm. Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ
trọng lớn [12].


10

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 [12]. 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.
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 [13]. 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.
Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu tấn.
Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong bảng
1.4 [12-14,16].
Bảng 1.4. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước

TT
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10


11


11

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 [17] và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW.
Bảng 1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030
TT

Năm

1

2010

2

2015

3

2020

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. Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g kWh, tổng lượng than sử
dụng cho nhiệt điện và lượng tro bay tạo thành được trình bày trong bảng 1.5 [17].
1.3. Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng
Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông trên thế
giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu tấn đã được
sử dụng trong xi măng và bê tơng [18]. Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây sử
dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn nước, các nhà máy điện, các cơng trình
ngồi biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại
hay dân cư, cầu, các đường ống dẫn,...
Đến năm 2008, tổng lượng các sản phẩm từ đốt than đá của nhà máy nhiệt điện ở
Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tương đương khoảng 39 triệu
tấn. Khoảng 18 triệu tấn tro bay được sử dụng trong công nghiệp xây dựng và san lấp
hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đường và làm vật liệu để sản
xuất clinke xi măng. Tro bay cũng được sử dụng trong xi măng trộn, bê trong khối và
làm chất điền lấp [19].
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện trên khắp
lãnh thổ Trung Quốc thải ra hàng trăm triệu tấn tro bay mỗi năm. Do vậy, chính phủ
Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các cơng nghệ liên quan đến việc sử dụng tro
bay. Một vài thành phố đã sử dụng rất tốt tro bay trong những năm gần đây như thành
phố Nam Ninh. Năm 2005, lượng tro bay được sử dụng ở thành phố này đã vượt qua
cả lượng tro bay được tạo ra. Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường hợp ngoại lệ. Tro
bay ở Trung Quốc được sử dụng trong các lĩnh vực chủ yếu sau: Các sản phẩm bê tông
(phụ gia cho xi măng, vữa, bê tông, gạch,...); Xây dựng đường giao thông; Xây