BÊ TÔNG CÁT NHIỀU TRO BAY LÀM LỚP MÓNG MẶT ĐƯỜNG ÔTÔ:
GIẢI PHÁP KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG
NCS. NGUYỄN THANH SANG
ThS. TRẦN LÊ THẮNG
KS. NGUYỄN QUANG NGỌC
Bộ môn Vật liệu - Xây dựng
Viện Khoa học & Công nghệ XDGT
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài viết này trình bày về kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông cát sử
dụng nhiều tro bay để làm lớp móng mặt đường xe chạy. Các kết quả nghiên cứu ban đầu đưa
ra được lợi ích của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay làm giảm lượng sử dụng xi măng đồng
thời tăng độ bền cho bê tông làm lớp móng mặt đường, và cuối cùng là làm giảm giá thành
đáng kể khi sử dụng loại bê tông này ở các vùng nhiều cát.
Summary: This paper presents an experimental research on several important properties
of High volume fly ash Sand concrete for road base. The initial results show that the potential
usage of High Volume Fly asnh Sand Concrete reduces cement content in sand concrete and
increase durability of road base concrete, and finally reduces significal cost price when using
this material in sand abundant regions.
Key words: High Volume Fly ash Sand concrete, Fly ash, Cost price, Emission, Fine
sand.
CT 2
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Để phát triển bền vững công nghiệp xi măng và bê tông yêu cầu phải tận dụng chất thải
công nghiệp và nông nghiệp. Vì hiện nay có nhiều lý do làm cho công nghiệp xây dựng bê tông
không bền vững: Thứ nhất hiện nay, con người phải tiêu thụ một khối lượng vật liệu khổng lồ,
và nó còn tiếp tục tăng lên trong tương lai; thứ hai, chất kết dính truyền thống trong bê tông vẫn
là xi măng pooc lăng, việc sản xuất sản phẩm này là một trong các nguyên nhân gây ra hiệu ứng
nhà kính, làm cho trái đất nóng lên và thay đổi khí hậu; thứ ba là các kết cấu bê tông phải đối
mặt với sự kém bền có thể tạo ra một chất thải rắn rất lớn [5]. Hơn nữa, hàng năm trên thế giới
sử dụng khoảng 10 tỷ tấn bê tông xi năng, riêng ngành công nghiệp xi măng đã thải ra 7% tổng
lượng khí CO2 [6].
Bê tông cát sử dụng nhiều tro bay (HVFASC) được sử dụng cho các vùng khan hiếm đá
dăm hay sỏi. Trong thành phần của HVFASC ngoài các nguyên liệu dùng cho chế tạo bê tông
cát: xi măng pooc lăng, cát thô, cát mịn, bột đá vôi, nước còn phải thêm thành phần tro bay thay
thế một phần xi măng. Bê tông cát nhiều tro bay trong nghiên cứu này áp dụng cho móng mặt
đường thay cho lớp bê tông nghèo xi măng. Đặc biệt bê tông cát nhiều tro bay tiết kiệm được
năng lượng khi trộn đổ, đầm và hoàn thiện bê tông do sự “nhỏ hóa” đường kính cốt liệu và sử
dụng cho các vùng nguồn cát dồi dào cũng như tận dụng được lượng cát hạt nhỏ (Mk<2).
Nghiên cứu sử dụng HVFASC và sử dụng cát mịn (Mk<2) để chế tạo HVFASC là một
trong các giải pháp làm bền vững công nghiệp bê tông xi măng và tăng thêm sự lựa chọn cho
người xây dựng. Đồng thời, HVFASC giải quyết được vấn đề môi trường khi sử dụng tro bay
một loại phế thải của nhà máy nhiệt điện. Trong khuôn khổ bài viết này trình bày nghiên cứu
thực nghiệm một số tính chất cơ học của HVFASC.
II. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
2.1. Tính chất của các vật liệu sử dụng
2.1.1. Cát
Cát thô (CS) được lấy cát vàng Chánh Hòa (Quảng Bình) có lượng hạt ≥0.63mm chiếm
61.76%, độ hút nước 1.86%, hàm lượng ion Cl- chiếm 0.0034% , tạp chất hữu cơ nhạt hơn màu
chuẩn. Các tính chất vật lý được mô tả trong bảng 1.
Cát mịn (FS) có nguồn gốc từ Lý Trạch (Quảng Bình) có lượng hạt <0.63mm chiếm 99%,
độ hút nước 2.01%, hàm lượng ion Cl- chiếm 0.0088%, tạp chất hữu cơ nhạt hơn màu chuẩn.
Các tính chất vật lý được trình bày trong bảng 1. Hàm lượng ion Cl- của hai loại cát này nhỏ hơn
quy định của TCVN 7570:2006 là 0.01 dùng cho kết cấu bê tong cốt thép ứng suất trước.
Cát thô và cát mịn được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định để có một loại cát hỗn hợp
đảm bảo các tính chất vật lý cũng như hóa học và thành phần hạt. Tỷ lệ phối hợp dùng cho
nghiên cứu này tỷ lệ CS/FS là 7/3 theo khối lượng. Thành phần hạt của hỗn hợp hai loại cát có
mô đun độ mịn là 2.53, hàm lượng sét 0.19% và thành phần hạt đạt yêu cầu cấp phối cho bê
tông cát.
CT 2
Bảng 1. Các tính chất vật lý của loại cát sử dụng chế tạo bê tông cát nhiều tro bay
Cát Khối lượng thể tích
xốp (g/cm3)
Khối lượng riêng
(g/cm3)
Mô đun
độ lớn Mk
Độ xốp tự
nhiên (%)
Hàm lượng
sét (%)
Cát thô
Cát mịn
Hỗn hợp
1.45
1.37
1.41
2.64
2.58
2.62
2.80
1.89
2.53
45.0
46.9
46.2
0.18
0.20
0.19
Hình 1. Các vật liệu thành phần cho HVFASC
2.1.2. Xi măng
Xi măng Nghi sơn PCB30 có khối lượng riêng là 3.1g/cm3, có tỷ diện tích bề mặt đạt: 2750
(cm2/g) và có thành phần hóa học và khoáng vật ghi trong bảng 2 và bảng 3.
Bảng 2. Thành phần hóa học của xi măng Nghi Sơn PCB30
SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3Na2O K2O CaO tự do
22.19 5.42 3.30 61.16 1.2 1.9 0.12 0.30 0.193
Bảng 3. Thành phần khoáng vật của xi măng Nghi Sơn PCB30
C3S C2S C3A C4AF Phụ gia khoáng
51.74 24.2 8.16 10.35 6.8
Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này tương đương với xi măng CEM I, hoặc ASTM
C1157 loại I.
2.1.3.Bột đá vôi và tro bay
Bột đá vôi sử dụng là bột đá vôi từ mỏ đá thuộc huyện Quảng Ninh. Hàm lượng các tạp
chất có hại trong bột đá vôi đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật quy định bột mịn cho bê tông cát
theo tiêu chuẩn NF P18-508. Bột đá vôi này có khối lượng thể tích là 1.3 g/cm3, khối lượng
riêng là 2.72 g/cm3, độ mịn Blaine đạt 3210 cm2/g. Tro bay (FA) có độ hoạt tính theo thành
phần hóa trình bày bảng sau, khối lượng thể tích là 1.118g/cm3, khối lượng riêng là 2.12 g/cm3.
Bột đá vôi và tro bay có thành hóa học được ghi trong bảng 4.
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm thành phần hóa học của bột đá vôi và tro bay CT 2
Bột SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO Na2O K2O MKN
Bột đá vôi (%) 0.17 0.02 0.04 54.88 0.45 0.02 0.04 43.46
Tro bay (%) 58.38 25.12 7.01 0.84 0.70 0.30 3.28 5.29
2.1.4. Nước và phụ gia siêu dẻo
Nước sử dụng cho bê tông cát nhiều tro bay là nước sạch, đạt tiêu chuẩn TCXDVN 302 -
2004. Phụ gia hóa dẻo trong nghiên cứu này dùng của Sika loại Visconcrete - V3000 - 10.
2.2. Thành phần các loại bê tông chế tạo và mẫu thí nghiệm
Bê tông cát trong nghiên cứu được thiết kế với cường độ yêu cầu thực tế là 15MPa. Việc
thiết kế thành phần bê tông được thực hiện theo phương pháp tính toán kết hợp với thực
nghiệm. Trong đó phần tính toán sơ bộ được thực hiện theo nguyên lý chèn đầy thể tích của
khung cốt liệu, phương pháp này đã được phân tích đánh giá tính thực tiễn và tính hiệu quả
trong tài liệu [3], thiết kế cũng tham khảo tiêu chuẩn ACI 211.1-91 và tiêu chuẩn ACI 211.4-98
để lựa chọn tỷ lệ N/X.
Bốn cấp phối bê tông cát được thiết kế: cấp phối bê tông cát không sử dụng tro bay (mẫu
đối chứng - SC0), các cấp phối bê tông cát sử dụng với hàm lượng tro bay thay thế xi măng với
lượng 30%, 40%, 50% ký hiệu lần lượt là HVFASC30, HVFASC40, HVFASC50. Thành phần
của cấp phối bê tông trình bày trong bảng 5.
Bảng 5. Bảng thành phần các cấp phối bê tông cát nhiều tro bay
Thành phần và các tính chất Bê tông cát
đối chứng
Bê tông cát
dùng 30%
tro bay
Bê tông cát
dùng 40%
tro bay
Bê tông cát
dùng 50%
tro bay
Thành phần
Xi măng loại PCB30, kg/m3360 252 238 180
Tro bay, kg/m30 108 122 180
Cát hạt thô, kg/m31155 1155 1155 1155
Cát hạt mịn, kg/m3495 495 495 495
Bột đá vôi, kg/m3125 125 125 125
Nước, lít 170 170 170 170
Phụ gia siêu dẻo, mL/m33.6 3.6 3.6 3.6
Tỷ lệ N/CKD 0.47 0.47 0.47 0.47
Tính chất bê tông tươi
Độ sụt, cm 2 3.5 5.5 4
Tính chất bê tông đông cứng
Cường độ nén 28 ngày, MPa 18.3 14.4 14.6 11.4
Cường độ nén 56 ngày, MPa 25.3 20.3 21.5 17.6
Cường độ kéo bửa 28 ngày, MPa 1.56 1.49 1.64 1.18
Cường độ kéo bửa 56 ngày, MPa 1.92 1.87 2.15 1.45
Mô đun đàn hồi 28 ngày, MPa 20,256 17,945 18,345 15,674
Ký hiệu mẫu thí nghiệm SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50
CT 2
Hỗn hợp bê tông cát nhiều tro bay được trộn theo đúng quy trình thiết kế để đảm độ sụt
theo yêu cầu. Mỗi cấp phối bê tông cát được chế tạo 06 mẫu trụ (150x300mm) để xác định
cường độ chịu nén và 06 mẫu trụ (150x300mm) để xác định cường độ kéo bửa ở các tuổi 28 và
56 ngày; 03 mẫu trụ (150x300mm) để xác định mô đun đàn hồi ở 28 ngày. Các mẫu được để
trong khuôn thép dưới nhiệt độ không khí 27±2oC sau 24 giờ tiến hành tháo khuôn và ngâm vào
bể nước với nhiệt độ chuẩn trên cho đến ngày thí nghiệm.
2.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
2.3.1. Tính công tác của HVFASC
Vì bê tông cát có nhiều hạt nhỏ (cát nhỏ và chất độn mịn) nên lượng cần dùng nước lớn
hơn so với bê tông thường. Khi dùng phụ gia hóa dẻo loại này Visconcrete -V3000-10 cho loại
xi măng Nghi Sơn PCB30 thì khả năng giảm độ sụt theo thời gian là nhỏ. Đối bê tông cát có sử
dụng nhiều tro bay, tỷ diện tích bề mặt của các loại hạt nhỏ tăng lên sẽ làm ảnh hưởng đến độ
dẻo của hỗn hợp bê tông, tuy nhiên tro bay là các hạt tròn cạnh và trơn cho nên cải thiện được
khả năng dễ đổ của bê tông khi tăng hàm lượng tro bay đến một mức phù hợp. Kết quả đo độ
sụt của các hỗn hợp bê tông cát ở hình 2.
Theo kết quả chỉ ra rằng khi không sử dụng phụ gia tro bay trong thành phần của bê tông
độ sụt cao hơn so với khi không sử dụng tro bay. Độ sụt thay đổi khi sử dụng hàm lượng tro bay
khác nhau. Với tỷ lệ tro bay thay thế là 40% cho độ sụt cao hơn so với các tỷ lệ thay thế khác.
Với độ sụt của hỗn hợp HVFASC từ 2÷6 cm phù hợp dùng để đổ móng mặt đường ôtô, hơn nữa
có thể chế tạo hỗn hợp bê tông khô dùng cho đầm chặt bằng lu sẽ tiết kiệm kinh phí hơn và
giảm thời gian chờ thi công các lớp mặt đường.
Biều đồ mối quan hệ độ sụt và tỷ lệ FA
0
1
2
3
4
5
6
SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50
Loại bê tông cát
Độ sụt của bê tông cát, cm
Hình 2. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến độ sụt bê tông cát nhiều tro bay
2.3.2. Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén của HVFASC với các hàm lượng tro bay khác nhau cho các kết quả
trình bày ở bảng 5 và hình 2.
CT 2
Biều đồ mối quan hệ cường độ nén và tỷ lệ FA
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50
Loại bê tông cát
Cường độ chịu nén, MPa
28 Ngày 56 Ngày
Hình 3. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến cường độ chịu nén của HVFASC
Tỷ lệ cường độ nén và cường độ kéo bửa đạt từ 8.8÷11.8, tỷ lệ này đối với bê tông truyền
thống là 10.5÷15.2 [7], như vậy mức độ tăng cường độ ép chẻ của bê tông cát cao hơn so với bê
tông truyền thống, hay nói cách khác cường độ ép chẻ của bê tông cát cao hơn so với bê tông
thường cùng mức cường độ chịu nén. Điều này lại lần nữa khẳng định lại nghiên cứu [4] về các
tính chất cơ học của bê tông cát thường. Căn cứ kết quả thí nghiệm cường độ nén của bê tông
cát nhiều tro bay theo thành phần trên đây, khi thay thế tro bay vào thành phần bê tông cát
cường độ bê tông cát giảm đáng kể và với tỷ lệ thay thế tro bay 40% xi măng bằng tro bay
cường độ ở 56 ngày tuổi cao hơn so với các tỷ lệ thay thế khác.