zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kiến trúc - Xây dựng

Nghiên cứu sử dụng xỉ than của công nghiệp nhiệt điện dùng chế tạo bê tông geopolymer

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu sử dụng xỉ than của công nghiệp nhiệt điện dùng chế tạo bê tông geopolymer đánh giá khả năng sử dụng xỉ than thay thế thành phần cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ trong thành phần cấp phối bê tông geopolymer. Việc thay thế xỉ than trong bê tông tăng khả năng tái sử dụng nguồn phế thải trong công nghiệp nhiệt điện, giảm chi phí xử lý môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sử dụng xỉ than của công nghiệp nhiệt điện dùng chế tạo bê tông geopolymer

TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 – Tháng 6/2022 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN CỦA CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN DÙNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG GEOPOLYMER Study on using slag in Power plant to produce geopolymer concrete 1 2 Võ Minh Nhựt và Đỗ Đại Thắng 1 Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Long An, Việt Nam nhuttt.sk@gmail.com 2 Đại học Quốc gia TP.HCM, Việt Nam ddthang@vnuhcm.edu.vn Tóm tắt — Vật liệu geopolymer có khả năng sử dụng các nguyên liệu phế thải chứa alumino-silicate để thay thế cho vật liệu xây dựng truyền thống. Nghiên cứu này sử dụng xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện để làm nguyên liệu thay thế cho cốt liệu và chất kết dính để chế tạo bê tông geopolymer. Thành phần xỉ than sử dụng thay thế cát và đá lần lượt là 25, 50, 75 và 100% theo khối lượng. Dung dịch hoạt hóa được sử dụng để hoạt tính và đóng rắn trong bê tông geopolymer dưới tác dụng của nhiệt độ. Kêt quả thực nghiệm cho thấy xỉ than có khả năng thay thế cho các thành phần cốt liệu trong bê tông geopolymer đạt yêu cầu về cường độ. Abstract — Geopolymer material is known that can be activated alumini-silicate in waste to produce building materials. In this research, the slag in power plant is used as aggregate to replace in mix proportion of concrete. Hence, fly ash is also used as binder in mix proportion. Slag in range from 25, 50, 75 to 100% by weight are investigated. The alkaline solution is used to activated in geopolymer processing. Geopolymer concrete is obtained by curing codition. In the results, geopolymer concrete can be obtained strength by replacement of slag in aggregate and mix proportion. Từ khóa — Bê tông geopolymer, xỉ than, tro bay, Geopolymer concrete, coal slag. 1. Đặt vấn đề Việc tái chế các loại nguyên liệu trong xây dựng nhằm giải quyết vấn đề chất thải rắn và nguồn nguyên liệu thay thế cho cốt liệu trong chế tạo vật liệu xây dựng là giải quyết vấn đề xây dựng bền vững và hạn chế khai thác tài nguyên. Các nhà máy nhiệt điện than là nguồn phát thải lớn nhất trong lĩnh vực năng lượng và là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí. Trong tình trạng vấn đề biến đổi khí hậu được quan tâm nhiều như hiện nay, việc sử dụng các phế thải tro bay và xỉ than của nhà máy nhiệt điện để thay thế hoàn toàn xi măng chế tạo bê tông nhằm bảo vệ môi trường là điều rất cần thiết. Mỗi loại công nghệ đốt đi kèm với mỗi loại than sẽ cho ra tỷ lệ tro xỉ và hàm lượng các chất còn lại trong tro xỉ cũng khác nhau. Tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện than của Việt Nam có thành phần chủ yếu là ôxít kim loại và hàm lượng các bon còn lại trong tro. Về công nghệ thải xỉ, một số nhà máy dùng công nghệ thải xỉ ướt sử dụng nước biển để thải hỗn hợp tro, xỉ ra bãi chứa dẫn tới tro, xỉ bị nhiễm mặn, gây khó khăn trong quá trình xử lý, tiêu thụ. Ngoài ra, một số nhà máy thải xỉ bằng công nghệ ướt nhưng trộn lẫn tro và xỉ vào nước và bơm ra bãi chứa, dẫn tới tro, xỉ lẫn lộn gây khó khăn trong quá trình xử lý, sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng (Nguyễn Viết Trung và Nguyễn Ngọc Long, 2004; Nguyễn Thanh Tùng và cộng sự, 2010; Viện Vật liệu xây dựng, 2016). Davidovits (2001) đã dùng thuật ngữ geopolymer để giới thiệu một loại polymer mới được tổng hợp từ những khoáng vật thuộc nhóm aluminosilicate. Thành phần chủ yếu của geopolymer là các nguyên tố Si2+, Al3+ và O2- có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên như đất sét, canh lanh hoặc sản phẩm sản xuất từ sản xuất tro bay, xỉ lò cao. Vật liệu geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình. Cấu trúc hóa học vô định hình của geopolymer cơ bản được tạo thành từ mạng lưới cấu trúc của những Alumino – 67
TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 – Tháng 6/2022 Silicate hay còn gọi là Poly – Sialate. Các nguồn nguyên liệu Alumino-Silicate khác cũng đã được nghiên cứu các thành phần hoạt hóa để chế tạo geopolymer. Trong số các phế phẩm của các nhà máy công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp nhiệt điện sử dụng than, tro bay và xỉ thải là nguồn vật liệu tiềm năng của công nghệ geopolymer. Sự kết hợp giữa potassium hydroxite và sodium silicate được dùng làm dung dịch hoạt hóa geopolymer. Dung dịch hoạt hóa là một yếu tố có ảnh hưởng lớn đến cường độ cơ học và sự kết hợp này đã đem lại cường độ cao nhất cho geopolymer. Các thành phần hoạt hóa, kích thước hạt, hàm lượng calcium, hàm lượng kim loại kiềm, hàm lượng vô định hình, hình thái và nguồn gốc của nguyên liệu chứa alumino-silicate ảnh hưởng đến các đặc tính của geopolymer (Davidovits, 2011; Kim, 2015; Kim và cộng sự, 2016). Nghiên cứu này đánh giá khả năng sử dụng xỉ than thay thế thành phần cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ trong thành phần cấp phối bê tông geopolymer. Việc thay thế xỉ than trong bê tông tăng khả năng tái sử dụng nguồn phế thải trong công nghiệp nhiệt điện, giảm chi phí xử lý môi trường. 2. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp thực hiện 2.1. Tro bay Tro bay sử dụng loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0.08 mm. Thành phần hóa học cho trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO SO3 MKN % Khối lượng 53,9 34,5 4,0 1,0 0,3 0,81 0,25 9,63 Ghi chú: MKN - Mất khi nung. 2.2. Cốt liệu Cốt liệu nhỏ được sử dụng có khối lượng riêng 2,61 g/cm3, khối lượng thể tích 1,45 g/cm3, modun độ lớn 1,8. Cốt liệu lớn có kích thước Dmax là 20 mm, khối lượng riêng 2,72 g/cm3, khối lượng thể tích 1,62 g/cm3. 2.3. Xỉ than Xỉ than được lấy từ nhà máy nhiệt điện theo công nghệ đốt than phụn, thành phần hạt được gia công và sàng qua sàng 10 mm và sàng 5mm, khối lượng riêng 2,3 g/cm3. 2.4 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa sodium hydroxide và sodium silicat. Sodium silicate là dung dịch có tổng hàm lượng Na2O và SiO2 là 38%, tỷ trọng 1.42  0.01 g/ml. Dung dịch sodium hydroxide có nồng độ 10 Mol. Trong thành phần dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ sodium silicate-sodium hydroxit là 1-1 theo khối lượng. 2.5. Phương pháp thực nghiệm và thành phần cấp phối Bê tông được chế tạo có cấp độ bền thiết kế B25 theo TCVN 5574:2018. Tro bay được sử dụng lần lượt là 300, 400 và 500 kg/m3. Thành phần xỉ than thay thế cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn lần lượt là 25, 50, 75 và 100% theo khối lượng. Thành phần cấp phối của bê tông được trình bày trong bảng 2. Nhào trộn khô các thành phần nguyên liệu sau khi định lượng như đá, cát, tro bay trong vòng 2 phút bằng máy trộn. Hỗn hợp dung dịch hoạt hóa bao gồm sodium silicat và sodiumhydroxit đã chuẩn bị trước được đổ vào hỗn hợp trộn khô lúc nãy. Quá trình nhào trộn ướt trong khoảng 3 phút bằng máy trộn. Hỗn hợp bê tông được xác định độ sụt theo TCVN 68
TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 – Tháng 6/2022 3106-1993. Sau đó hỗn hợp bê tông được chế tạo trong khuôn hình trụ theo TCVN 10303-2014 và dưỡng hộ trong lò sấy ở nhiệt độ 8000C trong 8 giờ. Bảng 2. Thành phần cấp phối bê tông Xỉ nhỏ Xỉ lớn Cấp phối Tỷ lệ (%) TB (kg) C (kg) Đ (kg) DD (lít) (kg) (kg) BT1 0 300 0 0 750 1150 250 BT2 0 400 0 0 730 1070 250 BT3 0 500 0 0 690 1030 250 BT1C1 25 300 187,5 0 562,5 1150 250 BT1C2 50 300 375 0 375 1150 250 BT1C3 75 300 562,5 0 187,5 1150 250 BT1C4 100 300 750 0 0 1150 250 BT1D1 25 300 0 287,5 750 862,5 250 BT1D2 50 300 0 575 750 575 250 BT1D3 75 300 0 862,5 750 287,5 250 BT1D4 100 300 0 1150 750 0 250 Ghi chú: TB: tro bay; C: Cát; Đ: đá; DD: Dung dịch hoạt hóa. 3. Kết quả nghiên cứu và đánh giá 3.1. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của bê tông geopolymer Thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của hỗn hợp bê tông geopolymer cho thấy khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông có sự thay đổi theo hàm lượng tro bay. Hình 1a cho thấy khi hàm lượng tro bay sử dụng là 300 kg thì độ sụt đạt 12 cm. Khi hàm lượng tro bay tăng đến 400 kg và 500 kg thì độ sụt giảm còn 10 cm và 7 cm. Kết quả cho thấy hàm lượng tro bay làm giảm khả năng linh động của hỗn hợp bê tông do sự tương tác của dunh dịch hoạt hóa và các hạt tro bay. 14 31 3.35 y = -2.5x + 14.667 Cường độ nén 12 R² = 0.9868 3.3 30 Cường độ uốn Cường độ nén (N/mm2) Cường độ uốn (N/mm2) 10 3.25 29 Độ sụt (cm) 8 3.2 28 6 3.15 27 4 3.1 2 26 3.05 0 25 3 300 400 500 300 400 500 Hàm lượng tro bay (Kg/m3) Tro bay (Kg/m3) a) b) Hình 1. Ảnh hưởng tro bay đến tính chất của bê tông geopolymer 69
TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 – Tháng 6/2022 Thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến tính chất cường độ của bê tông geopolymer cho thấy bê tông sử dụng 300 kg tro bay có khả năng đạt cường độ nén và uốn khoảng 27 N/mm2 và 3,1 N/mm2 sau 8 giờ dưỡng hộ ở nhiệt độ 8000C như trong hình 2b. Cấp phối bê tông dùng 400 kg tro bay có khả năng đạt cường độ nén và uốn là 28 N/mm2 và 3,2 N/mm2. Cấp phối dùng 500 kg tro bay cho cường độ hoạt hóa đạt hơn 30 N/mm2 và 3,3 N/mm2. Việc cấp phối sử dụng tro bay càng nhiều thì cường độ có xu hướng tăng thêm cho thấy các thành phần oxit hoạt tính trong tro bay được tăng cường có khả năng phản ứng tạo chuỗi polymer tốt hơn, làm cho cường độ được phát triển tốt hơn. Thành phần tro bay hoạt hóa với dung dịch làm cho bê tông đạt yêu cầu về cường độ nén và uốn. 3.2. Ảnh hưởng xỉ than thay thế cốt liệu nhỏ đến tính chất bê tông geopolyme 14 30 29 12 y = 0.1429x2 - 1.8571x + 13.8 28 R² = 0.9524 Cường độ nén (N/mm2) 10 27 y = -0.2143x2 + 0.1657x + 26.82 R² = 0.9745 Độ sụt (cm) 26 8 25 6 24 4 23 22 2 21 0 20 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 Xỉ than thay thế cát (%) Xỉ than thay thế cát (%) a) b) Hình 2. Ảnh hưởng của xỉ than thay thế cốt liệu nhỏ đến tính chất bê tông geopolymer Kết quả thực nghiệm trình bày trong hình 3a cho thấy khả năng linh động của hỗn hợp bê tông có xu hướng thay đổi khi xỉ than thay thế thành phần cát. Khi hàm lượng xỉ than thay thế lần lượt 25 đến 100% thì độ sụt có xu hướng giảm dần từ 12 cm xuống 8 cm, giảm khoảng 25% khả năng linh động của hỗn hợp bê tông tro bay. Điều này cho thấy thành phần xỉ than có cấu trúc bề mặt rỗng và xốp nên khi thay thế thành phần cát có xu hướng làm cho hỗn hợp bê tông giảm tính công tác. Thực nghiệm trên hình 2b cho thấy cường độ chịu nén của bê tông tro bay có xu hướng giảm dần khi sử dụng xỉ than thay thế cho cát. Khi hàm lượng xỉ than lần lượt sử dụng thay thế 25 đến 100% thì cường độ nén hoạt hóa giảm dần từ 27 N/mm2 xuống còn 22 N/mm2, giảm khoảng 20%. 3.3. Ảnh hưởng của xỉ than thay thế cốt liệu lớn đến tính chất bê tông geopolymer Kết quả thực nghiệm trình bày trong hình 4a cho thấy khả năng linh động của hỗn hợp bê tông có xu hướng thay đổi khi xỉ than thay thế thành phần đá. Khi hàm lượng xỉ than thay thế lần lượt 25 đến 100% thì độ sụt có xu hướng giảm dần từ 12 cm xuống 5 cm, giảm khoảng 60% khả năng linh động của hỗn hợp bê tông tro bay. Điều này cho thấy thành phần xỉ than có cấu trúc bề mặt rỗng và xốp nên khi thay thế thành phần đá có xu hướng làm cho hỗn hợp bê tông giảm nhanh tính công tác. Đồng thời, cấu trúc bề mặt xốp của xỉ than cũng làm cho khả năng chuyển động của cốt liệu trong môi trường tro bay – dung dịch bị giảm. 70
TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 – Tháng 6/2022 14 29 12 27 Cường độ nén (N/mm2) 10 25 y = 0.1214x2 - 2.4786x + 28.98 y = 0.2857x2 - 3.5143x + 15.4 R² = 0.9911 Độ sụt (cm) 8 R² = 0.9866 23 6 21 4 19 2 17 0 15 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 Xỉ than thay thế đá (%) Xỉ than thay thế đá (%) a) b) Hình 3. Ảnh hưởng của xỉ than thay thế cốt liệu lớn đến tính chất bê tông geopolymer Hình 3b cho thấy cường độ chịu nén của bê tông tro bay có xu hướng giảm dần khi sử dụng xỉ than thay thế cho đá. Khi hàm lượng xỉ than lần lượt sử dụng thay thế 25 đến 100% thì cường độ nén hoạt hóa giảm dần từ 27 N/mm2 xuống còn 20 N/mm2, giảm đến 30%. 4. Kết luận Hàm lượng tro bay của phế thải nhiệt điện có khả năng hoạt hóa với dung dịch geopolymer tạo cường độ cho bê tông. Hàm lượng tro bay càng tăng thì cường độ có xu hướng được tăng cường. Xỉ than dùng thay thế cốt liệu nhỏ với hàm lượng 25 đến 100% làm giảm độ dẻo của bê tông và giảm cường độ khoảng 20%. Xỉ than dùng thay thế cốt liệu lớn với hàm lượng 25 đến 100% làm giảm rõ rệt khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông geopolymer và giảm cường độ khoảng 30%. Thành phần cấp phối bê tông geopolymer dùng tro bay và xỉ than có khả năng hoạt hóa tạo cường độ đạt yêu cầu B15 theo TCVN 5574-2018. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Trung và Nguyễn Ngọc Long (2004). Phụ gia và hóa chất dùng cho bê tông Việt Nam. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. [2] Nguyễn Thanh Tùng và cộng sự, (2010). Nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại từ công nghệ tuyển nổi của Công ty Cổ phần Cao Cường – Sông Đà 12 để chế tạo bê tông chất lượng cao, bê tông tự đầm và bê tông bền trong môi trường xâm thực. Viện Vật liệu xây dựng, Hà Nội. [3] Viện Vật liệu xây dựng (2016). Điều tra, khảo sát đánh giá và đề xuất giải pháp sử dụng triệt để nguồn tro xỉ nhiệt điện trong sản xuất vật liệu xây dựng, Hà Nội. [4] Davidovits, J. (2011). Geopolymer Chemistry and Applications. Saint-Quentin, France, 5th edition, Geopolymer Institute. [5] Kim, H. K. (2015). Utilization of sieved and ground coal bottom ash powders as a coarse binder in high-strength mortar to improve workability. Constr Build Mater, N.91, pp:57-64. [6] Kim, Y., Dang, M.Q. & Do, T.M. (2016). Studies on compressive strength of sand stabilized by alkali-activated ground bottom ash and cured at the ambient conditions. Geo-Engineering, 7:15. Ngày nhận: 30/3/2022 Ngày duyệt đăng: 30/5/2022 71

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2428 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.