Hiệu quả dùng xỉ than thay cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa

Thiết bị thí nghiệm vệt hằn bánh xe (từ trái qua phải: máy trộn hỗn hợp BTN, máy đầm tạo mẫu và Hamburg Wheel Tracket)

Xỉ than là khái niệm chung dùng để chỉ tới bất kì vật liệu rắn hoặc chất thải như tro bay, xỉ đáy, xỉ lò hơi… được tạo ra chủ yếu từ quá trình đốt than. Khi than được nghiền nhỏ và đốt trong lò, khoảng 80% lượng thoát ra khỏi lò đốt ra là tro bay và 20% còn lại trong lò là xỉ đáy lò. Cùng với sự gia tăng của nhu cầu năng lượng, lượng tro xỉ phát thải cũng tỉ lệ thuận với lượng than được sử dụng, khiến việc xử lý vấn đề kho bãi và giảm thiểu các ô nhiễm môi trường do xỉ than gây ra gặp nhiều khó khăn. Tại nước ta, theo báo cáo của Tập đoàn Than Khoáng sản Việt Nam, 1 kW điện sử dụng nguyên liệu than cám sẽ thải ra 0,9 - 1,5 kg tro xỉ. Hiện tại, lượng tro xỉ phát sinh từ 23 nhà máy nhiệt điện lớn là khoảng 12,2 triệu tấn/năm và mới chỉ xử lý được 4 triệu tấn/năm [1]. Hầu hết phần tro xỉ còn lại tồn tại ở các bãi chứa đang ngày càng bị thu hẹp, gây tác động xấu đến nguồn nước và môi trường. Nhìn lại cách giải quyết bài toán tro xỉ trên thế giới, những nước xử lý tro xỉ thành công tiêu biểu có thể kể đến như Anh đã nhập khẩu xỉ than, Nhật Bản (100%), Hàn Quốc (93%), đã tận dụng xỉ than như một nguồn nguyên liệu thứ sinh thay thế vật liệu tự nhiên. Theo báo cáo thống kê năm 2011 của ECOBA [2] lượng tro bay được tái sử dụng là 17,7 triệu tấn, lượng xỉ đáy lò là 2,4 triệu tấn trên tổng số 59 triệu tấn sản phẩm từ tro xỉ của hiệp hội này. Trong đó, 27,7% tro bay và 41,2% xỉ đáy lò được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng đường và san lấp. Do đó, việc tái sử dụng xỉ than nói chung, xỉ đáy lò nói chung và trong lĩnh vực GTVT nói riêng là một việc làm cần thiết để tận dụng tiết kiệm được nguồn tài nguyên thiên nhiên, góp phần bảo vệ môi trường .

Trong hỗn hợp BTN, xỉ đáy lò đã được nghiên cứu ứng dụng vào ở nhiều nơi trên thế giới. Một số thành tựu nghiên cứu tiêu biểu có thế kể đến như Benson Craig H. và Bradsha (2011) [3] khảo sát và hướng dẫn sử dụng xỉ than trong BTN. Kết luận của một số nhà nghiên cứu Gunalaan Vasudevan [4], Amir Modarres [5,6,7] cho thấy sử dụng xỉ than cho kết quả độ ổn định Marshall và cường độ chịu kéo gián tiếp tương đương, thậm chí cao hơn so với BTN thông thường. Thí nghiệm kiểm tra thay thế một phần cốt liệu trong hỗn hợp BTN từ 10% đến 30% của Byung Soo Yoo cho thấy, BTN sử dụng xỉ than có độ bền mỏi tăng nhẹ so với mẫu BTN thông thường [8]. Ngoài ra, các kết quả thí nghiệm trong phòng từ những năm 1999 của Ksaibati [9], D’Andrea trong năm 2012 [10] kiểm tra độ mài mòn và vệt hằn bánh xe cũng cho kết quả rất khả quan cho phép đề xuất ứng dụng BTN xỉ than trong kết cấu áo đường mềm. Colonna [11] trộn hỗn hợp BTN chứa 15%, 20%, 25% tro xỉ với hàm lượng nhựa không đổi là 4,5% và kết quả cho các mẫu thí nghiệm độ cứng Marshall, mài mòn Cantabro và độ rỗng tương đương BTN thông thường.

Tại Việt Nam hiện nay, nghiên cứu ứng dụng xỉ than còn chưa nhiều do nhiều nghiên cứu tập trung chủ yếu vào sử dụng tro làm phụ gia xi măng, vật liệu gia cố nền, vật liệu san lấp, làm gạch ngói không nung, gạch bê tông nhẹ, gạch bê tông chưng áp... Lượng chất thải xỉ đáy lò từ các nhà máy nhiệt điện và lò hơi công nghiệp mới chỉ được bắt đầu quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Đáng chú ý trong các nghiên cứu về BTN sử dụng xỉ than là báo cáo của nhóm tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn, Võ Đức Đại trong Hội nghị SEATUC 2017 [12]. Bằng việc sử dụng nguồn nguyên liệu địa phương thay thế xỉ than dưới sàng 4,75 mm cho BTN có cỡ hạt danh định lớn nhất 12,5 mm, các tác giả đã đưa ra các kết quả độ ổn định Marshall, cường độ ép chẻ, độ mài mòn Cantabro của các hỗn hợp BTN sử dụng xỉ thay thay thế đều đáp ứng yêu cầu theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

Nhằm mục đích đưa ra các đánh giá toàn diện hơn cho BTN sử dụng xỉ than, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu trước theo hướng kháng lún trồi và mô-đun đàn hồi tĩnh cho BTN có cốt liệu mịn được thay một phần bằng xỉ than. Các thành phần thay thế cốt liệu mịn bằng xỉ than với các tỷ lệ là 15, 20, 25, 30% được thực hiện và trình bày trong bài báo này.

Công trình  nghiên cứu hữu ích này do PGS. TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN; KS. LÊ THỊ THU THỦY; ThS. NCS. HOÀNG NGỌC TRÂM Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh thực hiện.

Nội dung bài khoa học tại đây.