Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu sử dụng hợp lý tro thải của nhà máy nhiệt điện đốt than trong xây dựng đường ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm ứng dụng có hiệu quả tro bay để gia cố vật đất, đá làm móng mặt đường ô tô với các vấn đề: Thông qua các thí nghiệm trong phòng nhằm phân tích đánh giá lựa chọn tỷ lệ hợp lý đất, đá kết hợp tro thải nhiệt điện đốt than gia cố xi măng. Thi công thử nghiệm tại hiên trường, đưa ra chỉ dẫn định hướng thiết kế và thi công cho loại kết cấu lựa chọn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu sử dụng hợp lý tro thải của nhà máy nhiệt điện đốt than trong xây dựng đường ô tô

-I- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải; Viện Khoa học và Công nghệ giao thông vận tải; Ban Xây dựng nông thôn mới – Tỉnh Quảng Ninh; Công ty Nhiệt điện Cao Ngạn – Vinacomin; Công ty Nhiệt điện Na Dƣơng; Phòng Đào tạo Sau đại học; Trung tâm khoa học công nghệ GTVT; Khoa công trình; Bộ môn Đƣờng bộ; Bộ môn Đƣờng Ô tô và Sân bay; Bộ môn Công trình giao thông công chính; Bộ mônVật liệu xây dựng... Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất đến các giáo viên hƣớng dẫn là PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và PGS.TS Trần Thị Kim Đăng đã hết sức tận tình góp ý và định hƣớng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu của luận án. Xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công trình, Bộ môn Đƣờng Bộ, Bộ môn Đƣờng Ô tô và Sân bay, Bộ môn Công trình giao thông công chính và Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để tác giả hoàn thành luận án này. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những ngƣời thân luôn ở bên tôi. Hà Nội, 8/2016
-II- CỘNG HOÀ XÃ H ỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------&-------------- Hà Nội, ngày 01 tháng 8 năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án
-III- MỤC LỤC Danh mục hình ảnh, biểu đồ Danh mục các bảng Danh mục các chữ viết tắt MỞ ĐẦU......................................................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRO THẢI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ ........................................................ 8 1.1. Tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................................................ 8 1.1.1. Nguồn gốc tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................... 8 1.1.2. Tính chất của tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than ......................................... 11 1.1.3. Tro thải và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ........................................................... 19 1.2. Các nghiên cứu sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than trong xây dựng đƣờng ô tô ........................................................................................................................................ 21 1.2.1. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than làm vật liệu xây dựng đƣờng ô tô trên thế giới ................................................. 21 1.2.2. Các nghiên cứu và các ứng dụng thực tế sử dụng tro bay làm vật liệu xây dựng mặt đƣờng ô tô tại Việt Nam ............................................................................ 32 1.3. Định hƣớng sử dụng tro thải trong đề tài nghiên cứu ................................................ 34 1.3.1. Loại tro thải lựa chọn sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 34 1.3.2. Tình hình sử dụng vật liệu địa phƣơng trong xây dựng đƣờng ô tô................ 36 1.3.3. Giải pháp ứng dụng đƣợc lựa chọn nghiên cứu .............................................. 37 1.4. Kết luận chƣơng 1: ..................................................................................................... 38 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO THẢI KẾT HỢP VỚI ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ ................................................................................................................40 2.1. Lý thuyết gia cố đất sử dụng chất kết dính vô cơ ....................................................... 40 2.1.1. Cơ sở lý thuyết và quá trình hình thành cƣờng độ của đất gia cố chất kết dính vô cơ .......................................................................................................................... 40 2.1.2. Yêu cầu của vật liệu đất, cát gia cố chất kết dính vô cơ ................................. 47 2.1.3. Đánh giá hỗn hợp vật liệu kết hợp tro thải gia cố xi măng ............................. 49
-IV- 2.2. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng về giải pháp sử dụng tro thải với đất gia cố xi măng trong xây dựng đƣờng ô tô ...................................................................................... 53 2.2.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu: ............................................................... 53 2.2.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 55 2.2.3. Đánh giá khả năng sử dụng tro thải kết hợp với đất gia cố xi măng làm móng đƣờng ô tô .................................................................................................................. 59 2.3. Nghiên cứu khả năng sử dụng tro thải kết hợp cát gia cố xi măng trong xây dựng đƣờng ô tô .......................................................................................................................... 59 2.3.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu ................................................................ 60 2.3.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 62 2.3.3. Đánh giá khả năng sử dụng tro thải kết hợp với cát gia cố xi măng làm móng đƣờng ô tô .................................................................................................................. 66 2.4. Nghiên cứu khả năng sử dụng tro thải chế tạo hỗn hợp vữa tro thải + xi măng làm vật liệu tự đầm trong xây dựng đƣờng ô tô ............................................................................. 67 2.4.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu ................................................................ 67 2.4.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 69 2.4.3. Đánh giá khả năng sử dụng hỗn hợp vữa cát, tro bay chƣa qua xử lý và xi măng làm vật liệu đắp trong xây dựng đƣờng ô tô dƣới dạng vật liệu tự đầm ......... 71 2.5. Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................... 71 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO THẢI KẾT HỢP VỚI ĐÁ TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ ................................................................................................................73 3.1. Nghiên cứu sử dụng tro thải kết hợp cấp phối đá dăm ............................................... 73 3.1.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu ................................................................ 73 3.1.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 75 3.1.3. Đánh giá khả năng sử dụng tro thải kết hợp cấp phối đá dăm ........................ 76 3.2. Nghiên cứu sử dụng tro thải kết hợp đá thải .............................................................. 77 3.2.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu ................................................................ 77 3.2.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 79
-V- 3.2.3. Đánh giá khả năng sử dụng tro thải kết hợp với đá thải trong xây dựng đƣờng ô tô ............................................................................................................................. 83 3.3. Nghiên cứu sử dụng tro thải chế tạo vật liệu đá dăm chèn vữa trong xây dựng đƣờng ô tô ..................................................................................................................................... 84 3.3.1. Các thông tin cơ bản về nghiên cứu ................................................................ 84 3.3.2. Thành phần vữa xi măng – tro thải theo mục tiêu độ công tác của vữa .......... 86 3.3.3. Thành phần vữa xi măng – tro thải theo mục tiêu cƣờng độ vữa ................... 89 3.3.4. Lựa chọn thành phần vữa xi măng – tro thải sử dụng làm vật liệu gia cố móng đá dăm ....................................................................................................................... 92 3.3.5. Chế tạo và xác định một số chỉ tiêu cơ bản của vật liệu đá dăm chèn vữa xi măng tro thải .............................................................................................................. 93 3.3.6. Thử nghiệm trên mẫu mô phỏng và vật liệu sử dụng .................................... 100 3.3.7. Đánh giá khả năng sử dụng hỗn hợp đá dăm chèn vữa xi măng tro thải làm móng mặt đƣờng ô tô............................................................................................... 102 3.4. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................... 103 CHƢƠNG 4 THỬ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG SỬ DỤNG TRO THẢI KẾT HỢP XI MĂNG GIA CỐ VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG LÀM MÓNG ĐƢỜNG Ô TÔ ......................105 4.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................... 105 4.2. Đề cƣơng thực nghiệm hiện trƣờng .......................................................................... 107 4.3. Triển khai thực nghiệm............................................................................................. 108 4.3.1. Thí nghiệm với đất chƣa gia cố: .................................................................... 108 4.3.2. Thí nghiệm với đất gia cố xi măng kết hợp tro thải: ..................................... 110 4.3.3. Thi công đoạn thử nghiệm............................................................................. 112 4.4. Định mức và đơn giá thi công đất gia cố xi măng kết hợp tro thải .......................... 118 4.4.1. Định mức thi công ......................................................................................... 118 4.4.2. Đơn giá theo định mức xây dựng .................................................................. 119 4.5. Đánh giá ban đầu thử nghiệm hiện trƣờng đất gia cố xi măng kết hợp tro thải ....... 120 4.5.1. Đánh giá qua thí nghiệm hiện trƣờng trong quá trình thi công ..................... 120 4.5.2. Thí nghiệm trên mặt đƣờng hoàn thành ........................................................ 121
-VI- 4.5.3. Kết luận từ thử nghiệm hiện trƣờng đất gia cố xi măng kết hợp với tro thải 122 4.6. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................... 124 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ DỰ KIẾN HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC ................125 Các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo Phần phụ lục
-VII- DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1-1 Thu hồi tro xỉ trong nhà máy nhiệt điện............................................................... 9 Hình 1-2 Hình ảnh của tro đáy và tro bay ......................................................................... 10 Hình 1-3 Hình ảnh của tro chƣa và đã xử lý tách than ...................................................... 11 Hình 1-4 Cấu trúc hạt tro bay đƣợc phóng đại 2000 lần ................................................... 11 Hình 1-5 Màu sắc của các loại tro khác nhau .................................................................... 12 Hình 1-6 Hình ảnh phóng đại của tro bay(trái) và xi măng Pooclăng(phải) ..................... 13 Hình 1-7 Ảnh chụp từ trên không trƣớc và sau khi xảy ra sự cố vỡ đê bao bãi thải tro xỉ nhà máy điện Kingston. ..................................................................................................... 20 Hình 1-8 Bãi xỉ than của nhà máy Ninh Bình ................................................................... 20 Hình 1-9 Tro bay cải thiện tính công tác của bê tông xi măng làm mặt đƣờng ................ 22 Hình 1-10 Cƣờng độ theo ngày tuổi của bê tông tro bay và bê tông thƣờng .................... 22 Hình 1-11 Thiết bị xới, trộn trong gia cố tro bay làm móng mặt đƣờng ........................... 24 Hình 1-12 Một số ứng dụng của vật liệu tự đầm ............................................................... 25 Hình 1-13 Thi công tro thải làm nền đƣờng ...................................................................... 25 Hình 1-14 Thi công cát gia cố tro bay ............................................................................... 26 Hình 1-15 Thi công lớp bê tông nhựa sử dụng chất độn mịn tro bay ............................... 27 Hình 1-16 Thi công vữa chèn khe trong duy tu mặt đƣờng .............................................. 27 Hình 1-17 Trình tự đúc mẫu tro bay – thạch cao .............................................................. 28 Hình 1-18 Sử dụng tro thải làm gạch xây nhà, tƣờng rào, sân.... ...................................... 32 Hình 1-19 Xây dựng mặt đƣờng thử nghiệm BTXM (70%XM + 30% TB). ................... 33 Hình 2-1 Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều ............... 40 Hình 2-2 Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét - keo ................................... 42 Hình 2-3 Xác định cƣờng độ chịu kéo gián tiếp bằng ép chẻ mẫu hình trụ ...................... 50 Hình 2-4 Thành phần hạt đất mỏ Đống Mít ...................................................................... 56
-VIII- Hình 2-5 Độ ẩm tốt nhất, khối lượng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải kết hợp đất với các hàm lượng khác nhau ............................................................................................ 57 Hình 2-6 CBR, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải kết hợp đất với các hàm lƣợng khác nhau ................................................................................................................ 57 Hình 2-7 Mẫu tro thải kết hợp đất bị vỡ trong quá trình ngâm bão hòa .......................... 58 Hình 2-8 Cƣờng độ nén của mẫu tro thải kết hợp đất gia cố 4% XM với các hàm lƣợng khác nhau ........................................................................................................................... 58 Hình 2-9 Thành phần hạt cát sông Hồng ........................................................................... 63 Hình 2-10 Độ ẩm tốt nhất, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải kết hợp cát với các hàm lƣợng khác nhau ............................................................................................ 63 Hình 2-11 CBR, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải kết hợp cát với các hàm lƣợng khác nhau......................................................................................................... 64 Hình 2-12 Mẫu cát gia cố tro thải bị vỡ trong quá trình ngâm bão hòa ............................ 65 Hình 2-13 - Cƣờng độ nén của mẫu tro thải kết hợp cát gia cố 3% XM với các hàm lƣợng khác nhau ........................................................................................................................... 66 Hình 2-14 Đắp trả hố móng trong duy tu sửa chữa đƣờng ô tô bằng vật liệu tự đầm....... 67 Hình 2-15 Thí nghiệm xác định độ linh động của hỗn hợp vữa tro bay tự đầm ............... 69 Hình 2-16 Cƣờng độ nén Rn nhóm mẫu ở các ngày tuổi khác nhau ................................ 70 Hình 2-17 Mô đun đàn hồi Eđh nhóm mẫu ở các ngày tuổi khác nhau ............................. 70 Hình 2-18 Sức chịu tải CBR nhóm mẫu ở ngày tuổi 28(+4)............................................. 71 Hình 3-1 Đƣờng cong cấp phối thiết kế của CPĐD .......................................................... 75 Hình 3-2 Độ ẩm tốt nhất, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải Cao Ngạn kết hợp CPĐD với các hàm lƣợng khác nhau ......................................................................... 75 Hình 3-3 Kết quả thí nghiệm CBR và Eđh của mẫu tro thải Cao Ngạn kết hợp CPĐD với các hàm lƣợng khác nhau .................................................................................................. 76 Hình 3-4 Thành phần hạt Đá thải Tam Điệp – Ninh Bình ................................................ 80 Hình 3-5 Thành phần hạt Đá thải Đồng Mỏ – Lạng Sơn .................................................. 81
-IX- Hình 3-6 Độ ẩm tốt nhất, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải Ninh Bình và đá thải Tam Điệp với các hàm lƣợng khác nhau ............................................................... 81 Hình 3-7 Độ ẩm tốt nhất, khối lƣợng thể tích khô lớn nhất của mẫu tro thải Na Dƣơng và đá thải Đồng Mỏ với các hàm lƣợng khác nhau ................................................................ 82 Hình 3-8 Kết quả thí nghiệm CBR và Eđh của mẫu tro thải Ninh Bình và đá thải Tam Điệp với các hàm lƣợng khác nhau ................................................................................... 82 Hình 3-9 Kết quả thí nghiệm CBR và Eđh của mẫu tro thải Na Dƣơng và đá thải Đồng Mỏ với các hàm lƣợng khác nhau ............................................................................................ 83 Hình 3-10 Đồ thị các điều kiện theo phân tích ANOVA .................................................. 87 Hình 3-11 Đồ thị ảnh hƣởng các nhân tố chính đến độ chảy ............................................ 88 Hình 3-12 Đồ thị ảnh hƣởng tƣơng tác các nhân tố chính đến độ chảy ............................ 88 Hình 3-13 Bảo dƣỡng và nén mẫu vữa.............................................................................. 89 Hình 3-14 Đồ thị các điều kiện theo phân tích ANOVA .................................................. 90 Hình 3-15 Đồ thị ảnh hƣởng các nhân tố chính đến R28 .................................................. 91 Hình 3-16 Đồ thị ảnh hƣởng tƣơng tác các nhân tố chính đến R28 .................................. 91 Hình 3-17 Thành phần cốt liệu thô lựa chọn thí nghiệm................................................... 94 Hình 3-18 Đánh giá tính tƣơng đồng về ý nghĩa thống kê theo phân tích T-tests. ........... 95 Hình 3-19 Quá trình thí nghiệm cƣờng độ nén. ................................................................ 97 Hình 3-20 Biểu đồ cƣờng độ nén theo phân tích ANOVA. .............................................. 97 Hình 3-21 Quá trình thí nghiệm cƣờng độ ép chẻ. ............................................................ 98 Hình 3-22 Biểu đồ cƣờng độ ép chẻ theo phân tích ANOVA........................................... 99 Hình 3-23 Quá trình thí nghiệm Eđh. ................................................................................. 99 Hình 3-24 Biểu đồ Mô đun đàn hồi theo phân tích ANOVA.......................................... 100 Hình 3-25 Quá trình đầm thử nghiệm khuôn lớn ............................................................ 100 Hình 4-1 Vị trí của hiện trƣờng thử nghiệm .................................................................... 108 Hình 4-2 Tập kết đất và phay làm tơi đất ........................................................................ 113
-X- Hình 4-3 Rải vật liệu gia cố bằng nhân công .................................................................. 113 Hình 4-4 Trộn hỗn hợp (trộn khô, làm ẩm, trộn ẩm) ...................................................... 114 Hình 4-5 Lu lèn mặt đƣờng gia cố .................................................................................. 114 Hình 4-6 Găm đá trên bề mặt đƣờng ............................................................................... 115 Hình 4-7 Hố đào lớp đất gia cố kiểm tra độ chặt ............................................................ 115 Hình 4-8 Trộn hỗn hợp đất + tro thải + xi măng bằng máy Stabilizer ............................ 117 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Chỉ tiêu chính của tro thải đƣợc hình thành từ các loại than khác nhau............. 12 Bảng 1-2 Thành phần tƣơng tự xi măng của tro bay ......................................................... 13 Bảng 1-3 Chất lƣợng than mỏ Khánh Hòa và Núi Hồng ................................................... 14 Bảng 1-4 Chất lƣợng đá vôi dùng để khử khí SOx ............................................................ 15 Bảng 1-5 Phân loại tro bay và phụ gia hoạt tính khoáng theo ASTM C618 ..................... 18 Bảng 1-6 Chỉ tiêu chất lƣợng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây ................................. 19 Bảng 1-7 Tình hình sử dụng tro bay của một số nƣớc trên thế giới .................................. 21 Bảng 1-8 Thành phần hóa học của tro bay Neyveli. ......................................................... 28 Bảng 1-9 Thành phần hóa học tro bay Lippendorf và ASTM C618 ................................. 29 Bảng 1-10 Tro bay Columbia, Deway, King và ASTM C618 ......................................... 30 Bảng 1-11 Thành phần hóa học tro bay Brandon Shores, Paul Smith, Dickerson Precipitator và ASTM C618 .............................................................................................. 31 Bảng 1-12 Lƣợng tro xỉ các nhà máy nhiệt điện phía BắcViệt Nam .............................. 34 Bảng 1-13 Thành phần hóa học tro thải nhiệt điện đốt than ............................................. 35 Bảng 2-1 Thành phần ôxit chính của tro bay so sánh với xi măng ................................... 46 Bảng 2-2 Chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của đất gia cố ................................................................. 51 Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của cát gia cố Xi măng .................................................. 52 Bảng 2-4 Chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của cát gia cố Xi măng .................................................. 52 Bảng 2-5 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu mẫu tro thải kết hợp đất ............ 55
-XI- Bảng 2-6 Tổng hợp mẫu thí nghiệm mẫu tro thải kết hợp đất .......................................... 55 Bảng 2-7 Thành phần hóa học của tro thải nhà máy nhiệt điện Uông Bí. ........................ 56 Bảng 2-8 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu mẫu tro thải kết hợp cát ............ 61 Bảng 2-9 Tổng hợp mẫu thí nghiệm mẫu tro thải kết hợp cát........................................... 62 Bảng 2-10 Thành phần hóa học của tro thải nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn. .................... 62 Bảng 2-11 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu hỗn hợp tro thải và XM .......... 69 Bảng 2-12 Tổng hợp mẫu thí nghiệm hỗn hợp tro thải và XM ......................................... 69 Bảng 2-13 Lƣợng nƣớc trộn hỗn hợp theo độ chảy lựa chọn............................................ 70 Bảng 3-1 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu hỗn hợp tro thải và CPĐD ........ 74 Bảng 3-2 Tổng hợp mẫu thí nghiệm hỗn hợp tro thải và CPĐD....................................... 74 Bảng 3-3 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu hỗn hợp tro thải và đá thải ........ 78 Bảng 3-4 Tổng hợp mẫu thí nghiệm hỗn hợp tro thải và đá thải ...................................... 79 Bảng 3-5 Thành phần hóa học của nhà máy nhiệt điện Ninh Bình. .................................. 79 Bảng 3-6 Thành phần hóa học của nhà máy nhiệt điện Na Dƣơng. .................................. 80 Bảng 3-7 Chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn tham chiếu thí nghiệm ................................. 86 Bảng 3-8 Tổng hợp mẫu thí nghiệm hỗn hợp đá dăm chèn vữa tro thải + cát + XM ....... 86 Bảng 3-9 Kết quả thí nghiệm độ sệt của vữa..................................................................... 87 Bảng 3-10 Kết quả thí nghiệm cƣờng độ nén R28 của vữa .............................................. 90 Bảng 3-11 Phân loại, phạm vi sử dụng và yêu cầu về kích cỡ cốt liệu thô dùng cho lớp đá dăm nƣớc ........................................................................................................................... 93 Bảng 3-12 Kết quả xác định độ rỗng của cốt liệu trong 2 loại khuôn ............................... 95 Bảng 3-13 Kết quả xác định các tỷ lệ chế tạo vữa ............................................................ 96 Bảng 4-1 Thí nghiệm với đất hiện trƣờng sử dụng cho thi công thử nghiệm ................. 109 Bảng 4-2 Thí nghiệm trong phòng với hỗn hợp đất gia cố tro thải + xi măng................ 110 Bảng 4-3 Kết quả xây dựng định mức thi công đất gia cố tro thải + xi măng sử dụng máy phay nông nghiệp phay trộn hỗn hợp .............................................................................. 118
-XII- Bảng 4-4 Kết quả xây dựng định mức thi công đất gia cố tro thải + xi măng sử dụng máy trộn gia cố chuyên dụng .................................................................................................. 119 Bảng 4-5 Đơn giá sơ bộ cho 1m2 mặt đƣờng đất gia cố tro thải + xi măng so sánh với mặt đƣờng Láng nhựa ............................................................................................................. 119 Bảng 4-6 Kết quả thí nghiệm với các mẫu hỗn hợp đất gia cố xi măng kết hợp tro thải lấy từ hiện trƣờng thử nghiệm và mặt đƣờng thử nghiệm sau khi lu lèn. ............................. 120 Bảng 4-7 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trên mặt đƣờng hoàn thành đo bằng cần Benkelman ....................................................................................................................... 122
-XIII- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO : Hiệp hội những ngƣời làm đƣờng và vận tải toàn nƣớc Mỹ ASTM : Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ BTXM : bê tông xi măng BTXMTB : bê tông xi măng tro bay C : cát CBR : (Califomia Bearing Ratio) chỉ số sức chịu tải CPĐD : cấp phối đá dăm CPTN : cấp phối tự nhiên Đ : đá  : khối lƣợng thể tích khô lớn nhất tiêu chuẩn Ech : Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh chung của mặt đƣờng, lớp kết cấu Eđh, E : Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh n,đ,c,xm : khối lƣợng thể tích nƣớc, đá, cát, xi măng GTNT : giao thông nông thôn GTVT : giao thông vận tải HRB : phụ gia dính kết vô cơ nguồn gốc tro bay Ip : chỉ số dẻo JBIC : Ngân hàng hợp tác quốc tế Nhật Bản MKN : mất khi nung N : nƣớc NCS : nghiên cứu sinh NMNĐĐT : Nhà máy nhiệt điện đốt than Nr : độ rỗng R7,R14,R28,R56 : cƣờng độ chịu nén 7,14,28,56 ngày tuổi Repche : Cƣờng độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) Rku : Cƣờng độ chịu kéo uốn Rn : Cƣờng độ chịu nén Sở KHCN và MT Sở Khoa học công nghệ và Môi trƣờng T : thời gian chảy của vữa TB : tro bay TCN : tiêu chuẩn Ngành TCVN : tiêu chuẩn Việt Nam TrT : tro thải VLXD : vật liệu xây dựng Wo : độ ẩm đầm nén tốt nhất tiêu chuẩn XM : xi măng
-3- MỞ ĐẦU Để đáp ứng yêu cầu năng lƣợng ngày càng cao phục vụ công cuộc đổi mới và phát triển đất nƣớc, cùng với lợi thế về nguồn than nội địa; Việt Nam đã và đang phát triển hệ thống nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than. Một số dự án nhiệt điện từ quy mô trung bình tới rất lớn đã xây dựng xong đƣa vào vận hành và đang đƣợc xây dựng. Ví dụ: nhiệt điện Na Dƣơng (110MW), Ninh Bình 2 ( 330MW) Cao Ngạn ( 350), Phả Lại 2 (600MW), Hải Phòng (1200MW), Thái Bình (1200MW), Mông Dƣơng (2200MW), Vĩnh Tân (5600MW), Duyên Hải (4.200 MW)...Các nhà máy nhiệt điện đốt than có ƣu điểm tận dụng nguồn than trong nƣớc, góp phần đẩy mạnh công nghiệp khai thác, tạo việc làm cho nhân dân các vùng mỏ, nhƣng đi kèm với nó là lƣợng tro xỉ thải ra lớn. Theo thống kê của Tổng công ty điện lực Việt Nam, hiện nay với 19 nhà máy nhiệt điện với tổng công suất phát điện 14.480 MW, thải ra lƣợng tro xỉ 15 triệu tấn/năm, dự kiến đến năm 2020 với 43 nhà máy, tổng công suất 39.020 MW thì tổng lƣợng tro xỉ vƣợt 30 triệu tấn/ năm. Đối mặt với yêu cầu về xử lý lƣợng chất thải này, hầu hết các nhà máy đang hoạt động tại Việt Nam đều đang lựa chọn biện pháp đơn giản nhất là trộn tro này với nƣớc và bơm ra ngoài các hồ chứa. Tuy nhiên với sự tăng lên của lƣợng tro bay thải ra, các nhà máy phải đối mặt với việc mở rộng diện tích các hồ chứa và tình trạng ô nhiễm môi trƣờng quanh hồ chứa. Môi trƣờng đất, nƣớc và không khí xung quanh các hồ chứa này bị ô nhiễm nặng bởi bụi và hàm lƣợng cao các chất kim loại nặng. Các hồ chứa này đòi hỏi phải có các chƣơng trình kiểm soát và bảo trì một cách nghiêm ngặt. Đây là một gánh nặng cho môi trƣờng cũng nhƣ làm cho giá thành sản xuất nhiệt điện tăng lên. Trƣớc vấn đề cấp bách đó, Thủ tƣớng Chính chủ đã có quyết định số: 1696/QĐTg ngày 23/09/2014 “ Về một số gải pháp thực hiện xử lý tro xỉ, thạch cao các nhà máy nhiệt điện, hóa chất làm nguyên vật liệu sản xuất vật liêu xây dựng”. Tuy nhiên việc tiêu thụ tro xỉ chƣa tiến triển nhƣ mong muốn và sự cố ô nhiễm môi trƣờng do vận chuyển và xử lý tro xỉ tại nhà máy nhiệt điên Vĩnh Tân đã xảy ra vào tháng 07/2015. Ngày 17/08/ 2015, Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã có buổi làm việc với Bộ Công Thƣơng, Xây dựng, Tài Nguyên và Môi trƣờng, Văn phòng Chính phủ; các Tập đoàn: Điện lƣc, Than Khoáng sản, Dầu khí và Tổng công ty xi măng, để bàn giải pháp xử
-4- lý, sử dụng tro, xỉ các nhà máy nhiệt điện. Phó Thủ tƣớng yêu cầu bổ sung, hoàn thiện các tiêu chuẩn, quy chuẩn về chất lƣợng tro, xỉ làm rõ các chỉ tiêu chất lƣợng đối với từng lĩnh vực để sử dụng tro xỉ trong sản xuất xi măng, VLXD, bê tông. Đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng các phƣơng án sử dụng, tiêu thụ sản phẩm tro xỉ trong xây dựng nhƣ: làm vật liệu san lấp, kết hợp với vât liệu khác thay cát đắp nền đƣờng và làm đƣờng giao thông nông thôn. Như vậy, việc sử dụng tro thải tại Việt Nam là một nhu cầu thiết thực với mục đích bảo vệ môi trường, một hướng khả thi để tận dụng tối đa và đa dạng hóa các nguồn vật liệu. Đồng hành cùng với sự phát triển nhiệt điện, Giao thông Vận tải Việt Nam đang đẩy mạnh xây dựng hệ thống hạ tầng, theo quy hoạch: đến năm 2020 xây dựng xong 2639 km và sau năm 2020 xây dựng tiếp khoảng 3.114km đƣờng bộ cao tốc, cải tạo, xây dựng mới hàng chuc ngàn km đƣờng tỉnh và đƣờng quốc lộ. Cùng với đó, chƣơng trình mục tiêu Quốc gia về xây dựng đƣờng giao thông nông thôn mới giai đoạn 2010 – 2020 theo Quyết định của Thủ tƣớng Chính phủ, số 800 /QĐ-TTg ngày 04/6/2010, đã và đang đƣợc các địa phƣơng thực hiện khẩn trƣơng; trong chƣơng trình này giao thông nông thôn sẽ cứng hóa đạt tiêu chuẩn: các tuyến đƣờng trục xã, liên xã đƣợc nhựa hóa hoặc bê tông hóa đƣờng liên thôn, thôn xóm đƣợc cứng hóa hoặc rải cấp phối. Với yêu cầu xây dựng nhƣ vậy cần nguồn vật liệu rất lớn. Trong xây dựng giao thông thì để giảm giá thành xây dựng nguyên tắc đầu tiên là phải sử dụng vật liệu địa phƣơng. Nguồn vật việu địa phƣơng trong xây dựng giao thông bao gồm các loại đất, cát, cấp phối, đá dăm. Để cải thiện tính chất của vật liệu đó có các phƣơng pháp gia cố bằng các chất dính kết vô cơ nhƣ: vôi, xi măng ; các chất dính kết hữu cơ: bitum, nhũ tƣơng và các hợp chất hóa học khác. Tro thải các nhà máy nhiệt điện đốt than là một trong những giải pháp có thể lựa chọn kết hợp với chất dính kết vô cơ, cụ thể là xi măng để gia cốt đất, đá nhằm tăng cường độ, độ ổn định vật liệu đáp ứng các yêu cầu trong xây dựng đường. Theo các tài liệu nƣớc ngoài, các nƣớc công nghiệp phát triển nhƣ Mỹ, Đức, Ấn Độ, Trung Quốc... ngƣời ta cũng đã sử dụng tro xỉ trong xây dựng đƣờng. Ở Việt Nam tro bay đã qua xử lý đƣợc áp dụng thành công trong xây dựng dân dụng, đặc biệt phải kể tới thành công trong công nghệ bê tông đầm lăn trong xây dựng
-5- các công trình đập thủy điện Sơn La, Lai Châu. Ở đó ngƣời ta sử dụng tro bay đã qua xử lý của nhà máy nhiệt điện Phả Lại. Trong ngành giao thông cũng có thử nghiệm sử dụng tro bay qua xử lý một số ít công trình. Tro bay đã xử lý là tro thải từ nhà máy nhiệt điện sau khi trải qua một quá trình công nghệ phức tạp để tinh tuyển cả về thành phần, tăng độ mịn, độ hoạt tính có giá thành cao gần bằng XM và do vậy thƣờng chỉ đƣợc sử dụng hạn chế trong các công trình đê, đập, thủy điện; chƣa đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng đƣờng ô tô. Tro thải NMNĐĐT là một phế phụ phẩm đang ngày càng tăng và gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng. Xây dựng đƣờng ô tô đòi hỏi khối lƣợng vật liệu đặc biệt lớn. Các nguồn vật liệu đạt chuẩn, chọn lọc thƣờng rất hạn chế, phải vận chuyển từ xa, giá thành cao và thậm chí không thể cung cấp đƣợc; do vậy sử dụng vật liệu địa phƣơng là một yêu cầu tất yếu trong xây dựng đƣờng. Nguồn vật liệu địa phƣơng đang đƣợc yêu cầu với khối lƣợng lớn và ngày càng tăng. Làm thế nào để vừa có thể tận dụng nguồn phế phụ phẩm tro thải NMNĐĐT khổng lồ nhằm giải quyết ô nhiễm môi trường đồng thời cải thiện chất lượng của vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô. Đây thực sự là một câu hỏi lớn đặt ra cho những người làm đường Việt Nam. Từ những phân tích nhƣ vậy, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng hợp lý tro thải của nhà máy nhiệt điện đốt than trong xây dựng đường ô tô” là nhằm giải quyết vấn đề có ý nghĩa khoa học thực tiễn đặc biệt cấp thiết đó.  Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu đƣợc tiến hành với mục đích đƣa ra các kết quả nhằm ứng dụng có hiệu quả tro bay để gia cố vật đất, đá làm móng mặt đƣờng ô tô với các vấn đề: - Thông qua các thí nghiệm trong phòng nhằm phân tích đánh giá lựa chọn tỷ lệ hợp lý đất, đá kết hợp tro thải nhiệt điện đốt than gia cố xi măng. - Thi công thử nghiệm tại hiên trƣờng, đƣa ra chỉ dẫn định hƣớng thiết kế và thi công cho loại kết cấu lựa chọn.
-6- Kết quả đạt đƣợc của nghiên cứu sẽ khuyến khích việc sử dụng sản phẩm tro thải một cách triệt để mà không qua một giải pháp xử lý, sản xuất phụ tốn kém nào. Giải pháp này góp phần đẩy nhanh tốc độ sử dụng tro thải, giải quyết vấn đề về mặt ô nhiễm môi trƣờng.  Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu sẽ đƣợc tiến hành tập trung vào các nội dung chính nhƣ sau: - Phân tích đặc điểm về nguồn tro thải NMNĐĐT của Việt Nam thông qua các chỉ tiêu lý học – hóa học cơ bản của các nguồn vật liệu. - Nghiên cứu tổng quan về tro thải NMNĐĐT và các ứng dụng trong gia cố làm móng của kết cấu mặt đƣờng ô tô. - Nghiên cứu đánh giá một số giải pháp sử dụng trực tiếp tro thải NMNĐĐT chƣa qua xử lý trong xây dựng móng mặt đƣờng ô tô tại Việt Nam.  Phƣơng pháp nghiên cứu - Thống kê và phân tích các kết quả nghiên cứu về tro thải để có cái nhìn tổng quan về việc sử dụng tro thải trong xây dựng đƣờng ô tô. - Thực nghiệm trong phòng đánh giá khả năng sử dụng đất, đá kết hợp tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than gia cố xi măng trong xây dựng đƣờng ô tô. - Thử nghiệm hiện trƣờng ứng dụng kết cấu đất, đá kết hợp tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than gia cố xi măng trong xây dựng đƣờng ô tô - Tổng hợp và phân tích các kết quả thí nghiệm, thử nghiệm nhằm đƣa ra các chỉ dẫn định hƣớng về thiết kế và thi công.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu xác định loại vật liệu, hàm lƣợng tro thải hợp lý thông qua việc đánh giá các thông số vật liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm . - Ý nghĩa thực tiễn: sử dụng trực tiếp nguồn tro thải chƣa qua xử lý sẽ có tác dụng giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng; đồng thời sử dụng tro thải kết hợp đất, đá làm phong phú thêm loại vật liệu xây dựng mặt đƣờng.  Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của luận án
-7- Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chƣơng, phần kết luận, kiến nghị và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Cụ thể nhƣ sau: - Phần mở đầu. - Chƣơng 1 Tổng quan về tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than và các ứng dụng trong xây dựng đƣờng ô tô. - Chƣơng 2 Nghiên cứu sử dụng tro thải kết hợp với đất trong xây dựng đƣờng ô tô. - Chƣơng 3 Nghiên cứu sử dụng tro thải kết hợp với đá trong xây dựng đƣờng ô tô. - Chƣơng 4 Thử nghiệm hiện trƣờng sử dụng tro thải kết hợp xi măng gia cố vật liệu địa phƣơng làm móng đƣờng ô tô. - Kết luận và kiến nghị.
-8- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRO THẢI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ Trong luận án này các thuật ngữ “xỉ”, “tro xỉ”, “tro thải” và “tro bay” từ NMNĐĐT đƣợc hiểu nhƣ sau: - “Tro thải từ nhà máy nhiệt điện đốt than” gọi tắt là “tro thải” là phế phụ phẩm sản sinh ra từ quá trình hoạt động của các NMNĐĐT và đƣợc thu hồi tại đƣờng thải khí. - “Xỉ thải từ nhà máy nhiệt điện đốt than” gọi tắt là “xỉ” là phế phụ phẩm sản sinh ra từ quá trình hoạt động của các NMNĐĐT và đƣợc thu hồi tại đáy lò đốt. - Thông thƣờng “tro thải” và “xỉ” của các NMNĐĐT đƣợc đổ ra các bãi thải, hỗn hợp của hai loại này đƣợc gọi là “tro xỉ”. - “Tro bay” là “tro thải” hoặc “tro xỉ” từ các NMNĐĐT đã qua xử lý, tinh luyện, có độ mịn độ hoạt tính cao và đƣợc sử dụng nhƣ chất phụ gia khoáng hoạt tính. Trong chƣơng này sẽ giới thiệu tổng quan về “tro thải”, “tro bay” và các ứng dụng trong xây dựng đƣờng ô tô. 1.1. Tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than 1.1.1. Nguồn gốc tro thải nhà máy nhiệt điện đốt than Tro xỉ than là chất thải của các nhà máy nhiệt điện đốt than. Trong quá trình đốt cháy than và các phụ phẩm kèm theo trong buồng đốt sản sinh ra tro xỉ. Các nhà máy nhiệt điện đốt than đang áp dụng các công nghệ sau: đốt than phun, đốt than tầng sôi tuần hoàn, đốt than tầng sôi áp lực, khí hóa than. Lò hơi đốt than phun là công nghệ đã rất phát triển và đang là nguồn sản xuất điện năng chủ yếu trên thế giới.Than đƣợc nghiền mịn và đƣợc đốt cháy trong buồng lửa lò hơi. Nhiệt từ quá trình đốt cháy sẽ gia nhiệt cho nƣớc và hơi trong các dàn ống và thiết bị bố trí trong lò hơi. Công nghệ này trong tƣơng lai vẫn sẽ là một lựa chọn ƣu thế cho các nhà máy điện. Lò hơi tầng sôi tuần hoàn đƣợc phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trƣớc. Công nghệ này gần nhƣ công nghệ đốt than phun. Sự khác biệt là than đốt trong lò tầng sôi có kích thƣớc lớn hơn và đƣợc đốt cùng chất hấp thụ lƣu huỳnh (đá vôi) trong buồng
-9- lửa, hạt than đƣợc tuần hoàn trong buồng lửa cho tới khi đủ nhỏ. Công nghệ này cho phép đốt các nhiên liệu xấu có chất lƣợng thay đổi trong khoảng rộng, nhiên liệu có hàm lƣợng lƣu huỳnh cao. Than antraxit sau sàng tuyển có phụ phẩm chất lƣợng xấu, tính thƣơng mại thấp, nhƣng hoàn toàn có thể sử dụng trong lò hơi tuần hoàn tầng sôi. Do vậy, với lò hơi loại này, sẽ tận dụng đƣợc các phụ phẩm cấp thấp cho cung cấp điện, mà vẫn đảm bảo các yếu tố môi trƣờng. Công nghệ tầng sôi áp lực cũng là một công nghệ mới. Về mặt cấu tạo, loại lò hơi này phức tạp hơn hai loại lò hơi trên. Quá trình cháy cũng giống nhƣ lò hơi tầng sôi tuần hoàn, nhiệt độ buồng đốt vào khoảng 800 – 8500C, áp suất 12-16 bar. Khói nóng đƣợc làm sạch và đƣa vào sinh công tuabin khí sau đó cấp nhiệt cho nƣớc - hơi trong lò thu hồi nhiệt để chạy tuabin hơi. Lò hơi tầng sôi áp lực đƣợc kiến nghị áp dụng khi nhiên liệu cháy có độ ẩm cao nhƣ than nâu. Hiệu suất cao, ít phát thải, chi phí vận hành thấp là những ƣu điểm của công nghệ này. Tuy nhiên, cho đến nay tính thƣơng mại của công nghệ này chƣa cao. Nguồn: Japan Fly Ash Association Hình 1-1 Thu hồi tro xỉ trong nhà máy nhiệt điện