Ứng dụng xỉ sắt (slag) trong công nghiệp bê tông

Ứng dụng tro bay (fly ash) trong công nghiệp bêtông. Ứng dụng xỉ sắt (slag) trong công nghiệp bêtông. TS. Buøi Leâ Anh Tuaán Boä moân Kyõ thuaät Xaây döïng Khoa Coâng ngheä Ñaïi hoïc Caàn Thô blatuan@ctu.edu.vn 2014.06.09 Professor Chao-Lung Hwang  Ph.D., University of Illinois at Urbana- Champaign(UIUC), U.S.A.  Professor and Chair, Department of Construction Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan, R.O.C.  Director of SUS-CON Research Center Curriculum Vitae Construction Material Research Laboratory 2  Research areas: Green Concrete, Concrete Science and Technology, High Performance Concrete, Lightweight Material R&D, Lightweight Concrete, Heavy weight Concrete, Engineering Material Science, Construction Technology, New Construction Method, Construction Automation. Nội dung chính Vật liệu Pozzolan Tro bay Xỉ sắt Bê tông bền vững Một số công trình có sử dụng tro bay ở Đài Loan Khí thải carbon (CO2) từ quá trình sản xuất xi măng Group Example Vật liệu có tính xi măng thứ hai (Secondary cementitious materials) Fly ash, Slag, Silica fume, Metakaolin Municipal solid waste incinerator ash Chất kết dính không xi măng (Non-Portland cement binders) Calcium sulfate based cement Calcium sulfoaluminate cements Magnesite based cement Magnesium phosphate cement Geopolymer Bê tông ít xi măng (Low cement concrete) Lean mix concrete Bê tông cường độ siêu cao (Ultra high strength concrete) Fibre reinforced superplasticised silica fume concrete Những thay đổi trong quá trình sản xuất xi măng (Changes in Portland cement manufacture) Oxygen enrichment of kiln atmosphere to enhance burning Belite cements Alinite and Fluoralinite cement Portland limestone cement Những loại chất kết dính thay thế (Alternative binder types) Bituminous based materials Thu carbon (Carbon capture) Sequestering carbon from the kiln Capturing carbon in the concrete, eg hemp 7 phương pháp đang được thực hiện hoặc đang được phát triển trên thế giới trong công nghiệp xi măng và bê tông để cải thiện hiệu quả sản suất và tăng tính bền vững của bê tông Bê tông bền vững (Sustainable concrete) Materials Process Health Long life Traditional concrete High-performance concrete Self-consolidating concrete Sustainable concrete Workability Safety Economy Durability Ecology Safety Economy Durability Workability Safety Economy Durability Vật liệu pozzolan SiO CaO Al2O3 O 2 Silica Fume (Muội silic) Rice Husk Ash (Tro trấu) Fly Ash (Tro bay) Slag (xỉ thép) Cement SiO2-CaO-Al2O3 Tertiary diagram Puzzolan là loại vật liệu này đã được người Ý sử dụng trong ngành xây dựng trong thời kỳ La Mã cổ đại tại vùng Puzuoli ở Italia. Pozzolan là một vật liệu mà khi kết hợp với canxi hiđroxit thì tạo thành hợp chất có tính chất xi măng. Phản ứng pozzolan (Pozzolanic reaction) Vật liệu pozzolan Dicalcium Silicate/ Tricalcium Silicate C2S/C3S + Water H Calcium Silicate Hydrate C-S-H + Calcium Hydroxide CH Portland cement only Additionally, for Portland cement with pozzolan Silicate (inc. Rice husk ash) S + Calcium Hydroxide CH Calcium Silicate Hydrate C-S-H Tác dụng hóa học Chemical Effect (Pozzolanic Rxn) Tác dụng vật lý Physical Effects (Pore Filling) Application Pozzolans Fly Ash Slag Silica Fume Pozzolans                       H-S/A-C H-S/A-N H-S/A-K H CH NH KH S/A Hai tác dụng chính của vật liệu pozzolan (Two major effects of pozzolanic materials) Vật liệu pozzolan Tro bay • Tro bay là một loại bụi được thu tại bộ phận khí thải của ngành năng lượng từ quá trình đốt cháy than. • Tro bay là một loại puzzolan bao gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3, là những tinh cầu tròn, siêu mịn, được cấu thành từ các hạt silic, • có cỡ hạt trung bình 9 - 25μm. Phân loại Tro bay Loại C: Có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15 - 35%. Đó là sản phẩm đốt than linhit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%. Tro bay Loại F: Có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2 - 10%. Tro bay Phả Lại thuộc loại F. Một số phương pháp sản xuất tro bay TUYỂN NỔI TÁCH TĨNH ĐIỆN PHÂN LY BẰNG LY TÂM ĐỐT CAC BON TRO BAY Ứng dụng của tro bay Tro bay Sản xuất vật liệu xây dựng Sản xuất xi măng Xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp Xây dựng đường ô tô và sân bay Ứng dụng của tro bay trong công nghiệp bê tông 1 2 3 5 6 4 Bê tông chống xâm thực ăn mòn của nước biển Phụ gia cho sản xuất xi măng Phụ gia cho bê tông đầm lăn Bê tông chất lượng cao Bê tông bền sun fát Nguyên liệu sản xuất vật liệu không nung (gạch block nhẹ, Panel, tấm vách tường, tấm trần, sàn, vật liệu chống cháy, cách âm) Giảm tỷ lệ nước/xi măng nên giảm được hiện tượng co ngót bê tông. Tăng tính bám dính giữa các lớp đổ bê tông do tác dụng làm chậm đông kết của xi măng khi sử dụng tro bay; Làm vữa và bê tông bám dính tốt hơn với cốt thép và cải thiện điều kiện hoàn thiện bề mặt; Làm tăng cường độ ở tuổi muộn, giảm giá thành, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn Cl-, tăng độ bền sunphát; Làm giảm thoát nhiệt khi thuỷ hóa xi măng, rất hiệu quả khi thi công bê tông khối lớn, giảm phản ứng kiềm – silic Tính năng của tro bay trong công nghiệp bê tông Tro bay ở Việt Nam Tro bay-Phả Lại Nhà máy sản xuất tro bay tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại – Việt Nam Hồ chất thải tro xỉ khổng lồ phía sau nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2, hiện đã sâu đến 60-70 mét. Một số công trình tiêu biểu Hiện nay, một số công ty đang sử dụng tro bay: - Nhà máy xi măng: Xi măng Holcim, xi măng Chinfon - Trạm bê tông tươi như: Bê Tông LaFarge, Bê tông Kim Long, Bê tông Uni-Estern, Bê tông RDC, Bê Tông Hồng Hà, Bê Tông Trà My - Công trình sử dụng tro bay tiêu biểu như: Công Trình đập Tân Giang ở Ninh Thuận, Công trình đập thủy lợi Định Bình ở Tỉnh Bình Định, Công trình thủy Điện Dak Drinh tại Quảng Nam, Công trình đập Nước Trong Tại Quảng Ngãi, Công trình nhiệt điện Vĩnh Tân 2 tại Bình thuận Một số công trình tiêu biểu • Xi măng Holcim • Xi măng Chinfon • • Bê Tông LaFarge • Bê tông Kim Long • Bê Tông Trà My • • Công Trình đập Tân Giang ở Ninh Thuận • Công trình đập thủy lợi Định Bình ở Tỉnh Bình Định • Công trình nhiệt điện Vĩnh Tân 2 tại Bình thuận. • Nhà máy xi măng Trạm bê tông tươi Công trình sử dụng tro bay tiêu biểu Xỉ (Slag) • Xỉ là một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp sản xuất sắt . Quặng sắt, than cốc và đá vôi được đưa vào lò và xỉ nóng chảy, kết quả nổi trên sắt nóng chảy ở nhiệt độ 1500oC về đến 1600oC. • Sau khi sắt nóng chảy được đưa ra khỏi lò, xỉ nóng chảy còn lại, trong đó bao gồm chủ yếu là dư lượng silic và nhôm. • Xỉ nóng chảy có một thành phần của khoảng 30% đến 40% SiO2 và khoảng 40% CaO, mà gần với thành phần hóa học của xi măng Portland. Phân loại xỉ 1. Xỉ lò cao BFS (blast furnace slag). Xỉ BFS có thể được sử dụng trong các ứng dụng để thay thế các vật liệu đã khai thác từ vật liệu truyền thống. 2. Xỉ Hạt Lò Cao GBFS (Granulated Blast Furnace Slag) Phân loại xỉ 3. Xỉ GGBFS. GGBFS được hình thành khi hạt xỉ (GBFS) được tiếp tục xử lý hoặc sử dụng công nghệ clinker xi măng nghiền thông thường. Ứng dụng: Xỉ GGBFS thường được sử dụng trong kích hoạt vật liệu dạng hạt và vỉa hè như một loại vật liệu xi măng trong sản xuất bê tông. Tính chất của GGBFS Portland Cement Xỉ GGBS Bột Tính chất hóa học của Xỉ sắt SiO CaO Al2O3 O 2 Silica Fume (Muội silic) Rice Husk Ash (Tro trấu) Fly Ash (Tro bay) Slag (xỉ thép) Cement SiO2-CaO-Al2O3 Tertiary diagram • Các thành phần cơ bản của xỉ GGBS thường bao gồm CaO (30% - 48 %) , MgO (28% - 45% ) , Al2O3 ( 5% - 18% ) và SiO2 (1 % - 18% ), trong đó có thành phần giống như của Xi măng Portland. Các thành phần phụ khác bao gồm Fe2O3, MnO ,TiO2 và SO3 cũng có mặt trong xỉ GGBS. Ứng dụng của xỉ sắt Xỉ GGBS được sử dụng để làm cho kết cấu bê tông bền, kết hợp với xi măng portland bình thường hoặc vật liệu khác pozzolanic. Sử dụng GGBS làm giảm đáng kể nguy cơ thiệt hại do phản ứng kiềm – silic (ASR). giảm nguy cơ ăn mòn cốt thép và cung cấp sức đề kháng cao hơn để tấn công của sulfate và các hóa chất khác. Cung cấp sức đề kháng cao hơn để clorua xâm nhập. Ứng dụng của xỉ sắt • GGBS được sử dụng trong xây dựng mục đích chung: chẳng hạn như (trái sang phải) bức tường cho các tòa nhà dân cư, vỉa hè, tháp cao tầng, và đập. Ảnh hưởng của xỉ đến độ bền của bê tông 1 2 3 Xỉ GGBS có thể cải thiện độ bền kết cấu bê tông bằng cách giảm tính thấm nước. Tăng sức đề kháng ăn mòn và tăng sức đề kháng sulfat Kéo dài tuổi thọ của các cấu trúc và giảm chi phí bảo dưỡng tổng thể. Giảm tính thấm nước • Xỉ GGBS trong bê tông có thể cải thiện độ bền. GGBS bê tông thường có độ thẩm thấu thấp dẫn đến giảm thâm nhập clorua, tăng sức đề kháng đối với sulphate và silica phản ứng kiềm so với bê tông xi măng Portland. • Theo một số nghiện cứu: tỷ lệ ăn mòn của thép trong bê tông bị nứt sẽ được giảm đáng kể ít nhất là 40% khi sử dụng GGBS so sánh với bê tông xi măng Portland. Tăng sức đề kháng ăn mòn và tăng sức đề kháng sulfat Kéo dài tuổi thọ của các cấu trúc và giảm chi phí bảo dưỡng tổng thể • Trong quá trình thủy hóa của các khoáng trong clinker thường sinh ra một lượng nhiệt , được gọi là nhiệt thủy hóa, lượng nhiệt này phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng khoáng C3S và C3A. Xi măng xỉ có ưu điểm trong việc hạn chế nhiệt thủy hóa do giảm hàm lượng các khoáng clinker trong xi măng, nhiệt thủy hóa trong xi măng tỷ lệ nghịch với hàm lượng xỉ thay thế xi măng. • Chính nhờ ưu điểm này mà nhiều nước đã sử dụng xỉ để sản xuất xi măng ít tỏa nhiệt sử dụng cho các công trình bê tông khối lớn. Thiết kế bê tông bền vững (Sustainable concrete design) Durability Durability Economy Ecology Safety Safety Safety Economy Workability Workability Traditional concrete High-performance concrete Self-consolidating concrete Sustainable concrete Mục tiêu (Objectives)（1/5） Green Design : 1. Sử dụng ít xi măng (Use less cement) 2. Sử dụng vật liệu pozzolan (Use pozzolanic material) 3. Tái sử dụng bê tông (Recycle concrete) 4. Cải thiện tuổi thọ bê tông (Improve concrete Life) 5. Phát triển công nghệ mới (Development new technology) CO2 carbohydrate become Mục tiêu (Objectives)（2/5） Sản xuất 1 tấn xi măng sẽ tăng 0.7-1 tấn CO2 (The manufacture of one ton of Portland cement will increase 0.7- 1 ton CO2.) （1）Environmental Friendly- All waste materials (Thân thiện môi trường-sử dụng vật liệu phế thải) Mục tiêu (Objectives)（3/5） Materials Process Health Long life  Cement for Concrete is just like Meat for Mankind to achieve Health and Long Life! （2）Healthy Concrete – No Crack! (Bê tông khỏe!- No nứt) Mục tiêu (Objectives)（4/5）  The Effect of Paste Content on Plastic Shrinkage Crack and Durability. Improper Curing Cement Paste Ambient Condition Leaching Efflorescence Inferior Factor Acceleration Corrosion Fresh Stage Harden Stage Durability Wind Temperature Evaporation （3）Durable Concrete - Sustainable Mục tiêu (Objectives)（5/5） （4）User Friendly From 0 to 270 mm slump just as desired. Aggregate Aggregate Aggregate Binder (Paste or Mortar) Coating thickness (t) Vp=Vv+S × t Void＝Vv • DMDA is the durability design concept to achieve minimum water and cement content by applying fly ash to fill the void between aggregates and cement paste to attain “the least void”. Densified mixture design method (Phương pháp thiết kế lèn chặt) Aggregate Filling with Sand Filling with Fly ash Sand Fly ash 1750 1770 1790 1810 1830 1850 35 40 45 50 55 60 65 UW=1829 (kg/m 3^) U n it W ei g h t (k g /m 3 ) Sand/(Sand+Aggregate) (%) 1950 2000 2050 2100 2150 5 10 15 20 25 UW=2123 (kg/m 3^) U n it W ei g h t (k g /m 3 ) Fly ash/(Fly ash+Sand+Aggregate) (%) Densified mixture design method Một số ứng dụng của bê tông bền vững ở Đài Loan (Applications of sustainable concrete) Landmark of Southern Taiwan- Kaohsiung T&C Tower T&C Tower 85 stories, height 368 M Steel box filled in HPC, B2F→60F 56D Designed strength fc’= 8000 psi (55 Mpa) Slump= 250±20mm Using w/b instead of w/c 101 stories, height 508 M. Steel box filled in concrete, B5F→62F. Designed 90D, fc’＝10000psi (~ 69 Mpa). Apply JIS standard. U-test, V-test, complete flow test. Test till pouring Oct. 1999~Aug. 2000 SCC Landmark- Taipei Financial Center (Taiwan 101)