Nghiên cứu chế tạo chất kết dính sử dụng bùn thải công nghiệp cho sản xuất bê tông

Đăng lúc 8/6/2018 12:00:00 AM

1. Giới thiệu

Hiện nay, cùng với việc phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp ở Việt Nam thì lượng chất thải công nghiệp phát sinh ra môi trường ngày càng nhiều. Theo Báo cáo môi trường quốc gia 2011 thì tổng lượng chất thải rắn từ các khu công nghiệp trong năm 2010 là 3,225 triệu tấn và đến hết năm 2015, đạt 7,5 triệu tấn [1]. Như vậy, mỗi năm, hàng triệu tấn chất thải từ các khu công nghiệp có thể đang được đổ thẳng ra kênh mương mà chưa qua xử lý hoặc không biết đổ đi đâu. Hầu hết các chất thải này đều chứa các thành phần có thể gây ra các tác động có hại tới môi trường sống và đe dọa sức khỏe con người.

Việc xử lý và tái sử dụng các loại chất thải công nghiệp tại Việt Nam đang rất được quan tâm trong những năm gần đây. Nhiều đề tài nghiên cứu đã được nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Xây dựng và Viện Vật liệu xây dựng-Bộ Xây dựng thực hiện, nhằm tái sử dụng các dạng chất thải công nghiệp trong xây dựng [2-7]. Các đề tài nghiên cứu này chủ yếu tập trung chủ yếu vào việc tái sử dụng các sản phẩm phụ của công nghiệp luyện kim (xỉ hạt, xỉ lò cao) hay phế thải của các nhà máy nhiệt điện (tro bay, tro xỉ) … để thay thế một phần xi măng làm chất kết dính cho bê tông hoặc làm cốt liệu cho vữa và bê tông hoặc vật liệu xây dựng đường giao thông.

Như vậy, đối với các dạng chất thải công nghiệp khác (như các loại cặn thải, bùn thải trong sản xuất thép, sản xuất nhôm, kính, xử lý nước thải công nghiệp…) chưa có nhiều nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam [6, 7], đặc biệt trong việc tái sử dụng các loại bùn sau quá trình xử lý và loại bỏ các chất gây độc hại.

Việc xử lý các chất nguy hại như kim loại nặng trong chất thải công nghiệp cũng cần phải có các trung tâm xử lý với thiết bị hiện đại. Một trong số ít đơn vị có năng lực thực hiện công tác này là Công ty Cổ phần Môi trường đô thị và Công nghiệp 11 – Urenco11, có trụ sở đặt tại xã Đại Đồng, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên là địa phương có nhiều khu công nghiệp đang hoạt động. Urenco 11 đã có nhiều năm kinh nghiệm trong việc thu gom, vận chuyển và xử lý các dạng chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thương mại, y tế và xây dựng. Các dạng chất thải công nghiệp mà Công ty Urenco11 đã và đang xử lý có nhiều nguồn gốc khác nhau như: từ quá trình sản xuất thép, sản xuất nhôm, sản xuất điện tử và kính mắt…

Trong đó, trữ lượng chất thải do nhà máy sản xuất kính mắt thải ra là trên 500 tấn/tháng. Sau quá trình xử lý độc hại các loại bùn thải này, công ty Urenco 11 cũng đã áp dụng một số phương án để tái sử dụng nhưng chưa thực sự hiệu quả về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế. Vì thế, việc nghiên cứu các phương án tái sử dụng chất thải khác nhau để lựa chọn ra phương án hợp lý thỏa mãn cả hai yếu tố kinh tế và kỹ thuật là rất cần thiết.

Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng bùn thải công nghiệp của nhà máy sản xuất kính mắt để chế tạo chất kết dính hỗn hợp dùng cho bê tông. Từ các kết quả thí nghiệm, thành phần hợp lý của chất kết dính bao gồm bùn thải, xi măng, xỉ lò cao sẽ được xác định.

2. Vật liệu sử dụng và Phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu sử dụng

Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Xi măng PC40 Bút Sơn (XM) các yêu cầu kỹ thuật thỏa mãn TCVN 2682:2009; Xỉ hạt lò cao (XLC) của nhà máy sản xuất gang thép Hòa Phát được nghiền đến độ mịn Blaine 4520 cm2/g, đường kính hạt trung bình 7,63 µm. Bùn thải của công ty sản xuất kính mắt (BTK) sau khi xử lý các kim loại nặng được đem sấy khô và nghiền tới độ mịn tương đương với độ mịn của xi măng (với giá trị đường kính danh nghĩa là 21,79 µm so với xi măng là 18,41 µm). Phân bố thành phần hạt của bùn và xi măng cũng tương tự nhau (Hình 1). Thành phần hóa của các loại vật liệu này được nêu trong Bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa của các vật liệu thành phần

 

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

MnO

SO3

K2O

Na2O

TiO2

Fe2O3

XM

64,6

21,8

4,42

1,25

-

-

0,63

1,08

-

3,49

XLC

35,3

32,9

14,5

10,5

2,44

1,35

1,29

0,241

0,812

0,428

BTK

1,61

47,3

27,1

1,65

-

0,31

3,81

0,30

0,32

3,96

 

2.1. Phương pháp nghiên cứu

Để đánh giá được khả năng sử dụng bùn thải chế tạo chất kết dính cho bê tông, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm xác định các tính chất kỹ thuật của chất kết dính hỗn hợp xi măng và bùn thải (lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và cường độ). Sau khi đã xác định được tỷ lệ hợp lý xi măng/bùn thải, nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm chất kết dính hỗn hợp 3 thành phần xi măng/ bùn thải/ xỉ lò cao.

Các tính chất kỹ thuật của chất kết dính được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam. Danh mục các thí nghiệm được nêu trong Bảng 2.

Bảng 2. Danh mục các thí nghiệm tiêu chuẩn

Nội dung

Tên tiêu chuẩn

Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử chất kết dính

TCVN 4787: 2001

Xác định độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích của chất kết dính

TCVN 6017: 2015

Xác định độ bền uốn và nén của chất kết dính

TCVN 6016: 2011

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Chất kết dính hai thành phần xi măng (XM) và bùn thải (BTK)

Để nghiên cứu các tính chất của chất kết dính (CKD) sử dụng BTK và XM, đề tài tiến hành thí nghiệm thay thế hàm lượng BTK từ 10÷40% khối lượng xi măng sử dụng

3.1.1. Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết

Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của của CKD được xác định thông qua dụng cụ kim Vica. Cấp phối và kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 3 và Bảng 4.

Bảng 3. Cấp phối xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của CKD sử dụng XM và BTK

Vật liệu

Hàm lượng BTK thay thế (%)

0

10

20

30

40

XM

400

360

320

280

240

BTK

0

40

80

120

160

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của CKD sử dụng XM và BTK

Chỉ tiêu kỹ thuật

Hàm lượng BTK thay thế (%)

0

10

20

30

40

Lượng nước tiêu chuẩn (%)

29

30

31,5

34

43

Thời gian đông kết (phút)

Bắt đầu

130

140

155

210

295

Kết thúc

210

255

295

360

495

 

Kết quả thí nghiệm cho thấy với hàm lượng thay thế BTK tăng từ 0 tới 40%, lượng nước tiêu chuẩn của CKD tăng từ 29% đến 43%. Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của CKD cũng tăng. Với hàm lượng thay thế BTK trên 30%, giá trị lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của CKD cao hơn so với yêu cầu kỹ thuật của xi măng poóclăng hỗn hợp thông thường.

3.1.2. Cường độ chất kết dính

Để xác định cường độ của CKD, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chế tạo các mẫu vữa sử dụng cát tiêu chuẩn (kích thước 4×4×16 cm) với lượng nước nhào trộn đảm bảo độ chảy xòe của vữa đạt tiêu chuẩn (110±5% đường kính côn thử) theo TCVN 6016: 2011. Cấp phối thí nghiệm và kết quả được trình bày lần lượt trong Bảng 5 và Hình 1.

Bảng 5. Cấp phối xác định cường độ chất kết dính sử dụng XM và BTK

Vật liệu

Hàm lượng BTK thay thế (%)

0

10

20

30

40

XM

450

405

360

315

270

BTK

0

45

90

135

180

Cát tiêu chuẩn

1350

1350

1350

1350

1350

Nước

225

230

245

280

355

Hình 1. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ nén của CKD sử dụng XM và BTK

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi thay thế XM bằng BTK với hàm lượng từ 10% đến 30%, cường độ của CKD giảm so với mẫu đối chứng nhưng không nhiều. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng thay thế BTK lên 40%, cường độ của CKD giảm mạnh từ 46,5 MPa đối với mẫu đối chứng xuống 23,5 MPa (50,5%) ở tuổi 28 ngày. Điều này được giải thích bởi lượng dùng nước để mẫu vữa 40% BTK đạt được độ chảy xòe theo tiêu chuẩn yêu cầu đã tăng mạnh, lên tới 355 ml so với mẫu đối chứng 0% chỉ là 225 ml.

Như vậy, khi hàm lượng thay thế BTK vượt quá 30%, các tính chất kỹ thuật của CKD thay đổi rõ rệt. Trong khi đó, với hàm lượng thay thế dưới 30%, tính chất của CKD không thay đổi nhiều. Do đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên CKD sử dụng 25% BTK. Kết quả cho thấy, cường độ của CKD này ở tuổi 28 ngày là 41,2 MPa (đạt mác 40). Kết quả thí nghiệm các tính chất của CKD được nêu trong Bảng 6. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn tỷ lên thay thế BTK 25% để tiến hành các thí nghiệm cho CKD 3 thành phần xi măng, bùn thải và xỉ lò cao.

Bảng 6. Kết quả thí nghiệm tính chất của CKD sử dụng 25%BTK

Thành phần CKD

Tính chất kỹ thuật

Cường độ (MPa)

Lượng nước tiêu chuẩn (%)

Thời gian đông kết

XM

BTK

Bắt đầu

Kết thúc

75%

25%

41,2

33,0

160

315

3.2. Chất kết dính ba thành phần xi măng (XM), bùn thải (BTK) và xỉ lò cao (XLC)

Với mục đích làm giảm tới mức tối thiểu hàm lượng xi măng trong CKD hỗn hợp, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thay thế XM bằng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLC). Hàm lượng thay thế thử nghiệm ban đầu là 10-30%.

3.2.1. Lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết

Kết quả thí nghiệm (Bảng 7) cho thấy khi tăng hàm lượng XLC từ 0 đến 20%, lượng nước tiêu chuẩn của CKD giảm nhẹ (từ 33% xuống 31,5%). Khi thay thế 30% XLC, lượng nước tiêu chuẩn lại giảm mạnh chỉ còn 26%. Đối với chỉ tiêu kỹ thuật thời gian đông kết, khi hàm lượng XLC tăng, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của CKD 3 thành phần đều tăng. Điều này được giải thích do bề mặt của các hạt XLC là thành phần pha thủy tinh, ở thời điểm ban đầu không phản ứng với nước làm tăng độ dẻo của CKD và làm chậm thời gian đông kết của CKD.

Bảng 7. Kết quả thí nghiệm lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của CKD sử dụng XM, BTK và XLC

Chỉ tiêu kỹ thuật

Hàm lượng XLC thay thế (%)

0

10

20

30

Lượng nước tiêu chuẩn (%)

33

32

31,5

26

Thời gian đông kết (phút)

Bắt đầu

160

175

205

220

Kết thúc

315

330

345

390

 

3.2.2. Cường độ chất kết dính

Cấp phối thí nghiệm xác định cường độ của CKD 3 thành phần được nêu trong Bảng 8. Kết quả thí nghiệm (Hình 2) cho thấy khi tiếp tục thay thế XM bằng XLC thì hàm lượng XLC tăng cường độ CKD giảm. Khi thay thế đến 20%XM thì cường độ CKD vẫn đạt lớn hơn 30Mpa. Tiếp tục thay thế XLC đến 30% thì cường độ CKD giảm còn 26,6 Mpa.

Như vậy có thể thấy hàm lượng XLC hợp lý để CKD đạt cường độ 30MPa nằm trong khoảng 20-30% thay thế XM. Bằng công thức nội suy và kiểm tra lại bằng thực nghiệm kết quả cho thấy ở hàm lượng XLC thay thế XM bằng 25% thì cường độ CKD vẫn đạt >30 MPa (Bảng 9).

Bảng 8. Cấp phối xác định cường độ chất kết dính sử dụng XM, BTK và XLC

Vật liệu

Hàm lượng BTK thay thế (%)

0

10

20

30

XM

337,5

292,5

247,5

202,5

BTK

112,5

112,5

112,5

112,5

XLC

-

45

90

135

Cát tiêu chuẩn

1350

1350

1350

1350

Nước

255

248

230

218

Hình 2. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ CKD sử dụng XM, BTK và XLC

Bảng 6. Kết quả thí nghiệm tính chất của CKD sử dụng 25%BTK và 25%XLC

Thành phần CKD

Tính chất kỹ thuật

Cường độ (MPa)

Lượng nước tiêu chuẩn (%)

Thời gian đông kết

XM

BTK

XLC

Bắt đầu

Kết thúc

50%

25%

25%

30,5

29,0

210

355

4. Kết luận

Dựa trên các kết quả thí nghiệm sơ bộ với chất kết dính sử dụng bùn thải công nghiệp sản xuất kính mắt, ta có thể đưa ra một số kết luận:

  • Có thể chế tạo được chất kết dính sử dụng bùn thải công nghiệp sản xuất kính mắt bằng cách kết hợp với xi măng và phụ gia khoáng xỉ lò cao
  • Với trường hợp chất kết dính hai thành phần (xi măng và bùn thải), hàm lượng bùn thải 25%, chất kết dính đạt cường độ 40MPa

Với trường hợp chất kết dính ba thành phần (xi măng, bùn thải và xỉ lò cao), hàm lượng bùn thải 25% và xỉ lò cao 25%, chất kết dính đạt cường độ 30MPa.

Nguyễn Tiến Dũng, Khoa Vật liệu xây dựng- Trường ĐH Xây dựng.

Tống Tôn Kiên, Khoa Vật liệu xây dựng- Trường ĐH Xây dựng;

                                                   Lưu Văn Sáng NCS. ThS., Khoa Vật liệu xây dựng- Trường ĐH Xây dựng.

Tài liệu tham khảo: 

             1. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2011), Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011- Chất thải rắn, Bộ tài nguyên và môi trường

2. Phạm Hữu Hanh (2010). Phát triển vật liệu xây dựng phù hợp với biến đổi khí hậu. Hội thảo khoa học công nghệ ứng phó và thích nghi với biến đổi khí hậu – các vấn đề của Hà Nội.

3.  Hoan Nguyễn Văn (2012), Nghiên cứu sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao trên cơ sở chất kết dính geopolyme. Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ- RD25-11-  (Viện Vật liệu Xây dựng).

4. Tống Tôn Kiên (2014) "Nghiên cứu khả năng tận dụng cát tái chế từ phế thải bê tông, để chế tạo vữa xây dựng không sử dụng xi măng". Tạp chí Vật liệu xây dựng, Số 9 (42) (Sept 2014):pp. 64-69.

5. Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2012). Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng cao sử dụng hàm lượng tro bay lớn. Tạp chí Xây dựng số 02 – Bộ Xây dựng

6. Nguyễn Văn Chánh (2009). Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam, Trường đại học Bách khoa TP.HCM.

             7. Nguyễn Hồng Bỉnh (2010). Vữa bê tông từ bùn thải công nghiệp. http://www.hoivlxdvn.org.vn/index.php?module=khcntDetail&newsId=363