Nghiên cứu chế tạo tấm chèn lò bê tông cốt thép từ xỉ tro của nhà máy nhiệt điện tại các mỏ hầm lò của Việt Nam

Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4 dùng than nhập khẩu.

Tổng khối lượng than sử dụng trung bình năm là khoảng 34 triệu tấn, trong đó than nội địa là 25-27 triệu tấn và than nhập khẩu là 9-10 triệu tấn. Tổng khối lượng tro xỉ của các NMNĐ của EVN phát sinh trung bình trong một năm là 8,1 triệu tấn.

Hiện tại, lượng tro xỉ của một số Nhà máy nhiệt điện đã có phương án xử lý như làm vật liệu xây dựng, sản xuất bê tông đầm lăn tại một số dự án thủy điện, tuy nhiên tại một số nhà máy lượng tro xỉ đã đạt tối đa công suất của bãi thải như Mông Dương 1, Vĩnh Tân.... Trong khi đó, việc chống lò bằng khung chống thép kết hợp với tấm chèn bê tông cốt thép chiếm khá nhiều thời gian do các tấm chèn có kích thước và khối lượng lớn, ngoài ra do tấm chèn có kết cấu dạng thanh nên dễ bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển và sử dụng, dẫn đến phải chống, chèn lại làm tăng chi phí và thời gian đào lò. Do vậy việc giảm kích thước và khối lượng tấm chèn sẽ góp phần giảm khó khăn cho công tác thi công, giảm thời gian chống giữ qua đó đẩy nhanh được tốc độ đào lò. Việc nghiên cứu xử dụng xỉ tro nhiệt điện trong công nghệ chế tạo bê tông đã được chú ý trong sản xuất bê tông cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo tấm chèn lò từ tro xỉ nhà máy nhiệt điện chưa được chú ý trong các đơn vị của TKV. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Tro bay được đánh giá cao bởi nó là một phụ gia đặc biệt cho bê tông, có thể thay thế 20% xi măng trong bê tông. , khi bổ sung tro bay sẽ giúp khử vôi trong xi măng (thành phần vốn gây "nổ", làm giảm chất lượng bê tông, đặc biệt là bê tông trong môi trường nước, ẩm ướt như môi trường mỏ hầm lò). Chính vì vậy, cho phép giảm kích thước và trọng lượng tấm chèn khi cùng cường độ và độ bền và nâng cao độ bền và khả năng mang tải của tấm chèn khi sử dụng tro xỉ nhiệt điện. Bài báo trình bầy kết quả nghiên cứu thiết chế, chế tạo tấm chèn lò từ tro xỉ của nhà máy nhiệt điện thay thế cho tấm chèn bê tông cốt thép truyền thống.

2. Mở đầu

Hiện nay hơn 1 triệu tấn tro xỉ than được thải ra từ các nhà máy điện phía Bắc thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện thuộc TKV như Nhiệt điện Na Dương và các doanh nghiệp khác. Hầu hết lượng tro này được trộn với nước và thải ra ngoài bãi thải. Việc này ngoài tác động đến môi trường còn là một sự lãng phí tài nguyên rất lớn. Tro xỉ than ở hầu hết các nhà máy nhiệt điện Việt Nam thuộc loại F, không phản ứng với nước. Kết quả điều tra cho thấy môi trường đất và nước ở quanh bãi thải xỉ bị ảnh hưởng nghiêm trọng, với hàm lượng các chất độc hại như kim loại nặng rất cao. Về mặt sử dụng làm vật liệu xây dựng, do cấu trúc mịn của mình, tro bay làm tăng cường độ của bê tông và làm tăng độ nhớt của vữa, giúp bê tông chui vào các khe lỗ dễ dàng. Với giá thành rẻ hơn xi măng (600.000 đồng/tấn so với 1.270.000 đồng/tấn tại thời điểm hiện tại), việc thay thế tro bay trong bê tông cũng giúp giảm đến 30% giá thành. Không những thế, việc bổ sung tro bay giúp xi măng đạt chất lượng cao hơn như từ M 300, có thể tăng lên đến M700, thậm chí M900. Sau khi sử lý tro xỉ ta có được sản phẩm tro bay gồm 2 loại tro bay như Bảng 1:

Việc sử dụng tro bay làm phụ gia bê tông sẽ làm tăng cường độ bê tông lên từ 1,5 – 2 lần; làm tăng độ nhớt của vữa giúp bê tông chui vào các khe lỗ dễ dàng; “khử vôi tự do CaO” trong xi măng (khoảng 6%) là thành phần gây “nổ” làm giảm chất lượng bê tông trong môi trường nước. Khái niệm tro bay (Fly ash) xuất phát từ người dùng các luồng khí để phân loại tro: Khi thổi một luồng khi nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trước và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn. Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, có cỡ hạt từ 1 - 10μm, trung bình 9 - 15μm. Tro bay khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, giảm 10% nước trộn bê tông.

Hình 1. Tro bay (Fly ash) thành phẩm

Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: 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%. 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. Do đốt không tốt, nên hàm lượng than chưa cháy khá cao, Tro tuyển đến hàm lượng mất khi nung nhỏ hơn 6% có thể dùng để trộn vào xi măng với tỷ lệ trung bình 10 - 20% (có khi lên tới 20 - 40% tuỳ thuộc vào loại xi măng) với mục đích giảm giá thành và cải thiện một số tính chất của xi măng (làm bê tông khối lớn, chống thấm nước, chống dãn nở nhiệt, nhẹ hơn bê tông thường) i ≥ 20.

Do tạo thành ở nhiệt độ cao, các hạt tro bay nói chung ở dạng vật chất thủy tinh xốp, hình cầu, bị nhiệt phân thành một số chất có hoạt tính thủy lực ẩn (tức là khi trộn với vôi hay dung dịch có vôi, nó sẽ thể hiện tính đóng rắn thủy lực), còn tro đáy có hoạt tính kém hơn nhưng chúng cũng đã được nhiệt phân gần như tro bay, điều này làm cho tro xỉ nhiệt điện (có chất lượng đạt yêu cầu quy định – cụ thể là ASTM 618:99) rất được công nghiệp xi măng và sản xuất vật liệu xây dựng (phụ gia nghiền xi măng, phụ gia cho bê tông đầm lăn, sản xuất gạch không nung...) ưa chuộng bởi lẽ bên cạnh ưu thế hoạt tính thủy lực ẩn nêu trên, tro xỉ nhiệt điện là phụ gia (hoạt tính thấp) ít ảnh hưởng đến màu sắc và ít làm giảm cường độ bền nén của xi măng hơn những loại phụ gia khác (như pozzolana, đá vôi, đá đen...). Nhu cầu của nền công nghiệp xi măng nói riêng và vật liệu xây dựng nói chung như hiện nay vượt xa sản lượng tro xỉ nhiệt điện 4.800.000 tấn/năm.

Tại các mỏ hầm lò Việt Nam, tấm chèn sử dụng cùng với các khung chống thép đang chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các loại hình kết cấu chống lò hiện nay tại các mỏ hầm lò. Tấm chèn có nhiệm vụ lấp kín khoảng hở giữa kết cấu chống và biên đào phân bố đều áp lực đất đá lên kết cấu chống, ngăn ngừa hiện tượng trượt lở nóc, hông đường lò. Chọn tấm chèn là các tấm bê tông cốt thép có kích thước: b.h = 150 X 50 (mm) với chiều dài bằng chiều dài bước chống được chọn là: L = 0,7 m; L=0,9m; L= 1,0m tùy thuộc vào đặc tính áp lực mỏ nơi đường lò đi qua. Tính toán lựa chọn tấm chèn được thực hiện bằng cách coi tấm chèn như dầm đặt trên 2 gối tựa khoảng cách 2 gối tựa bằng khoảng cách 2 vì chống L và tấm chèn đặt ở chính giữa nóc, chịu tải trọng phân bố đều của vòm phá hủy. Sơ đồ tính tấm chèn phía nóc lò với chiều cao vòm phá hủy b₁ như Hình 2 và kết cấu điển hình của tấm chèn bê tông cốt thép như Hình 3.

Hình 2: Sơ đồ tính toán tấm chèn

Hiện tại tại nhiều mỏ hầm lò do chất lượng chế tạo tấm chèn, biện pháp thi công lắp dựng và môi trường tại các đường lò ẩm ướt, sự gia tăng áp lực so với thiết kế …tại nên tại một số đường lò của mỏ như Hà Lầm, Mông Dương tấm chèn bị phá hủy như gãy, nứt, biến dạng nén cong.. gây mất ổn định cho đường lò. Qua tính toán kiểm tra lại cho thấy tại một số đường lò mô men chống uốn lớn nhất trong tấm chèn lớn hơn mô men cho phép. Ngoài ra do điều kiện hầm lò ẩm ướt dẫn đến việc cốt thép trong tấm chèn bị ăn mòn nhanh giảm độ bền và gây ra mất ổn định.

Hình 3: Cấu tạo của tấm chèn nóc với bước chống L = 0,7m

3. Kết quả thiết kế cấp phối bê tông và chống giữ đường lò sử dụng tấm chèn chế tạo từ tro xỉ của nhà máy nhiệt điện

Theo kết quả nhóm nghiên cứu Xác định thành phần cốt liệu cho 1m³ bê tông M 200 dùng cho chế tạo tấm chèn như Bảng 2. Khi tín toán cấp phối vữa bê tông cho tấm chèn M200 sử dụng tro bay thay một phần xi măng trong cấp phối bê tông nhóm nghiên cứu có kết quả so sánh hai phương án như Bảng 3. Như vậy từ tổng khối lượng giữa hai cách tính cấp phối bê tông ta có thể nhận ra rằng việc sử dụng tro bay để tính toán cấp phối bê tông sẽ là khối lượng 1m³ bê tông sử dung tro bay nhẹ hơn 1 m³ bê tông thường 37,78kg và tiết kiệm được 118,17 kg. Ngoài ra nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành tính toán chi phí vật liệu cho tấm chèn chế tạo từ xỉ tro cho đường lò Xuyên vỉa số 2 mức -140 Lộ Trí công ty than Thống nhất có tiết diện đào S_đ= 15,3m² với f=4-6 cho bước chống L=0,7m (Bảng 4) và f = 7-8 (Bảng 5) với bước chống L=0,9m chiều dày 40mm so với 50mm so với các tấm chèn đang sử dụng. Qua tính toán sơ bộ chi phí vật liệu cho 1m dài đường lò cho thấy chi phí vật liệu cho tấm chèn cho thấy phương án sử dụng tro xỉ chế tạo tấm chèn tiết kiệm được khoảng 239.050 VNĐ so với phương án sử dụng tấm chèn chế tạo từ bê tông truyền thống.

Bảng 2. Cấp vữa bê tông chế tạo tấm chèn M200

Bảng 3. So sánh cấp phối bê tông M200 giữa hai phương pháp

Bảng 4. Tổng hợp chi phí vật liệu chính cho 1 tấm chèn với L = 0,7m kích thước bxh = 150x40mm

Bảng 5. Tổng hợp chi phí vật liệu chính cho 1 tấm chèn với L = 0,9m kích thước bxh= 150x40mm

4. Hiệu quả tích cực đến môi trường khi sử dụng tro xỉ nhà máy nhiệt điện chế tạo tấm chèn lò

Theo tính toán đến 2020 với 43 nhà máy, lượng tro xỉ thải ra rất lớn và để có thể chứa hết lượng phế thải đó, cần khoảng 600 nghìn ha, tức là sau bốn năm, trung bình sẽ mất diện tích của một xã miền Bắc. Tro bay được thu gom trong nhà máy rồi đẩy ra bằng hệ thống đường ống nén khí đến các xi-lô gần bãi thải nên không gây bụi. Giải pháp trước mắt của các nhà máy nhiệt điện là vẫn nén chặt, chôn lấp trong bãi thải. Tuy nhiên, nếu tro xỉ thải ra không có hướng xử lý và sử dụng chắc chắn sẽ ứ đọng, gây họa cho môi trường và người dân địa phương. Hiện tại, lượng tro xỉ, thạch cao được xử lý và sử dụng mới chỉ chiếm 30% (khoảng 5 triệu tấn) so với tổng lượng thải ra hàng năm. Như vậy, 70% tồn đọng đang và sẽ gây áp lực rất lớn về bãi chứa và vấn đề bảo vệ môi trường. Việc xử lý chất thải là vấn đề sống còn của các nhà máy nhiệt điện và xã hội. Nếu xử lý, sử dụng triệt để sẽ giải quyết được nhiều mục tiêu như: Tiết kiệm diện tích đất đai dùng làm bãi chứa thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tạo thêm nguồn thu từ các sản phẩm đã được xử lý, tăng hiệu quả đầu tư của các dự án trong đó có dự án khai thác hầm lò. Bên cạnh đó là việc góp phần tiết kiệm ngoại tệ, giảm gánh nặng nhập siêu cho nền kinh tế, bởi việc tái chế sẽ tạo nguồn nguyên liệu thay thế các nguyên liệu vẫn phải nhập khẩu để làm phụ gia cho sản xuất xi măng, làm bê tông, xử lý đất. Đồng thời, hình thành thị trường mua bán chất thải đã được xử lý để làm nguyên liệu làm VLXD. Đây là một giải pháp tạo nguồn nguyên liệu cơ bản nhằm ổn định để phát triển bền vững cho ngành VLXD, hạn chế sử dụng nhiều tài nguyên thiên nhiên, khoáng sản và nhiên liệu phát thải nhiều ra môi trường gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, lượng tro, xỉ, thạch cao được xử lý và đưa vào sử dụng vẫn còn hạn chế. Theo số liệu điều tra thực tế, tổng lượng tro, xỉ, thạch cao chỉ tiêu thụ được vào khoảng hơn 30% so với tổng lượng thải ra hàng năm.

Mặt khác nguồn cung ứng các loại vật liệu xây dựng tự nhiên như cát, đá răm…cũng ngày càng thu hẹp thì việc sử dụng các vật liệu truyền thống này dẫn đến tăng giá thành chế tạo kết cấu. Xỉ tro là vật liệu được sinh ra hàng năm với nguồn cung ứng ổn định sẽ là xu hướng hiệu quả cho việc sử dụng thay thế các vật liệu truyền thống trong chế tọa kết cấu xây dựng nói chung và kết cấu chống giữ các đường lò nói riêng trong đó có tấm chèn. Hàng năm khối lượng các đường lò đào mới trong mỏ rất lớn trong đó các khung chống thép sử dụng chèn lò bằng tấm chèn bê tông cốt thép chiếm tới 60-70% các loại hình kết cấu chống trong mỏ, do vậy việc nghiên cứu sử dụng tro xỉ để chế tạo tấm thực sự có ý nghĩa trong việc tái chế vật liệu giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả khai thác.

5. Kết luận

Kêt quả nghiên cứu cho phép rút ra các kết luận dưới đây.

- Việc tận dụng xỉ tro của Nhà máy nhiệt điện sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và tấm chèn lò nói riêng mang đến những lợi ích lớn về mặt kỹ thuật và cả những giá trị mang lại từ việc môi trường được cải thiện, giảm quỹ đất địa phương làm bãi thải tro xỉ, tăng hiệu quả các dự án khai thác do giảm chi phí vật liệu.

- Kết qủa bài báo bước đầu cho thấy việc sử dụng xỉ tro chế tạo tấm chèn mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường to lớn mang lại, tuy nhiên cần có nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo tấm chèn chống lò. Với chủ trương nâng cao hiệu quả khai thác nhờ sử dụng các loại vật liệu và kết cấu chống hợp lý thì đây là hướng nghiên cứu áp dụng mạnh hơn nữa trong thời gian tới.

- Về môi trường, khi sản xuất 1 tấn xi măng, sẽ thải ra một tấn khí CO2, vì vậy lượng tro bay thay thế xi măng trong bê tông cũng chính là lượng khí tương ứng mà ta có thể cắt giảm, giảm đáng kể lượng diện tích kho bãi chứa và bụi, ảnh hưởng đến nguồn nước trong môi trường, giảm thiểu tác động xấu đến các khu dân cư lân cận.

NGUYỄN NGA Tổng hợp

TS. Đặng Văn Kiên, GS.TS.NGND. Võ Trọng Hùng, TS. Đỗ Ngọc Anh

Trường Đại học Mỏ-Địa chất

Th.S. Phạm Tuấn Anh- Công ty Cổ phần tư vấn đầu tư Mỏ và Công nghiệp-TKV