Nên dùng tro đáy và tro bay nhiệt điện làm đường giao thông?

Thế giới phổ biến sử dụng tro bay và tro đáy xây dựng công trình giao thông

Từ những năm 1920, nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than được xây dựng và phát thải ra nhiều tấn tro xỉ. Theo nghiên cứu tổng quan các ứng dụng tro bay, từ năm 2010, trên thế giới, tro xỉ phát ra khoảng 600 triệu tấn, trong đó có 500 triệu tấn là tro bay (chiếm 75 - 80%). Vào thời điểm này, các nước trên thế tận dụng từ 3% là nhỏ nhất cho đến 57% là lớn nhất và trung bình vào khoảng 16% của tổng lượng tro thải và ứng dụng nhiều nhất là xây dựng đường ô tô (từ lớp đắp nền cho đến lớp bê tông làm mặt đường) và đắp hoàn nguyên mỏ [1].

Ở Mỹ, tro bay được sử dụng để xây dựng đường từ những năm 1950. Năm 1974, Cục Quản lý cao tốc Liên bang Mỹ khuyến khích sử dụng tro bay trong tài liệu N5080.4 thay thế một phần xi măng bằng tro bay trong các ứng dụng. Năm 1983, Cục Liên bang về môi trường đã hướng dẫn cho toàn bộ xi măng và bê tông có chứa tro bay về vấn đề môi trường để tăng việc sử dụng tro bay. Cục Quản lý cao tốc Liên bang phối hợp với Hiệp hội Tro than đá Hoa Kỳ và Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ đề xuất tài liệu [2] đã hướng dẫn dùng tro bay trong tất cả các lớp vật liệu làm đường: Bê tông xi măng, gia cố base, lớp tự san, lớp đắp nền, cải thiện đất nền, bê tông asphalt và vữa rót trong sửa chữa. Nhiều tiêu chuẩn về tro bay nhiệt điện của Mỹ như: Kết cấu nền đắp, gia cố đất, bột khoáng cho bê tông asphalt cũng như tiêu chuẩn cho bê tông và vữa.

Ở Ấn Độ, tro bay được sử dụng khá nhiều, với khoảng 120 nhà máy nhiệt điện đốt than thải ra hàng năm khoảng 120 - 150 triệu tấn tro bay. Lượng thay thế 50% xi măng cùng với xỉ thép và cốt liệu tái chế để làm bê tông cường độ cao mà không ảnh hưởng đến môi trường [3]. Theo báo cáo của Úc [4] thì nước này hàng năm thải ra khoảng 12 triệu tấn ra bãi chứa và khoảng 44% được thu hồi tro bay để sử dụng các mục đích có lợi như gia cố nền đường, làm bê tông.

Tại một số quốc gia có mức độ phát thải tro xỉ nhiệt điện lớn thì tro xỉ nhiệt điện được tái sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để tận thu tài nguyên như làm phụ gia cho xi măng, bê tông, làm vật liệu cho gạch, vữa xây không nung, cải tạo đất nông nghiệp và phần lớn phục vụ làm vật liệu xử lý nền, san lấp công trình hoặc hoàn nguyên mỏ... Theo số liệu từ Hội thảo tro than thế giới năm 2013, đối với lĩnh vực san lấp sử dụng ở mức khá như ở châu Âu với 18,98%; ở Ấn Độ với 6,4% cho đắp đường giao thông và 12,6% cho san nền; ở Mỹ chỉ hơn 11% được sử dụng để san lấp và thấp nhất là Nhật Bản với 5,6%.

Ở Việt Nam, trước đây dùng cho bê tông đầm lăn ở đập thủy điện, nay việc sử dụng tro xỉ là hạn chế, chủ yếu sử dụng tro bay (dạng khô) làm phụ gia sản xuất xi măng và các cấu kiện bê tông, chưa có công trình giao thông nào sử dụng tro xỉ để đắp nền đường hoặc lớp base, subbase. Tính toán sơ bộ, nếu làm đường cấp III đồng bằng từ đất nền lên đến kết cấu có sử dụng tro bay thì dùng hết 1.000 tấn cho 1 km đường, nếu sử dụng cho đường giao thông nông thôn thì khoảng 500 tấn cho 1 km đường. Như vậy, có thể nói sử dụng tro bay, xỉ đáy lò trong xây dựng đường ô tô sẽ giảm đáng kể lượng tro bay và xỉ đáy lò thải ra.

Hiện tại, tro xỉ theo khái niệm của Bộ Xây dựng đưa ra gồm có tro bay (khoảng 70 - 80%) và xỉ đáy lò (chiếm khoảng 20 - 30%) tùy theo công nghệ đốt. Vì tro bay cỡ hạt <75 µm chiếm chủ yếu nên rất khó để là vật liệu đơn phương trong đất đắp nền, mà phải kết hợp xỉ đáy lò và vật liệu dạng hạt khác lớn hơn.

Việt Nam nhiều nghiên cứu về tro bay và tro xỉ trong giao thông

Đã có nhiều nghiên cứu về tro bay, xỉ đáy lò làm vật liệu cho bê tông xi măng, bê tông đầm lăn, vật liệu gia cố làm lớp móng mặt đường có liên quan đến giao thông. Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học GTVT đã công bố các nghiên cứu: Sử dụng bê tông xi măng tro bay để phát triển bền vững kết cấu mặt đường ô tô (Tạp chí GTVT, số tháng 08, năm 2012); Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông đầm lăn làm kết cấu mặt đường ô tô (Tạp chí GTVT, số tháng 07, năm 2013); Ứng dụng tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện làm vật liệu cho công trình giao thông (Tạp chí Cầu đường, số tháng 10, năm 2016); Thiết kế thành phần bê tông xi măng nhiều tro bay cường độ cao dùng trong mặt đường ô tô (Tạp chí Cầu đường, số tháng 07, năm 2017); Nghiên cứu tính năng của bê tông hạt nhỏ nhiều tro bay dùng làm mặt đường giao thông nông thôn thi công bằng công nghệ đầm lăn (Tạp chí GTVT, số tháng 06, năm 2018); Nghiên cứu ứng dụng kết hợp tro bay Vĩnh Tân và Cát đỏ Bình Thuận làm lớp móng mặt đường giao thông nông thôn (Tạp chí GTVT, số tháng 03, năm 2019); Thiết kế thành phần và đặc tính kỹ thuật của bê tông đầm lăn hàm lượng tro bay cao làm móng mặt đường ô tô (Tạp chí GTVT, số tháng 03, năm 2021); Nghiên cứu chế tạo bê tông xi măng làm kết cấu móng mặt đường dùng cát đỏ Bình Thuận và tro bay Vĩnh Tân (Tạp chí Cầu đường, số 04, năm 2021); Các kết quả nghiên cứu tập trung về công bố chủ yếu nghiên cứu tro bay Hải Phòng - Quảng Ninh, tro bay Vũng Áng, tro bay Vĩnh Tân, cụ thể cấp phối thành phần hạt của tro bay và xỉ đáy lò Vĩnh Tân 1 ở Hình 1:

Hình 1: Thành phần hạt tro bay, xỉ đáy lò Vĩnh Tân 1

Theo kết quả nghiên cứu thì tro bay cơ bản là các hạt nhỏ như bột khoáng, còn xỉ đáy lò tương đương như cát nên để thành vật liệu đắp nền tốt cần phối trộn các cỡ hạt lớn hơn.

Nghiên cứu của đề tài khoa học cấp Bộ Xây dựng, mã số:110-16-TX, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã triển khai thi công đắp 100 m nền đường trên tuyến T4 thuộc cơ sở đào tạo thực nghiệm Trường Đại học Xây dựng Hà Nội tại Duy Tiên, Hà Nam bằng tro bay nhiệt điện Nghi Sơn với khối lượng tro xỉ sử dụng khoảng 1.000 tấn. Kết quả thử nghiệm cho thấy nền đường có chất lượng thỏa mãn các tiêu chuẩn quy định đối với nền đường đắp. Mô-đun đàn hồi đo được trên đỉnh nền là Eđh = 63 MPa, ở mức cao. Kết quả phân tích môi trường nước cho thấy các hàm lượng đều đạt ngưỡng tiêu chuẩn cho phép.

Nghiên cứu thử nghiệm của Bắc Ninh làm móng mặt đê kết hợp giao thông ở đoạn đê hữu sông Đuống, tỉnh Bắc Ninh từ km30+880 - km30+930, đạt CBR của móng mặt đê từ 50% trở lên, mặt đường đê bằng bê tông xi măng nhiều tro bay, đến nay vẫn ổn định và có chất lượng tốt.

Kết luận và kiến nghị

Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu đối với sử dụng tro xỉ trong san lấp, đắp nền đường ô tô và làm phụ gia cho bê tông và vữa xây khá đầy đủ để có thể ứng dụng trong thực tế. Tuy nhiên, hiện nay chưa có thi công thử nghiệm và chưa có công trình nào có quy mô tương tự sử dụng tro xỉ nhiệt điện đốt than để đắp nền đường, vì vậy để đưa được tro xỉ trong công tác thi công xây dựng đường giao thông đề nghị cơ quan hữu quan cho phép thử nghiệm ở quy mô lớn để có các biện pháp đánh giá chất lượng một cách tổng thể và đề xuất được các hướng dẫn kỹ thuật và định mức để áp dụng trong làm đường ô tô.

Tài liệu đã dẫn

[1]. M. Ahmaruzzaman, A review on the utilization of Fly Ash, Rrogress in Energy and Combustion Science 36 (2010), 327-363.

[2]. FHWA-IF-03-019, Fly Ash Facts for Highway Engineers, American Coal Ash Association.

[3]. Abid Haleem and partner (September, 2016), Critical factors for the successful usage of fly ash in roads & bridges and embankments: Analyzing indian perspective, Resources Policy, vol.49, pp.334-348.

[4]. Rintu Renjith and partner (20, April, 2021), Optimization of fly ash based soil stabilization using secondary admixtures for sustainable road construction, Journal of Cleaner Production, vol.294, 126264.

PGS. TS. Nguyễn Thanh Sang - Trường Đại học Giao thông vận tải