Tro bay (Fly ash) là sản phẩm phụ dạng hạt mịn, tạo ra từ quá trình đốt than nghiền mịn (pulverized coal) trong các nhà máy nhiệt điện. Về mặt hóa học, fly ash chủ yếu là thủy tinh silicat (silicate glass) chứa silica, alumina, các oxit sắt và canxi, và được phân loại thành Class F (hàm lượng canxi thấp) hoặc Class C (hàm lượng canxi cao hơn) theo ASTM C618 [2],[3].
Theo TCVN 10302:2014, tro bay được định nghĩa là loại bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện trong quá trình đốt than. Tiêu chuẩn này áp dụng cho tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng.
Phân loại theo TCVN 10302:2014
Theo thành phần hóa học:
- Tro axit (F): hàm lượng CaO ≤ 10%.
- Tro bazơ (C): hàm lượng CaO > 10%.
Theo mục đích sử dụng:
- Cho bê tông và vữa xây (ký hiệu a, b, c, d tùy lĩnh vực).
- Cho xi măng (ký hiệu Xm).
Ví dụ: Fa – tro axit dùng cho bê tông cốt thép; CXm – tro bazơ dùng cho xi măng.
Ứng dụng trong bê tông
Trong các nghiên cứu được cung cấp, Tro bay (Fly ash) được sử dụng nhất quán như một vật liệu kết dính bổ sung (SCM) và vật liệu pozzolanic trong các cấp phối bê tông, với:
- Mức thông thường: khoảng 10–40% khối lượng chất kết dính tổng cộng thay thế cho xi măng [4],[5].
- Mức hàm lượng cao (HVFA): ≥50% khối lượng chất kết dính tổng cộng, trong đó bất kỳ bê tông nào chứa >50% fly ash theo khối lượng tổng các vật liệu xi măng đều được xem là HVFA [6].
Trong bê tông, silica và alumina vô định hình trong fly ash phản ứng với Ca(OH)₂ sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng Portland để tạo thêm C‑S‑H và các sản phẩm thủy hóa khác. Các hạt cầu mịn cải thiện độ chèn kín và đóng vai trò là hạt độn mịn trong hồ xi măng và vùng chuyển tiếp giao diện [4],[7],[8].
Yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 10302:2014
Hình 1 – Các chỉ tiêu chất lượng dùng cho bê tông và vữa xây (Bảng 1 mục 5.1-TCVN 10302:2014)
Hình 2 – Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay dùng cho xi măng (Bảng 2 mục 5.2-TCVN 10302:2014)
Mục đích sử dụng Tro bay (Fly ash) trong bê tông
Thay thế một phần xi măng Portland
Tro bay (Fly ash) được sử dụng để thay thế một phần xi măng Portland nhằm giảm lượng xi măng tiêu thụ, chi phí vật liệu và gánh nặng môi trường liên quan đến quá trình sản xuất xi măng [4],[6],[9]. Các mức thay thế điển hình:
- 10–40% fly ash Class F trong bê tông thông thường [4].
- 35–55% (≥50%) trong bê tông HVFA [6],[10].
Khai thác tính pozzolanic để tăng cường độ và độ bền lâu dài
Silica vô định hình trong tro bay (Fly ash) Class F phản ứng với Ca(OH)₂ để tạo thêm C‑S‑H, dẫn đến cường độ tiếp tục tăng sau 28 ngày và vi cấu trúc đặc hơn [4],[7],[8].
- Bê tông chứa 30–40% fly ash có cường độ 28 ngày thấp hơn nhưng phát triển mạnh đến 180 ngày (≈82–88% so với đối chứng) [4].
- HVFA (35–55%) cho cường độ 91 ngày vượt trội, đặc biệt với fly ash mịn [10].
Kiểm soát nhiệt thủy hóa và nứt nhiệt (bê tông khối lớn)
Thay thế xi măng bằng hàm lượng lớn tro bay (Fly ash) làm giảm rõ rệt độ tăng nhiệt đoạn nhiệt và nhiệt độ cực đại bên trong các cấu kiện bê tông khối lớn [6],[10],[11].
- HVFA (35–55%) giảm nhiệt đoạn nhiệt cực đại xuống 73–89% so với bê tông thường.
- Nhiệt độ tâm khối mock‑up 1200 × 1200 × 1200 mm giảm 68–83%, cải thiện chỉ số nứt nhiệt [10],[11].
Cải thiện tính chất hỗn hợp bê tông tươi và tính công tác
Các hạt cầu của fly ash hoạt động như “rolling rollers”, cải thiện tính chảy và giảm nhu cầu nước [12].
- Tại mức thay thế 25%, độ sụt tăng 18–22%, độ chảy xòe tăng 8–9% so với đối chứng [12].
- HVFA tận dụng hiệu ứng này để duy trì tính công tác ở tỷ lệ nước/chất kết dính thấp [6],[13].
Nâng cao độ bền trong môi trường xâm thực
Fly ash tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng, giảm độ thấm, tăng khả năng chống xâm nhập ion Cl⁻, tấn công sunfat, chu trình đông‑tan, và phản ứng kiềm‑silica (ASR) [4],[14],[15].
Tiêu chuẩn cho phép / Phân loại
Tro bay (Fly ash) với vai trò là phụ gia khoáng hoạt tính (reactive mineral admixture) trong bê tông được quy định bởi:
- Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302:2014 – Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng – Bộ Khoa học và Công nghệ. (2014)
- ASTM C618 – Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, làm cơ sở phân loại fly ash Class F [2]. Các nghiên cứu về độ bền lâu sử dụng fly ash Class F theo ASTM C618 [4].
- Thiết kế cấp phối bê tông thường tuân theo ACI 211 – Guide for Selecting Proportions for High‑Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash [3],[16].
- Các tiêu chuẩn ASTM khác:
– ASTM C39 – cường độ nén
– ASTM C1202 – độ thấm ion clorua nhanh
– ASTM C204 – độ mịn Blaine [4],[10],[17].
Lợi ích của tro bay (Fly ash) trong bê tông
1. Tăng tính công tác và giảm nhu cầu nước
- Hình dạng hạt cầu và nhu cầu nước tương đối thấp của fly ash giúp cải thiện tính công tác (workability) của bê tông. Trong bê tông cường độ cao dùng cát nghiền (MSC) và bê tông dùng cát tự nhiên (NSC), độ sụt (slump) và độ chảy xòe (slump‑flow) tăng dần theo tỷ lệ thay thế fly ash; tại mức 25% fly ash, độ sụt và độ chảy xòe của MSC tăng lần lượt 22,2% và 9,4%, và của NSC tăng 18,4% và 8,2% so với cấp phối không dùng fly ash [12].
- Bê tông HVFA cũng thể hiện tính công tác được cải thiện nhờ hiệu ứng “ball‑bearing” và cấp phối hạt mịn được tối ưu, cho phép sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính thấp nhưng vẫn đạt độ sụt yêu cầu [6],[13].
Theo TCVN 10302:2014, tro bay dùng cho bê tông và vữa xây phải đáp ứng:
- Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng: không lớn hơn 105%.
- Độ mịn: lượng sót sàng 45 µm ≤ 25–40%.
- Độ ẩm: ≤3%.
Điều này đảm bảo khi sử dụng tro bay, hỗn hợp bê tông duy trì tính công tác tốt mà không làm tăng đáng kể nhu cầu nước.
2. Cải thiện khả năng phát triển cường độ dài hạn
- Trong nghiên cứu độ bền lâu của bê tông dùng tro bay (Fly ash) Class F (tỷ lệ thay thế 0–40% tại w/b = 0,35), cường độ nén 7 ngày giảm khi hàm lượng fly ash tăng, với các cấp phối 10, 20, 30 và 40% fly ash đạt lần lượt khoảng 86, 74, 56 và 51% cường độ của mẫu đối chứng [4].
- Tuy nhiên, cường độ tiếp tục phát triển đáng kể đến 180 ngày và 1 năm. Sau một năm dưỡng hộ, các bê tông với 10, 20, 30 và 40% tro bay (Fly ash) đạt khoảng 88, 82, 87 và 83% cường độ nén của bê tông đối chứng [4].
- Trong bê tông HVFA (35–55% fly ash), cường độ nén 7 ngày giảm khi tăng tỷ lệ thay thế tro bay (Fly ash), nhưng tại 91 ngày, cấp phối với 55% fly ash nghiền mịn (B3B6–55_0.28) đạt cường độ nén cao nhất (54,2 MPa), vượt cấp phối bê tông thường; sự phát triển cường độ dài hạn có tương quan chặt với hàm lượng fly ash do phản ứng pozzolanic kéo dài và hiệu ứng hạt độn [10].
- Theo TCVN 10302:2014, chỉ số hoạt tính cường độ của tro bay dùng cho xi măng sau 28 ngày phải đạt ≥75% so với mẫu đối chứng. Điều này phù hợp với cơ chế phát triển cường độ dài hạn của bê tông chứa fly ash.
3. Giảm độ thấm, độ hút nước mao dẫn và thể tích lỗ rỗng thấm nước
- Thể tích lỗ rỗng thấm nước (VPV) giảm khi tăng hàm lượng fly ash. Sau 28 ngày, VPV của tất cả các cấp phối nằm trong khoảng 7,8–9,2%; đến 180 ngày, VPV giảm xuống lần lượt 6,6; 6,0; 5,8; 5,2 và 5,1% đối với các hàm lượng fly ash là 0, 10, 20, 30 và 40%, phản ánh hiệu quả tích cực của hạt fly ash mịn và hiệu ứng “ball‑bearing” trong việc tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng [4].
- Độ hút nước mao dẫn (sorptivity) cũng giảm. Ở 28 ngày, giá trị sorptivity đối với 0, 10, 20, 30 và 40% fly ash lần lượt là 0,097; 0,088; 0,081; 0,073 và 0,068 mm·min⁻⁰·⁵, tương ứng 100; 91; 84; 75 và 70% so với mẫu đối chứng. Ở 180 ngày, tất cả các cấp phối đều có sorptivity thấp hơn, trong đó bê tông dùng fly ash vẫn thể hiện ưu thế rõ rệt [4].
- Ảnh SEM của cấp phối 40% fly ash cho thấy các hạt cầu trơn nhẵn ở 28 ngày được thay thế phần lớn bằng các tinh thể ettringite dạng kim và C‑S‑H đặc sít sau 180 ngày, chứng tỏ phản ứng pozzolanic tiếp diễn và quá trình lấp đầy lỗ rỗng [4],[8].
4. Nâng cao khả năng chống xâm nhập ion clorua và phản ứng kiềm–silica (ASR)
- Thử nghiệm ASTM C1202 cho thấy bê tông dùng fly ash có mức xâm nhập ion clorua thấp hơn ở cả 28 và 180 ngày. Ở 28 ngày, các hàm lượng 10, 20, 30 và 40% fly ash làm giảm điện lượng truyền qua xuống còn 93, 73, 52 và 47% so với bê tông đối chứng [4].
- Đến 180 ngày, các bê tông chứa 20–40% fly ash Class F rơi vào nhóm “very low” về độ thấm clorua, trong khi cấp phối đối chứng chỉ đạt mức “low” [4].
- Tro bay (Fly ash) Class F hiệu quả nhất trong việc giảm độ thấm ion clorua nhờ độ mịn cao và khả năng liên kết kiềm, làm giảm nguy cơ ASR [15],[18].
- Theo TCVN 10302:2014, tro bay phải đảm bảo hàm lượng kiềm hòa tan ≤1,5% và ion Cl⁻ ≤0,1%, giúp hạn chế nguy cơ ăn mòn cốt thép và phản ứng kiềm–silica.
5. Giảm co ngót khô và xu hướng nứt
Thay thế xi măng bằng tro bay (Fly ash) Class F làm giảm hàm lượng vôi tự do và tốc độ thủy hóa, qua đó giảm co ngót khô. Các bê tông với 10, 20, 30 và 40% fly ash có giá trị co ngót khoảng 91, 84, 75 và 70% so với mẫu đối chứng ở tuổi 180 ngày [4].
Tỷ lệ thay thế 50% fly ash có thể giảm co ngót khoảng 30% so với bê tông thông thường [14].
Trong bê tông khối lớn, HVFA (35–55%) làm giảm nhiệt độ đoạn nhiệt cực đại và chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt, cải thiện chỉ số nứt nhiệt [10],[11].
6. Cải thiện khả năng chống tấn công sunfat – xói mòn gió và chu trình đông–tan
- Trong bê tông cường độ cao MSC và NSC chịu tác động đồng thời của tấn công sunfat, xói mòn gió và chu trình đông‑tan, tỷ lệ thay thế fly ash 10–15% cho kết quả độ bền tổng thể tốt nhất [12].
- Hiệu năng cải thiện nhờ phản ứng pozzolanic và hiệu ứng vi cốt liệu, giúp tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng [12].
7. Giảm dấu chân carbon CO₂ và tăng tính bền vững
- Sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% phát thải khí nhà kính toàn cầu [9].
- Thay thế 50% xi măng bằng fly ash có thể giảm phát thải CO₂ tích hợp khoảng 42% và giảm chi phí sản xuất 21% [19].
Fly ash là nguồn phụ phẩm công nghiệp dồi dào, góp phần giảm chất thải và phát triển hạ tầng bền vững [1],[6],[20].
8. Tương thích với thực hành thiết kế kết cấu
- Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén của bê tông HVFA tương tự bê tông thường, cho phép áp dụng công thức thiết kế hiện hành [10].
- HVFA đạt cường độ dài hạn tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng Portland, đồng thời giảm nứt nhiệt trong cấu kiện khối lớn [6],[11],[21].
Lời kết
Việc sử dụng tro bay (fly ash) làm phụ gia khoáng hoạt tính trong bê tông là giải pháp chiến lược nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, kinh tế và môi trường trong ngành xây dựng hiện đại. Với đặc tính pozzolanic và hiệu ứng hạt cầu, tro bay không chỉ cải thiện tính công tác, giảm nhu cầu nước mà còn nâng cao độ bền lâu dài, giảm độ thấm, hạn chế co ngót và tăng khả năng chống xâm thực.
Các tiêu chuẩn quốc tế (ASTM C618, ACI) và TCVN 10302:2014 đã thiết lập khung pháp lý rõ ràng về phân loại, yêu cầu hóa học, độ mịn và chỉ số hoạt tính, đảm bảo tính tương thích trong thiết kế kết cấu. Bên cạnh lợi ích kỹ thuật, việc thay thế xi măng bằng tro bay góp phần giảm phát thải CO₂, tối ưu chi phí và thúc đẩy phát triển bền vững. Đây là hướng đi tất yếu cho bê tông chất lượng cao và hạ tầng xanh trong tương lai.
Bài viết liên quan:
- Tổng quan về cát nghiền (cát nhân tạo) trong sản xuất bê tông
- Phương pháp xác định hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông theo TCVN 3111-2022
Từ khóa:
- nhược điểm của tro bay
- tỷ lệ tro bay trong be tông
- vai trò của tro bay trong bê tông
- lợi ích của tro bay trong bê tông
- giá tro bay
- tỉ lệ tro bay trong bê tông
Tài liệu tham khảo:
[1] Ondova, M., Stevulova, N., & Estokova, A. (2012). The study of the properties of fly ash based concrete composites with various chemical admixtures. Procedia Engineering, 42, 1863–1872.
[2] ASTM C618-08. (2008). Standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete. ASTM International.
[3] ACI Committee 211. (1993). Guide for selecting proportions for high-strength concrete with Portland cement and fly ash (ACI 211). American Concrete Institute.
[4] Saha, A. K. (2018). Effect of class F fly ash on the durability properties of concrete. Sustainable Environment Research, 28, 25–31.
[5] Ondova, M., Stevulova, N., & Zelenakova, E. (2012). Benefits of fly ash utilization in concrete road cover. Journal of Theoretical Foundations of Chemical Engineering.
[6] Crouch, L. K., Hewitt, R., & Byard, B. (High Volume Fly Ash Concrete). High Volume Fly Ash Concrete. Tennessee Technological University.
[7] Chindaprasirt, P., Jaturapitakkul, C., & Sinsiri, T. (2005). Effect of fly ash fineness on compressive strength and pore size of blended cement paste. Cement and Concrete Composites, 27, 425–428.
[8] Saha, A. K., & Sarker, P. K. (2017). Microstructural observation of fly ash concrete (SEM analysis). In A. K. Saha, Effect of class F fly ash on the durability properties of concrete (pp. 28–29). Sustainable Environment Research, 28, 25–31.
[9] Saha, A. K. (2018). Introduction: Cement production, CO₂ emissions, and the role of supplementary cementitious materials. Sustainable Environment Research, 28, 25–31.
[10] Oh, S., Oh, G., Hong, G., & Choi, Y.-C. (2024). Thermomechanical properties of high-volume fly ash concrete for application in mass concrete. Case Studies in Construction Materials, 23, e00825.
[11] Xin, J., Liu, Y., Zhang, G., Wang, Z., Wang, J., Yang, N., & Qiao, Y. (2022). Evaluation of early-age thermal cracking resistance of high w/b, high volume fly ash (HVFA) concrete using a temperature stress testing machine. Case Studies in Construction Materials, 16, e00825
[12] Zhou, H., Wu, X., Han, C., & Wei, Y. (2025). Research on durability and multi-index evaluation of carbon emissions for high-strength concrete with fly ash manufactured sand. Case Studies in Construction Materials, 23, (article number pending).
[13] Obla, K., Hill, R., & Martin, R. (2003). HVFA concrete – An industry perspective. Concrete International, 25(8), 29–34.
[14] Atiş, C. D. (2003). High-volume fly ash concrete with high strength and low drying shrinkage. Journal of Materials in Civil Engineering, 15, 153–158.
[15] Wang, S., Llamazos, E., Baxter, L., & Fonseca, F. (2008). Durability of biomass fly ash concrete: Freezing and thawing and rapid chloride permeability tests. Fuel, 87, 359–364.
[16] ACI Committee 211. (1993). Guide for selecting proportions for high-strength concrete with Portland cement and fly ash (ACI 211). American Concrete Institute.
[17] ASTM C204-16. (2016). Standard test methods for fineness of hydraulic cement by air-permeability apparatus. ASTM International.
[18] Shehata, M. H., Thomas, M. D. A., & Bleszynski, R. F. (1999). The effects of fly ash composition on the chemistry of pore solution in hydrated cement pastes. Cement and Concrete Research, 29, 1915–1920.
[19] Mocharla, I. R., Selvam, R., Govindaraj, V., & Muthu, M. (2022). Performance and life-cycle assessment of high-volume fly ash concrete mixes containing steel slag sand. Construction and Building Materials, 341, 127814.
[20] Ahmaruzzaman, M. (2010). A review on the utilization of fly ash. Progress in Energy and Combustion Science, 36, 327–363.
[21] Langley, W., Carette, G., & Malhotra, V. M. (1989). Structural concrete incorporating high volumes of ASTM Class F fly ash. ACI Materials Journal, 86(5), 507–514.
[22] Bộ Khoa học và Công nghệ. (2014). TCVN 10302:2014 – Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng (Activity admixture – Fly ash for concrete, mortar and cement). Hà Nội: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn.
