Các mẫu vữa trong nghiên cứu này có cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn lần lượt lớn hơn 54 MPa và 8,7 MPa, trong khi độ hút nước nhỏ hơn 4,5 %. Đặc biệt, việc sử dụng tro bay góp phần xử lý một phần chất thải rắn trong công nghiệp và giảm ô nhiễm môi trường.

Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng ngày càng tăng, điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng ngày càng lớn. Trong đó, các sản phẩm dựa trên phản ứng thủy hóa của xi măng như bê tông và vữa vẫn là các vật liệu chính trong xây dựng. Nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng, bê tông là vật liệu được tiêu thụ nhiều thứ 2 trên thế giới, chỉ sau tài nguyên nước [1]. Để đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ bê tông như trên, cần một lượng lớn xi măng để làm chất kết dính.

Theo thống kê năm 2021, tổng lượng xi măng sản xuất trên toàn thế giới đạt 4,4 tỷ tấn [2] và giảm nhẹ còn 4,1 tỷ tấn vào năm 2023 [3] do những biến đổi về tình hình kinh tế và chính trị trên toàn thế giới. Lượng xi măng sản xuất ngày một tăng dẫn đến tình trạng suy kiệt các nguồn tài nguyên và ô nhiễm môi trường ngày càng lớn, đặc biệt là tình trạng phát thải khí CO₂ trong quá trình sản xuất xi măng gây hiệu ứng nhà kính và làm cho trái đất ngày càng nóng lên. Do vậy, việc nghiên cứu các loại vật liệu thay thế xi măng là rất cần thiết.

Ở một khía cạnh khác, nhu cầu tiêu thụ năng lượng phục vụ quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước ngày càng tăng, nhiều nhà máy nhiệt điện đã được xây dựng và đi vào vận hành. Theo thống kê của Bộ Công thương, hiện tại cả nước ta có khoảng 29 nhà máy nhiệt điện, các nhà máy này thải ra hàng chục triệu tấn tro, xỉ mỗi năm. Tính đến đầu năm 2020, tổng khối lượng tro, xỉ tồn lưu tại bãi chứa của các nhà máy khoảng 47,65 triệu tấn và lượng tro, xỉ này vẫn không ngừng tăng lên [4]. Tại Thanh Hóa hiện nay có 2 nhà máy Nhiệt điện (Nghi Sơn 1 và Nghi Sơn 2) mỗi nhà máy một ngày thải ra khoảng hơn 1.700 tấn tro bay [5]. Lượng tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện đang tạo sức ép lên môi trường ngày càng lớn, nên việc tái sử dụng loại chất thải này được Nhà nước khuyến khích và toàn xã hội quan tâm. Vì thế, việc nghiên cứu sử dụng tro bay trong sản xuất vật liệu xây dựng đã được nhiều nhà khoa học thực hiện.

Các nghiên cứu trước cho thấy, sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông có thể nâng cao giá trị kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường và đặc biệt là giảm lượng khí thải nhà kính do việc sản xuất xi măng gây ra [6-8]. Ngoài ra, khi sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông làm tăng tính công tác của hỗn hợp và nâng cao độ bền của bê tông [9-10]. Kết quả nghiên cứu trước cho thấy, cường độ chịu nén của bê tông tăng nhẹ khi thay thế 10% hoặc 20% xi măng bởi tro bay, bên cạnh đó độ sụt của bê tông tăng và khối lượng đơn vị thể tích của bê tông giảm khi tăng hàm lượng tro bay [9]. Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng, khả năng chống ăn mòn cốt thép của dầm, cũng như khả năng chịu uốn và chịu biến dạng của dầm bê tông cốt thép tăng lên khi thay thế một phần xi măng bởi tro bay [10]. Tro bay cũng được nghiên cứu để sản xuất gạch không nung [11-14] và vữa xây dựng [15-16]. Đối với vữa xây dựng, các tính chất vật lý và cơ học của vữa phụ thuộc nhiều vào kích thước các hạt, thành phần hóa học cũng như hàm lượng tro bay sử dụng [15]. Trong một nghiên cứu khác, các nhà khoa học đã sử dụng thêm (5 - 30%) vôi hoặc (2 - 10%) silica fume để tăng hiệu quả sử dụng của tro bay trong chế tạo các mẫu vữa [16]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đều chỉ ra rằng các tính chất của vữa phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng tro bay [17-18], mà chất lượng của tro bay lại phụ vào loại than và công nghệ đốt của nhà máy nhiệt điện [17]. Vì vậy đối với loại tro bay địa phương có nguồn gốc từ các nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn cũng cần được nghiên cứu trước khi đưa vào sử dụng.

Với mong muốn hướng đến sự phát triển bền vững, sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên, giảm hoặc tái sử dụng các chất thải rắn trong công nghiệp cũng như hạn chế lượng khí thải CO₂. Nghiên cứu này sử dụng các nguồn vật liệu địa phương sẵn có tại Thanh Hóa trong sản xuất vữa xây dựng cường độ cao, trong đó có việc tái sử dụng tro bay của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 để thay thế một phần xi măng. Các vật liệu khác như xi măng và cát được lấy tương ứng từ nhà máy Xi măng Nghi Sơn và các mỏ cát trên sông Mã tại Thanh Hóa. Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay thay thế xi măng lên các tính chất vật lý và cơ học của vữa như độ lưu động, khối lượng thể tích vữa tươi, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và độ co khô được nghiên cứu.

Chất kết dính trong nghiên cứu này bao gồm Xi măng Nghi Sơn PCB40, silica fume và tro bay của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1. Hình ảnh của các chất kết dính này được thể hiện như Hình 1. Tính chất vật lý và thành phần hóa học chính của chúng được thể hiện trong Bảng 1. Tro bay sử dụng trong nghiên cứu này là tro bay thô, lấy trực tiếp từ nhà máy về và chưa qua tuyển chọn, trong khi tro bay sử dụng trong các nghiên cứu trước đa phần đều là tro bay tuyển. Cát được lấy từ sông Mã có khối lượng riêng là 2.630 kg/m³, độ ẩm 3,5%, đường kính của các hạt cát từ 0,14 - 0,63 mm, độ hút nước 0,42%. Chú ý rằng, nghiên cứu này sử dụng cát có đường kính nhỏ để làm vữa trát, đồng thời các hạt cát nhỏ góp phần làm tăng cường độ chịu nén của vữa tương tự như bê tông bột hoạt tính [19]. phụ gia hóa dẻo Sikament R4 được sử dụng nhằm giảm lượng nước nhưng vẫn đảm bảo được tính công tác của vữa. Nước sử dụng để trộn mẫu trong quá trình thí nghiệm được lấy từ nước máy sinh hoạt.