I. Hướng dẫn làm gạch không nung từ xỉ than bột đá
Sản xuất gạch không nung từ xỉ than và bột đá là một giải pháp xây dựng bền vững, tận dụng hiệu quả nguồn phế thải công nghiệp. Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra vật liệu xây dựng chất lượng cao, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Gạch không nung, hay còn gọi là gạch xi măng cốt liệu, được hình thành từ quá trình đóng rắn tự nhiên của hỗn hợp cốt liệu mà không cần qua công đoạn nung đốt ở nhiệt độ cao. Thành phần cốt liệu chính bao gồm xi măng, cát, bột đá (đá mạt) và nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây, điển hình là luận văn của Nguyễn Duy Phương (2019), đã chứng minh tiềm năng thay thế một phần cốt liệu truyền thống bằng xỉ than lò hơi. Xỉ than, sản phẩm thải ra từ các nhà máy dệt may hoặc nhà máy nhiệt điện, thường bị coi là chất thải nguy hại. Việc tái sử dụng chúng trong sản xuất gạch không nung không chỉ giải quyết bài toán xử lý chất thải mà còn giúp giảm chi phí nguyên vật liệu. Việc xác định tỷ lệ xi măng hợp lý trong thành phần cấp phối gạch không nung là yếu tố then chốt, quyết định trực tiếp đến các đặc trưng cơ lý của sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là cường độ chịu nén và độ bền. Một cấp phối tối ưu cần cân bằng giữa chi phí sản xuất, chất lượng sản phẩm và tác động đến môi trường, hướng tới mục tiêu phát triển vật liệu xây không nung theo định hướng của Chính phủ.
1.1. Tổng quan về gạch không nung sử dụng phế thải công nghiệp
Gạch không nung sử dụng phế thải công nghiệp như xỉ than và tro bay đang trở thành xu hướng tất yếu trong ngành vật liệu xây dựng. Loại gạch này được sản xuất bằng cách ép hoặc rung hỗn hợp gồm chất kết dính (xi măng), cốt liệu mịn (bột đá, cát) và cốt liệu đặc biệt (xỉ than). Quá trình đóng rắn diễn ra ở điều kiện tự nhiên, không tiêu tốn nhiên liệu hóa thạch cho việc nung đốt, qua đó giảm phát thải khí CO2. Việc tận dụng xỉ than từ các ngành công nghiệp như dệt may, nhiệt điện giúp biến chất thải thành tài nguyên, giảm áp lực lên các bãi chôn lấp và hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên như cát, đá. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc thực hiện kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực xây dựng.
1.2. Lợi ích kép Bảo vệ môi trường và tối ưu chi phí sản xuất
Việc sản xuất gạch không nung từ xỉ than mang lại lợi ích kép rõ rệt. Về mặt môi trường, giải pháp này giúp xử lý hàng ngàn tấn xỉ than mỗi năm, một loại chất thải rắn có nguy cơ gây ô nhiễm đất và nguồn nước. Theo thống kê của Sở Tài nguyên và Môi trường Khánh Hòa, chỉ riêng Công ty dệt may Nha Trang đã thải ra hơn 1600 tấn xỉ than trong năm 2017. Về mặt kinh tế, xỉ than và bột đá là các nguyên liệu có giá thành thấp, đôi khi là miễn phí. Sử dụng chúng để thay thế một phần cát và đá mạt giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất viên gạch, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường so với gạch đất sét nung truyền thống.
II. Thách thức khi phối trộn xỉ than bột đá làm gạch
Mặc dù việc sử dụng xỉ than và bột đá trong sản xuất gạch không nung mang lại nhiều lợi ích, quá trình này cũng đối mặt với không ít thách thức kỹ thuật. Trở ngại lớn nhất là sự suy giảm cường độ chịu nén của viên gạch khi tỷ lệ xỉ than tăng lên. Xỉ than có khối lượng thể tích xốp lớn và đặc tính hút nước cao hơn so với bột đá (đá mạt). Điều này dẫn đến việc hỗn hợp vữa cần nhiều nước hơn để đạt độ công tác cần thiết, làm tăng tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) và ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ cuối cùng của sản phẩm. Nghiên cứu của Nguyễn Duy Phương (2019) đã chỉ ra một cách rõ ràng vấn đề này. Khi thay thế 50% khối lượng bột đá bằng xỉ than (cấp phối CP1) nhưng giữ nguyên tỷ lệ xi măng ở mức 15% (so với cấp phối đối chứng CP0), cường độ chịu nén sau 28 ngày chỉ đạt 5,1 MPa, thấp hơn nhiều so với mác M7,5 (7,5 MPa) theo yêu cầu của TCVN 6477:2016. Thách thức thứ hai là đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu. Xỉ than từ các nguồn khác nhau có thể có thành phần hóa học và tính chất cơ lý không đồng đều, đòi hỏi phải có quy trình kiểm soát chất lượng đầu vào nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng gạch ổn định. Do đó, việc tìm ra một tỷ lệ xi măng tối ưu là bài toán bắt buộc phải giải quyết để vừa tận dụng được xỉ than, vừa đảm bảo sản phẩm gạch không nung đạt chuẩn chất lượng xây dựng.
2.1. Ảnh hưởng của xỉ than đến cường độ chịu nén của gạch
Khi đưa xỉ than vào cấp phối gạch không nung, các đặc tính vật lý của nó trực tiếp ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm. Xỉ than có cấu trúc rỗng, nhẹ và độ hút nước cao. Khi trộn, nó hấp thụ một lượng nước đáng kể, làm giảm lượng nước thực tế tham gia vào quá trình thủy hóa xi măng. Nếu không điều chỉnh lượng nước và xi măng, liên kết giữa các hạt cốt liệu sẽ yếu đi, dẫn đến cường độ chịu nén thấp. Thí nghiệm cho thấy với cùng 15% xi măng, cấp phối chứa 50% xỉ than cho cường độ chỉ bằng 67,28% so với cấp phối chỉ dùng bột đá. Điều này khẳng định việc chỉ thay thế cốt liệu mà không tối ưu hóa chất kết dính là không khả thi.
2.2. Vấn đề kiểm soát tỷ lệ nước và độ đồng nhất cấp phối
Kiểm soát tỷ lệ nước là một yếu tố cực kỳ quan trọng. Do xỉ than hút nước mạnh, cấp phối CP1 (chứa 50% xỉ than) yêu cầu lượng nước lên tới 176 lít/mẻ, so với chỉ 80 lít/mẻ của cấp phối CP0 (100% bột đá). Tỷ lệ N/X tăng từ 0,53 lên 1,17. Tỷ lệ N/X cao làm tăng độ rỗng mao quản trong cấu trúc gạch sau khi đóng rắn, làm giảm mật độ và cường độ. Bên cạnh đó, sự không đồng nhất về kích thước hạt của xỉ than thô cũng là một vấn đề. Để đảm bảo cấp phối ổn định, xỉ than cần được xử lý sơ bộ như nghiền và sàng để loại bỏ các hạt quá lớn và đạt được biểu đồ thành phần hạt phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 9205:2012.
III. Phương pháp xác định tỷ lệ xi măng tối ưu cho gạch
Để khắc phục sự suy giảm cường độ khi sử dụng xỉ than, phương pháp nghiên cứu chính là điều chỉnh tăng dần tỷ lệ xi măng trong cấp phối gạch không nung. Mục tiêu là tìm ra hàm lượng xi măng tối thiểu cần thiết để viên gạch đạt mác M7,5 (cường độ chịu nén ≥ 7,5 MPa sau 28 ngày) theo TCVN 6477:2016. Dựa trên kết quả đáng thất vọng của cấp phối CP1 (15% xi măng), nghiên cứu đã xây dựng một loạt các cấp phối thực nghiệm mới. Tỷ lệ cốt liệu được giữ cố định ở mức 50% bột đá và 50% xỉ than về khối lượng. Trong khi đó, tỷ lệ xi măng được tăng dần theo các mức: 18% (Cấp phối CP2), 20% (Cấp phối CP3), 22% (Cấp phối CP4) và 24% (Cấp phối CP5). Mỗi cấp phối được sản xuất trên dây chuyền thực tế tại nhà máy gạch Thuận Phát (Nha Trang) để đảm bảo tính xác thực. Các mẫu gạch sau đó được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn và tiến hành thí nghiệm nén ở các tuổi 3, 7, 14, 21 và 28 ngày. Quá trình này cho phép theo dõi sự phát triển cường độ theo thời gian của từng cấp phối. Việc phân tích song song kết quả cường độ và chi phí vật liệu cho mỗi cấp phối giúp xác định đâu là công thức vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa có tính kinh tế cao nhất, làm cơ sở cho việc ứng dụng vào sản xuất đại trà.
3.1. Xây dựng các cấp phối gạch không nung thực nghiệm
Việc xây dựng các cấp phối được tiến hành một cách hệ thống. Cấp phối đối chứng (CP0) sử dụng 15% xi măng và 85% bột đá. Cấp phối thử nghiệm đầu tiên (CP1) giữ nguyên 15% xi măng nhưng thay 50% khối lượng bột đá bằng xỉ than. Dựa trên sự thất bại của CP1, các cấp phối tiếp theo (CP2, CP3, CP4, CP5) được tạo ra bằng cách giữ nguyên tỷ lệ xỉ than/bột đá là 50/50, và tăng dần hàm lượng xi măng. Ví dụ, cấp phối CP4 cho một mẻ trộn 1089,7 kg bao gồm 239,7 kg xi măng (22%), 425 kg bột đá và 425 kg xỉ than. Lượng nước cũng được điều chỉnh tương ứng cho từng cấp phối để đảm bảo độ dẻo cần thiết cho quá trình tạo hình.
3.2. Quy trình thí nghiệm và đánh giá cường độ chịu nén
Quy trình thí nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Việt Nam. Mẫu gạch được tạo hình bằng máy ép rung công nghiệp. Sau đó, chúng được bảo dưỡng trong môi trường ẩm. Tại các mốc thời gian quy định (3, 7, 14, 21, 28 ngày), các mẫu được lấy ra để đo cường độ chịu nén bằng máy nén chuyên dụng. Lực phá hủy được ghi lại và cường độ được tính toán dựa trên tiết diện chịu lực của viên gạch. Kết quả từ các cấp phối khác nhau được biểu diễn trên biểu đồ để so sánh trực quan sự phát triển cường độ, từ đó tìm ra cấp phối có tốc độ phát triển cường độ tốt nhất và đạt mác M7,5 sau 28 ngày.
IV. Bí quyết cấp phối gạch 22 xi măng là tỷ lệ vàng
Kết quả từ chuỗi thí nghiệm đã xác định rõ ràng tỷ lệ xi măng 22% là "tỷ lệ vàng" cho việc sản xuất gạch không nung từ xỉ than và bột đá đạt mác M7,5. Cụ thể, cấp phối CP4, với thành phần gồm 22% xi măng, 39% bột đá và 39% xỉ than (tương đương tỷ lệ 50/50 giữa hai loại cốt liệu), đã cho thấy những kết quả vượt trội. Sau 28 ngày bảo dưỡng, cường độ chịu nén trung bình của gạch CP4 đạt 7,99 MPa. Kết quả này không chỉ đáp ứng mà còn cao hơn một chút so với yêu cầu tối thiểu 7,5 MPa của mác M7,5 theo TCVN 6477:2016. Trong khi đó, các cấp phối có tỷ lệ xi măng thấp hơn như CP2 (18%) và CP3 (20%) đều không đạt được cường độ yêu cầu, lần lượt chỉ đạt 6,11 MPa và 7,01 MPa. Mặc dù cấp phối CP5 (24% xi măng) cho cường độ cao hơn (8,91 MPa), nhưng sự gia tăng cường độ không tương xứng với chi phí xi măng tăng thêm. Do đó, CP4 được xem là lựa chọn tối ưu nhất, cân bằng hoàn hảo giữa yếu tố kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Thành công của cấp phối này chứng tỏ rằng, với một tỷ lệ xi măng hợp lý, xỉ than hoàn toàn có thể được sử dụng hiệu quả để thay thế 50% bột đá, tạo ra sản phẩm vật liệu xây không nung chất lượng và bền vững.
4.1. Phân tích kết quả cường độ của các cấp phối gạch
Biểu đồ phát triển cường độ cho thấy một xu hướng rõ ràng: cường độ chịu nén của gạch tăng tuyến tính với sự gia tăng tỷ lệ xi măng. Cấp phối CP1 (15% xi măng) là thấp nhất. CP2 (18%) và CP3 (20%) cho thấy sự cải thiện đáng kể nhưng vẫn chưa đủ. Cột mốc quan trọng là CP4 (22% xi măng), khi cường độ đã vượt qua ngưỡng 7,5 MPa. Điều này chứng tỏ 22% là hàm lượng xi măng cần thiết để bù đắp cho những ảnh hưởng bất lợi của xỉ than như độ rỗng và khả năng hút nước, tạo ra một ma trận xi măng đủ mạnh để liên kết các hạt cốt liệu với nhau.
4.2. Đánh giá chi phí vật liệu cho cấp phối tối ưu CP4
Về mặt kinh tế, cấp phối CP4 cũng cho thấy tính khả thi cao. Mặc dù tỷ lệ xi măng trong CP4 (22%) cao hơn so với cấp phối đối chứng CP0 (15%), nhưng do khối lượng thể tích của xỉ than thấp hơn bột đá, số lượng viên gạch sản xuất được từ một mẻ trộn CP4 lại nhiều hơn. Tính toán chi tiết cho thấy chi phí vật liệu để sản xuất một viên gạch theo cấp phối CP4 chỉ cao hơn không đáng kể so với cấp phối CP0. Sự chênh lệch nhỏ này hoàn toàn có thể chấp nhận được khi xét đến lợi ích to lớn về môi trường từ việc tiêu thụ hàng tấn xỉ than. Do đó, CP4 là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí.
4.3. Các chỉ tiêu cơ lý khác của gạch không nung từ xỉ than
Ngoài cường độ chịu nén, các chỉ tiêu cơ lý khác của gạch sản xuất từ cấp phối CP4 cũng được kiểm tra và đều đáp ứng yêu cầu. Độ hút nước và độ rỗng của gạch CP4 nằm trong giới hạn cho phép của TCVN 6477:2016. Khối lượng thể tích của viên gạch cũng giảm nhẹ so với gạch làm hoàn toàn từ bột đá, giúp giảm tải trọng bản thân của tường xây. Các kết quả này khẳng định rằng sản phẩm gạch không nung từ xỉ than và bột đá với tỷ lệ xi măng 22% là một vật liệu xây dựng hoàn chỉnh, an toàn và chất lượng.
