Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xây dựng toàn cầu mỗi năm tiêu thụ khoảng 25 tỷ tấn bê tông và phát thải lượng khí nhà kính khổng lồ từ quá trình sản xuất hơn 3.585 triệu tấn xi măng poóc-lăng. Tại Việt Nam, với mức tiêu thụ xi măng vượt mốc 60,3 triệu tấn mỗi năm theo các thống kê ngành gần đây, áp lực cạn kiệt tài nguyên khoáng sản đá tự nhiên cùng sự gia tăng nhanh chóng của phế thải phá dỡ công trình đang trở thành thách thức môi trường cấp bách. Việc tìm kiếm các giải pháp vật liệu xanh không sử dụng chất kết dính clinker truyền thống và tận dụng nguồn phế thải xây dựng là hướng đi tất yếu của kinh tế tuần hoàn.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán suy giảm tài nguyên thiên nhiên và ô nhiễm môi trường bằng cách nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer và bê tông xi măng sử dụng cốt liệu tái chế nghiền từ phế thải bê tông để thay thế cốt liệu đá tự nhiên. Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế thành công hai nhóm bê tông có cấp độ bền 20 MPa và 30 MPa, đồng thời đánh giá toàn diện ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 0% đến 100% đối với cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của vật liệu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn từ năm 2019 đến năm 2021 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn tro bay phát thải từ Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải thuộc tỉnh Trà Vinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc xác định tỷ lệ thay thế tối ưu 40% cốt liệu tái chế, giúp duy trì và nâng cao khả năng chịu lực của bê tông. Kết quả này mở ra tiềm năng cắt giảm 100% lượng xi măng sử dụng thông qua chất kết dính Geopolymer hoạt hóa kiềm, giảm thiểu đáng kể phát thải khí CO2 và tiết kiệm nguồn tài nguyên đá tự nhiên tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên thuyết phản ứng Geopolymer hóa do nhà khoa học Joseph Davidovits khởi xướng từ năm 1978 và mô hình hoạt hóa kiềm vật liệu alumino-silicate của Glukhovsky năm 1980. Quá trình Geopolymer hóa là chuỗi phản ứng hòa tan, tái tổ hợp và trùng ngưng các khoáng Si-Al trong môi trường dung dịch kiềm mạnh, hình thành mạng lưới không gian vô định hình Poly-sialate (-Si-O-Al-O-) với tỷ lệ mol Si/Al xấp xỉ 2,0. Khung cấu trúc vững chắc này liên kết các ion kiềm Na+ hoặc K+ để cân bằng điện tích, tạo nên chất kết dính vô cơ có cường độ cơ học cao và khả năng bền hóa học vượt trội mà không cần dùng xi măng.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết tương tác bề mặt cốt liệu tái chế của Collins và Sanjayan. Lý thuyết này chỉ ra rằng lượng canxi hydroxit Ca(OH)2 và clanhke chưa thủy hóa trong lớp vữa cũ bám dính trên hạt cốt liệu tái chế sẽ tiếp tục tham gia phản ứng puzolanic thứ cấp khi tiếp xúc với môi trường kiềm hoạt hóa. Bốn khái niệm trọng tâm xuyên suốt công trình bao gồm: Bê tông Geopolymer (BTG), Cốt liệu tái chế (CLTC), Dung dịch kiềm hoạt hóa (Alkaline gồm NaOH và Na2SiO3), và Cấu trúc gel alumino-silicate vi mô.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình kiểm định các chỉ tiêu cơ lý và hóa học của nguyên vật liệu đầu vào theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN và ASTM. Tro bay nhiệt điện Duyên Hải thuộc loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, có khối lượng riêng 2,5 g/cm3, độ mịn 66% lượng lọt qua sàng 0,05 mm, với tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) đạt 85,77% (>70%) và hàm lượng CaO chỉ chiếm 2,07% (<10%). Cốt liệu nhỏ là cát sông có mô đun độ lớn 2,401 và khối lượng riêng 2,63 g/cm3 theo tiêu chuẩn TCVN 7572:2006. Cốt liệu lớn tự nhiên là đá dăm có khối lượng riêng 2,73 g/cm3 và cỡ hạt danh định lớn nhất Dmax bằng 20 mm. Cốt liệu tái chế được sản xuất trực tiếp từ việc đập nghiền các khối bê tông xi măng và bê tông Geopolymer mác 20 MPa và 30 MPa đã qua kiểm soát cường độ, sau đó sàng tuyển phân loại cỡ hạt 10 mm và 20 mm tương đương đá tự nhiên.

Dung dịch kiềm kích hoạt được điều chế từ Natri Hydroxyt (NaOH) nồng độ 12 M kết hợp với thủy tinh lỏng (Na2SiO3) có hàm lượng oxit hoạt tính dao động từ 36% đến 38%. Nghiên cứu thực nghiệm thiết lập 24 cấp phối khác nhau với tổng quy mô cỡ mẫu gồm 288 mẫu hình trụ kích thước D100x200 mm (144 mẫu thử nén và 144 mẫu thử kéo gián tiếp ép chẻ), cùng các tổ mẫu lập phương 150x150x150 mm đối chứng. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ngành, mỗi tổ mẫu gồm 3 viên thử nghiệm độc lập nhằm triệt tiêu sai số đo lường vượt quá 15%.

Quy trình chế tạo mẫu trải qua 3 bước: trộn khô vật liệu hạt, bổ sung dung dịch kiềm để tạo hình mẫu trụ, tĩnh định 2 đến 3 ngày ở nhiệt độ phòng và tiến hành dưỡng hộ nhiệt cưỡng bức ở mức nhiệt 100°C trong thời gian 10 giờ liên tục. Phương pháp phân tích cường độ nén được thực hiện trên máy nén thủy lực theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 và cường độ chịu kéo gián tiếp theo phương pháp ép chẻ tuân thủ TCVN 8862:2011. Lý do lựa chọn các phương pháp cơ học phá hủy này là nhằm định lượng trực tiếp khả năng chịu ứng suất nén tới hạn, mức độ suy giảm liên kết tiếp giáp giữa vữa cũ và ma trận geopolymer mới, đồng thời cung cấp các chỉ số chuẩn xác phục vụ tính toán kết cấu công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 288 mẫu thử nghiệm đã chỉ ra các phát hiện mang tính quy luật về sự biến thiên cơ lý của bê tông khi thay thế cốt liệu:

  • Tăng trưởng cường độ cơ học trong dải thay thế từ 0% đến 40%: Khi tăng dần hàm lượng cốt liệu tái chế từ 0% lên 20% và đạt đỉnh ở mức 40%, cả cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer lẫn bê tông xi măng đều tăng trưởng rõ rệt. Ở tỷ lệ 40%, cường độ chịu nén trung bình của bê tông đạt mức tăng từ 8% đến 15% so với mẫu đối chứng sử dụng 100% đá tự nhiên.
  • Xác lập điểm cực đại tối ưu tại tỷ lệ 40%: Mức thay thế 40% cốt liệu tái chế ghi nhận các giá trị cơ lý cao nhất trên toàn bộ các cấp phối thiết kế 20 MPa và 30 MPa. Tại ngưỡng này, cường độ chịu kéo gián tiếp ép chẻ của bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế đạt giá trị vượt trội, tạo độ bám dính ma trận hạt rất tốt.
  • Suy giảm cường độ khi tỷ lệ thay thế vượt quá 40%: Khi hàm lượng cốt liệu tái chế tiếp tục tăng lên các mức 60%, 80% và 100%, cường độ chịu nén và cường độ kéo gián tiếp bắt đầu suy giảm tuyến tính. Tại mức thay thế 100% cốt liệu tái chế, cường độ chịu nén của mẫu giảm từ 12% đến 28% so với mức đỉnh 40%, tuy nhiên vẫn duy trì ở mức tiệm cận yêu cầu chịu lực danh định ban đầu.
  • Tính tương thích vượt trội của ma trận Geopolymer: Bê tông Geopolymer tro bay kết hợp cốt liệu tái chế đạt tốc độ phát triển cường độ sớm vượt bậc sau chế độ dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ, thể hiện tính ổn định thể tích và độ đặc chắc tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng truyền thống có cùng cấp độ bền.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng cường độ nén và kéo khi thay thế từ 0% đến 40% cốt liệu tái chế là nhờ sự hiện diện của lượng vữa xi măng cũ bám trên bề mặt hạt cốt liệu. Trong thành phần vữa cũ này luôn tồn tại một lượng canxi hydroxit Ca(OH)2 cùng các hạt clanhke chưa thủy hóa hoàn toàn. Khi tiếp xúc với dung dịch kiềm hoạt tính cao gồm NaOH 12 M và Na2SiO3, các hợp chất này đóng vai trò như chất xúc tác puzolanic bổ trợ, đẩy nhanh quá trình hòa tan ion Silic và Nhôm, hình thành thêm các cầu nối liên kết gel Poly-sialate đặc chắc len lỏi vào các lỗ rỗng vi mô bề mặt.

Tuy nhiên, khi tỷ lệ thay thế vượt quá 40% (từ 60% đến 100%), độ xốp cao và các vết nứt tế vi vốn có hình thành trong quá trình đập nghiền cơ học cốt liệu tái chế bắt đầu chiếm ưu thế áp đảo. Lượng vữa cũ quá nhiều làm tăng mạnh độ hút nước cục bộ, khiến phân bố ẩm trong hỗn hợp không đồng nhất và làm suy yếu vùng chuyển tiếp tiếp xúc (ITZ - Interfacial Transition Zone), dẫn đến hiện tượng suy giảm cường độ chịu lực nén và kéo chẻ.

Kết quả thực nghiệm của luận văn hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của Peem Nuaklong và cộng sự khi nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu tái chế đạt cường độ nén 7 ngày trong khoảng 30,6 đến 38,4 MPa. Kết quả này cũng củng cố luận điểm của Collins và Sanjayan về khả năng tương tác tích cực của chất kết dính kiềm hoạt hóa với phế thải bê tông cũ. Toàn bộ chuỗi số liệu được trực quan hóa rõ nét thông qua hệ thống biểu đồ phân tán dạng parabol và bảng ma trận cấp phối 24 tổ mẫu, phản ánh chính xác điểm uốn tối ưu của đường cong tương quan cơ học tại tọa độ 40% cốt liệu tái chế.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất công nghiệp và công trường xây dựng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  • Tiêu chuẩn hóa tỷ lệ cấp phối cốt liệu tái chế ở mức 40%: Ban hành sổ tay hướng dẫn kỹ thuật áp dụng tỷ lệ thay thế tối ưu 40% cốt liệu tái chế thay thế đá tự nhiên cho các trạm trộn bê tông thương phẩm. Mục tiêu giúp các đơn vị sản xuất giảm 40% nhu cầu khai thác mỏ đá tự nhiên, tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí nguyên liệu thô mà vẫn đảm bảo mác bê tông 20 MPa và 30 MPa. Thời gian triển khai trong vòng 6 đến 12 tháng do các viện nghiên cứu chuyên ngành và doanh nghiệp sản xuất vật liệu chủ trì.
  • Ứng dụng công nghệ dưỡng hộ nhiệt cưỡng bức cho cấu kiện đúc sẵn: Triển khai lắp đặt hệ thống buồng dưỡng hộ nhiệt đạt mức nhiệt 100°C trong 10 giờ tại các nhà máy chế tạo cấu kiện đúc sẵn như cống hộp thoát nước, cọc cừ bê tông, dải phân cách và tấm panel tường. Giải pháp này giúp rút ngắn chu kỳ dỡ khuôn xuống dưới 24 giờ, tăng 35% năng suất quay vòng ván khuôn. Thời gian thực hiện từ 12 đến 18 tháng do các nhà máy cấu kiện bê tông đúc sẵn thực hiện.
  • Thiết lập chuỗi thu gom và tuyển nổi phế thải xây dựng đô thị: Xây dựng hệ thống trạm nghiền sàng phân loại phế thải bê tông phá dỡ công trình đạt kích thước quy chuẩn 10 mm và 20 mm, kết hợp tiếp nhận nguồn tro bay loại F từ các nhà máy nhiệt điện lân cận. Mục tiêu xử lý triệt để 100% phế thải rắn xây dựng phát sinh tại các đô thị lớn, giảm áp lực chôn lấp. Lộ trình thực hiện từ 2 đến 3 năm do Sở Xây dựng các địa phương và đơn vị xử lý môi trường phối hợp thực hiện.
  • Xây dựng cơ chế ưu đãi tài chính cho công trình sử dụng vật liệu xanh: Đề xuất các cơ quan quản lý ban hành chính sách giảm từ 5% đến 10% thuế tài nguyên và cấp chứng chỉ công trình xanh cho các dự án giao thông nông thôn, kè chắn sóng sử dụng chất kết dính Geopolymer không xi măng. Lộ trình áp dụng trong giai đoạn 2024–2026 dưới sự điều phối của Bộ Xây dựng và Bộ Giao thông Vận tải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, phục vụ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Học viên cao học và Nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng và Vật liệu: Luận văn cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết chuẩn xác về phản ứng hoạt hóa kiềm alumino-silicate, phương pháp thiết kế cấp phối 24 tổ hợp mẫu và kỹ thuật kiểm soát sai số thực nghiệm nén – kéo gián tiếp theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và Kỹ sư tư vấn giám sát công trình: Nắm vững giới hạn chịu lực cơ học, hệ số an toàn và vùng tỷ lệ thay thế tối ưu 40% để tự tin đưa ra giải pháp ứng dụng bê tông cốt liệu tái chế vào các hạng mục kết cấu móng, nền sàn nhà xưởng, đường giao thông và công trình bảo vệ bờ kè.
  • Giám đốc kỹ thuật và Cán bộ quản lý tại các nhà máy bê tông đúc sẵn: Tiếp cận quy trình công nghệ pha chế dung dịch NaOH 12 M, Na2SiO3 và phác đồ dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất cấu kiện không xi măng, nâng cao biên lợi nhuận doanh nghiệp.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và Ban quản lý dự án công trình xanh: Sử dụng các luận cứ thực nghiệm và số liệu khoa học để hoạch định chính sách, xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật và tiêu chuẩn hóa quy trình tái chế rác thải xây dựng phục vụ mục tiêu trung hòa carbon quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  • Bê tông Geopolymer cốt liệu tái chế có đạt được cường độ chịu lực tương đương bê tông xi măng truyền thống không? Hoàn toàn có thể. Kết quả thí nghiệm khẳng định bê tông Geopolymer sử dụng tro bay nhiệt điện Duyên Hải kết hợp 40% cốt liệu tái chế đạt cường độ nén vượt mức thiết kế 20 MPa và 30 MPa sau khi dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ, đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chịu tải tương đương bê tông sử dụng xi măng poóc-lăng.

  • Vì sao tỷ lệ thay thế 40% cốt liệu tái chế lại giúp bê tông đạt cường độ tối ưu nhất? Ở tỷ lệ 40%, lượng canxi hydroxit Ca(OH)2 và clanhke chưa thủy hóa trong lớp vữa cũ bám quanh hạt cốt liệu tương tác tối ưu với dung dịch kiềm NaOH 12 M, kích hoạt phản ứng puzolanic thứ cấp tạo thêm gel liên kết mà chưa làm gia tăng đáng kể các vi nứt xốp như khi thay thế ở các mức 60% đến 100%.

  • Nguồn tro bay nhiệt điện cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nào để chế tạo bê tông Geopolymer? Tro bay phải đạt tiêu chuẩn tro bay loại F theo ASTM C618, có tổng hàm lượng ba oxit chính (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70% (nguồn Duyên Hải đạt 85,77%), hàm lượng vôi CaO nhỏ hơn 10% (đạt 2,07%), độ mịn trên 66% qua sàng 0,05 mm và khối lượng riêng đạt khoảng 2,5 g/cm3 để đảm bảo hoạt tính phản ứng kiềm hóa.

  • Chế độ dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ có bắt buộc đối với bê tông Geopolymer tro bay không? Có, đối với hệ chất kết dính tro bay loại F hàm lượng vôi thấp, phản ứng trùng ngưng vô cơ ở nhiệt độ phòng diễn ra rất chậm. Quá trình gia nhiệt 100°C trong 10 giờ sau 2 đến 3 ngày tĩnh định là điều kiện then chốt để kích hoạt quá trình hình thành chuỗi liên kết Poly-sialate đóng rắn nhanh và đạt cường độ tối đa.

  • Việc ứng dụng cốt liệu tái chế và bê tông Geopolymer mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường ra sao? Về mặt môi trường, công nghệ giúp loại bỏ 100% nhu cầu sử dụng xi măng clinker phát thải CO2 cao và giảm 40% lượng khai thác đá mỏ tự nhiên. Về mặt kinh tế, việc tận dụng phế thải xây dựng đô thị kết hợp tro bay nhiệt điện giúp hạ giá thành nguyên liệu thô từ 15% đến 25% cho mỗi mét khối bê tông thành phẩm.

Kết luận

  • Chế tạo thành công bê tông Geopolymer không xi măng từ nguồn phế phẩm tro bay nhiệt điện Duyên Hải và cốt liệu tái chế đạt các cấp độ bền 20 MPa và 30 MPa.
  • Khẳng định 40% là tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tối ưu nhất, giúp gia tăng đồng thời cường độ nén và cường độ kéo gián tiếp từ 8% đến 15% so với mẫu sử dụng 100% đá tự nhiên.
  • Giải thích rõ cơ chế hoạt hóa kiềm tương tác với thành phần vữa cũ bám dính, mở ra cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc kiểm soát chất lượng vật liệu tái chế.
  • Xác lập quy trình công nghệ hoàn chỉnh với nồng độ dung dịch NaOH 12 M và chế độ dưỡng hộ nhiệt cưỡng bức ở mức 100°C trong thời gian 10 giờ.
  • Đóng góp giải pháp vật liệu bền vững giúp cắt giảm triệt để phát thải khí nhà kính, tận dụng hàng triệu tấn tro bay và phế thải phá dỡ công trình tại Việt Nam.

Luận văn đã cung cấp hệ thống luận cứ thực nghiệm giá trị, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ Geopolymer vào thực tiễn xây dựng. Trong giai đoạn 2024–2026, các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng khảo sát độ bền xâm thực sunfat, biến dạng co ngót dài hạn và thử nghiệm chế tạo dầm bê tông cốt thép quy mô thực tế. Các đơn vị tư vấn thiết kế, nhà thầu thi công và doanh nghiệp sản xuất vật liệu hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp bê tông Geopolymer cốt liệu tái chế để tiên phong kiến tạo các công trình xanh và đóng góp thiết thực vào mục tiêu phát thải ròng bằng 0 (Net Zero).