CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 1.1 BÊ TÔNG VÀ MÔI TRƯỜNG: Bê tông là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các loại vật liệu xây dựng. Chất kết dính thông thường được sử dụng để sản xuất bê tông là xi măng Portland. Tuy nhiên quá trình sản xuất xi măng đòi hỏi khai thác nguồn tài nguyên không thể tái tạo như đá vôi và đất sét cũng như tiêu thụ năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau như than đá, dầu, điện. Năng lượng để sản xuất xi măng chỉ đứng thứ 3 sau sản xuất thép và nhôm.
Xi măng là thành phần chính thải ra khí CO2 trong sản xuất bê tông, chiếm gần 80% (bảng 1. Nhiên liệu hóa Khí thải Khí thải Kim loại thạch và điện CO2 NOx nặng Xi măng 63% 79% 69% 88% Cốt liệu 3% 1% 1% 1% Cốt thép 9% 4% 3% - Vận chuyển nguyên liệu thô 4% 3% 8% <1% Sản xuất bê tông 15% 8% 5% 10% Vận chuyển thành phẩm 6% 5% 14% <1% Tổng cộng 100% 100% 100% 100% Bảng 1-1 Hàm lượng khí thải sinh ra khi sản xuất 1 tấn bê tông cốt thép [1] Quá trình sản xuất xi măng Portland sinh ra một lượng rất lớn khí cacbonic, trung bình cứ sản xuất 1 tấn xi măng thì khoảng gần 1 tấn khí CO2 được sinh ra, trong đó 0.55 tấn khí được tạo ra do phản ứng phân hủy đá vôi và quá trình đốt cháy nhiên liệu cũng sinh ra 0. Ngành công nghiệp xi măng trên toàn thế giới thải ra lượng khí CO2 gần bằng 7-8% tổng lượng khí CO2 thải ra ngoài môi trường trên thế giới [2]. Trang 2 Sản lượng xi măng trên toàn thế giới tăng 54% từ năm 2000 đến năm 2006 và đang tiếp tục phát triển như vũ bão, đặc biệt tại Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển như Việt Nam, Indonesia.
Năm 2005, Trung Quốc sản xuất hơn 800 triệu tấn xi măng, chiếm 33% sản lượng xi măng trên toàn thế giới, đến năm 2012 lầ 3.6 tỷ tấn, chiếm 60% sản lượng trên toàn thế giới. Tình hình sản xuất xi măng ở Việt Nam đang tăng trưởng vào khoảng 2,5%, và sản lượng dự kiến tăng từ 2,55 tỷ tấn vào năm 2006 lên 3,7– 4,4 tỷ tấn vào năm 2050. CO2 – một trong những khí thải chính gây ra hiệu ứng nhà kín, làm nhiệt độ Trái Đất nóng lên, gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu. Biến đổi khí hậu đang trở nên lo ngại hơn bao giờ hết khi các nhà khoa học thuộc Cơ quan Đại Dương và Khí Quyển quốc gia Mỹ (NOAA) mới đây công bố mức khí CO2 trung bình hàng tháng đã đạt con số kỷ lục mới lên tới 400 phần triệu (ppm) [3].
Do đó các giải pháp giảm thiểu việc thải khí CO2 đang rất được quan tâm. Và một trong những giải pháp đó là hạn chế việc sử dụng xi măng truyền thống trong bê tông hay tốt hơn là thay thế hoàn toàn xi măng bằng chất kết dính có lợi cho môi trường. Ngoài vấn đề ảnh hưởng xấu đến môi trường thì bê tông sử dụng chất kết dính là xi măng Portland thông thường còn những hạn chế như không bền trong môi trường khắc nghiệt như thời tiết nắng nóng hoặc băng giá, trong nước biển hay trong môi trường sulphuric… Do đó việc tìm hiểu nghiên cứu các nguồn nguyên liệu thích hợp để thay thế các thành phần cấu tạo trong bê tông truyền thống như xi măng và cốt liệu là rất cần thiết, vừa làm tăng độ bền của bê tông truyền thống, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiểm môi trường. Nhiều nỗ lực đang được tiến hành để bổ sung, thay thế việc sử dụng xi măng Portland trong bê tông để giải quyết vấn đề trái đất nóng lên.
Chúng bao gồm việc sử dụng các vật liệu bổ trợ như tro bay, silica fume, hạt xỉ lò, tro trấu và metakaolin, và sự phát triển chất kết dính thay thế cho xi măng Portland. Trong lĩnh vực này, công nghệ geopolymer hứa hẹn đáng kể cho các ứng dụng trong công nghiệp bê tông như một chất kết dính thay thế cho xi măng Portland. Ngoài chất kết dính là xi măng thì cốt liệu và nước nhào trộn là hai thành phần rất quan trọng trong bê tông truyền thống. Thành phần cốt liệu lớn cho bê tông Trang 3 thông thường là đá dăm có nguồn gốc đá trầm tích hoặc đá phún xuất.
Thành phần cốt liệu nhỏ thường là cát được khai thác từ sông, suối, ao, hồ. Nước trộn bê tông thường là nước ngọt. Với nhu cầu sử dụng bê tông như là nguồn nguyên liệu chính, chỉ đứng sau nguồn nguyên liệu là nước, thì việc khai thác nguồn nguyên liệu tự nhiên để làm cốt liệu cho bê tông là rất lớn. Việc khai thác các nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến môi trường cũng như nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Tại Việt Nam do nhu cầu xây dựng ngày càng phát triển nên hiện nay tình trạng khan hiếm nguồn nguyên liệu làm cốt liệu cho bê tông ngày càng nặng nề. Nguồn cát sông bị khai thác ngày càng cạn kiệt, xuất hiện tình trạng khai thác cát sông trái phép ở các dòng sông lớn, thậm chí phải nhập nguồn nguyên liệu từ Campuchia, Lào… Hình 1-1 Mỗi ngày, sông Gianh bị "rút ruột" nhiều khối cát [4] Trang 4 Hình 1-2 Ngang nhiên hút cát trên dòng Ayun đoạn qua xã Ia Peng (huyện Phú Thiện) [5] Hình 1-3 Khai thác cát trái phép trên sông Cầu [6] Hình 1-4 Khai thác cát trên sông Vàm Cỏ Đông [7] Trang 5 Trong bài báo cáo “Cảnh báo về hậu quả khai thác cát sông Hồng vượt lượng cát về hàng năm”, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã nêu lên một số ảnh hưởng của khai thác cát đến môi trường và các hoạt động khác trên dòng sông như sau [8]: Xói lở lòng sông và bờ sông. Bồi đọng bùn cát: Khi lòng sông, bờ sông bị xói, dòng chẩy được bổ sung một lượng bùn cát nhất định. Các hạt nhỏ, mịn được chuyển khá xa về hạ du và lắng đọng lại ở vùng dòng chẩy yếu.
Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến vận tải thủy, và trong một số trường hợp có thể làm mức nước lũ nâng cao ở vùng đó. Số lượng và chất lượng nước: Lòng sông bị hạ thấp, mức nước sông mùa kiệt bị hạ thấp theo, các kênh dẫn tưới ven sông sẽ thiếu nước. Lượng nước ngầm và độ ẩm của đất ven sông giảm, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Những hiện tượng bất lợi này cũng đang xẩy ra ở hạ du sông Hồng, gây nhiều khó khăn cho lấy nước vào cống Xuân Quan trong dăm năm gần đây.
Động vật và thực vật thủy sinh: Khai thác cát ảnh hưởng trực tiếp đến tồn tại và phát triển của các loại động vật và thực vật thủy sinh. Vùng sông chịu ảnh hưởng thủy triều: Khai thác vượt lượng cát ở thượng lưu về hàng năm, nước mặn sẽ tiến sâu vào đất liền hơn so với trước. Hiện tượng này cũng đang xảy ra ở hạ du sông Hồng.2 GEOPOLYMER: Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Nguyên lý chế tạo vật liệu geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có cấu trúc từ vô định hình đến bán tinh thể, bền và có cường độ.
Trang 6 Hình 1-5 Thành phần nguyên vật liệu chế tạo chất kết dính geopolymer và bê tông geopolymer Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa xảy ra. Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng natri silicate nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng geopolymer hóa. Bê tông geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính geopolymer.
Trong quá trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác, không tham gia tạo cấu trúc geopolymer, không tham gia phản ứng hóa học mà có thể bị loại ra trong quá trình bảo dưỡng và sấy (không giống như xi măng cần nước để thủy hóa). Theo tính toán thì lượng khí thải cacbonic sinh ra khi sản xuất 1 tấn chất kết dính geopolymer là 0.184 tấn, thấp hơn khoảng 80% so với xi măng Portland. Trang 7 Hình 1-6 So sánh lượng khí CO2 sinh ra khi sản xuất chất kết dính geopolymer và xi măng Portland [9] 1.3 TRO BAY: Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện. Người ta thường dùng luồng khí để phân loại tro: tro bay là loại nhỏ mịn, bay lên với khói lò; loại không bay lên người ta gọi là tro cặn.
Tro bay có độ mịn tự nhiên hơn xi măng, dạng hình cầu. Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng yêu cầu chiếm hơn 70% khối lượng tro bay, trong đó có một phần hoạt tính và một phần không hoạt tính, ngoài ra còn có các loại axít khác và than chưa cháy hết. Một lượng rất lớn tro bay được sản xuất ra trên toàn thế giới. Riêng tại Việt Nam những năm gần đây, tro xỉ phế thải của các nhà máy nhiệt điện đốt than trở thành vấn đề đau đầu đối với các nhà quản lý.
Lê Tuấn Minh, riêng nhà máy Nhiệt điện Phả Lại, trữ lượng thải ra khoảng 1 triệu tấn/năm và dự kiến đến năm 2015, tổng trữ lượng thải ra của các nhà máy nhiệt điện đốt thân lên tới 5 triệu tấn/năm [10]. Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động [11], lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng năm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải ra từ hàng loạt các Trang 8 lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu than. Như vậy, phải sử dụng một diện tích khá lớn ao hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này. Với thành phần hạt có trọng lượng nhẹ, kích thước hạt rất nhỏ (tương đương 1/3 hạt xi măng) nên tro bay có thể bay tự do trong không khí, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống, sinh hoạt của nhân dân.
Mới đây tại xã Vĩnh Tân, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận, người dân đã lập “tường lửa” để phản đối nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 gây ô nhiễm bão tro xỉ nghiêm trọng [12]. Vì vậy việc xử lí để tái sử dụng chất thải rắn này là vấn đề vô cùng cấp bách.
