Luận văn: Sản xuất gạch không nung từ phế liệu nhà máy xi măng Trung Sơn

Luận văn nghiên cứu sản xuất gạch không nung từ phế liệu xi măng. Trình bày quy trình, cấp phối và đánh giá hiệu quả kinh tế, giải pháp cho môi trường.

• Tác giả: Hoàng Cầm
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đồng Kim Loan
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Thử Nghiệm Sản Xuất Gạch Không Nung Từ Nguồn Phế Liệu Của Nhà Máy Xi Măng Trung Sơn – Lương Sơn – Hòa Bình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Gạch không nung từ phế liệu xi măng Giải pháp đột phá

Sản xuất gạch không nung từ phế liệu xi măng là một hướng đi chiến lược, phù hợp với xu thế phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn trong xây dựng. Đây không chỉ là một giải pháp xử lý phế thải công nghiệp hiệu quả mà còn tạo ra sản phẩm vật liệu xây dựng xanh với nhiều ưu điểm vượt trội. Ngành công nghiệp xi măng, trong quá trình hoạt động, thải ra một lượng lớn phế liệu như bụi xi măng từ hệ thống lọc bụi và đá mạt từ quá trình nghiền sàng nguyên liệu. Thay vì chôn lấp gây ô nhiễm, việc tận dụng các nguồn phế thải này làm nguyên liệu sản xuất gạch xi măng cốt liệu mang lại lợi ích kép: giảm gánh nặng cho môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Nghiên cứu của Hoàng Cầm (2017) tại nhà máy xi măng Trung Sơn đã chứng minh tính khả thi của việc biến phế liệu thành vật liệu xây dựng chất lượng cao. Quá trình sản xuất vật liệu không nung không đòi hỏi nhiệt độ cao, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính so với công nghệ gạch nung truyền thống. Sản phẩm tạo ra có cường độ chịu nén cao, mẫu mã đa dạng và đáp ứng tốt các tiêu chuẩn gạch không nung TCVN, mở ra một chương mới cho ngành vật liệu xây dựng Việt Nam, hướng tới các công trình xanh, hiện đại và thân thiện với môi trường.

1.1. Tổng quan về vật liệu không nung và vai trò hiện nay

Vật liệu không nung, đặc biệt là gạch block xi măng, đang dần thay thế gạch đất sét nung truyền thống. Vai trò của chúng trong xây dựng hiện đại là không thể phủ nhận. Các sản phẩm này được sản xuất bằng công nghệ ép thủy lực hoặc rung ép, không qua quá trình nung đốt, giúp bảo vệ tài nguyên đất nông nghiệp và giảm ô nhiễm không khí. Theo Quyết định 1469/QĐ-TTg, Chính phủ đã đặt ra lộ trình tăng tỷ lệ sử dụng vật liệu không nung lên 30-40% vào năm 2020. Các loại gạch phổ biến bao gồm gạch xi măng cốt liệu, gạch bê tông khí chưng áp (AAC), và gạch bê tông bọt. Chúng có ưu điểm về cường độ, khả năng cách âm, cách nhiệt và thi công nhanh chóng, đáp ứng yêu cầu của các công trình từ dân dụng đến cao tầng.

1.2. Lợi ích của việc tái chế phế thải xây dựng và công nghiệp

Việc tái chế phế thải xây dựng và phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, và bụi xi măng là một mắt xích quan trọng trong mô hình kinh tế tuần hoàn. Giải pháp này giúp giảm chi phí xử lý chất thải, tiết kiệm diện tích bãi chôn lấp và giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên. Bằng cách tận dụng các nguồn phế liệu có sẵn, chi phí sản xuất vật liệu xây dựng được hạ thấp, tạo ra sản phẩm có giá cạnh tranh. Hơn nữa, quá trình này còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu phát thải và xây dựng một ngành công nghiệp xanh, bền vững, phù hợp với các cam kết quốc tế về biến đổi khí hậu.

II. Thách thức xử lý phế thải công nghiệp ngành xi măng

Ngành sản xuất xi măng đối mặt với nhiều thách thức lớn về môi trường, đặc biệt là việc quản lý và xử lý phế thải công nghiệp. Hàng triệu tấn đất đá bóc tách, đá mạt không đạt tiêu chuẩn và bụi xi măng thu hồi từ các silo lọc bụi được tạo ra mỗi năm. Luận văn của Hoàng Cầm (2017) chỉ rõ, chỉ riêng nhà máy xi măng Trung Sơn đã thải ra lượng đất đá chiếm tới 23% trữ lượng khai thác và lượng đá mạt chiếm 1%. Nếu không có giải pháp xử lý bụi xi măng và phế liệu rắn hiệu quả, chúng sẽ trở thành gánh nặng cho môi trường. Các bãi chứa phế thải không chỉ chiếm dụng diện tích đất lớn mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí do phát tán bụi. Chi phí cho việc vận chuyển và chôn lấp cũng là một khoản không nhỏ đối với doanh nghiệp. Việc tìm kiếm các phương pháp tái chế, tái sử dụng các nguồn phế thải này không chỉ là trách nhiệm xã hội mà còn là một bài toán kinh tế cần lời giải. Chuyển đổi phế thải thành tài nguyên, cụ thể là sản xuất gạch không nung, là hướng đi tất yếu để giải quyết triệt để vấn đề này, hướng tới một quy trình sản xuất sạch hơn và phát triển bền vững.

2.1. Hiện trạng ô nhiễm từ bụi xi măng và phế liệu rắn

Bụi xi măng chứa các hạt mịn có thể phát tán xa trong không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe hệ hô hấp của cộng đồng dân cư xung quanh và gây hại cho cây trồng. Các bãi thải rắn từ hoạt động khai thác đá vôi làm thay đổi cảnh quan, hệ sinh thái và có nguy cơ sạt lở vào mùa mưa. Nước mưa chảy tràn qua các bãi thải này có thể cuốn theo các chất ô nhiễm, gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước mặt và nước ngầm. Việc quản lý các nguồn thải này theo phương pháp truyền thống như chôn lấp hoặc lưu kho ngày càng tỏ ra kém hiệu quả và không bền vững.

2.2. Yêu cầu cấp thiết về kinh tế tuần hoàn trong xây dựng

Mô hình kinh tế tuần hoàn trong xây dựng đòi hỏi một sự thay đổi trong tư duy, xem chất thải của một quá trình là đầu vào của một quá trình khác. Ngành xi măng và xây dựng cần áp dụng nguyên tắc này một cách triệt để. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ biến phế thải thành gạch block xi măng là một ví dụ điển hình. Điều này không chỉ giúp giải quyết bài toán môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế mới, giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô, và nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp trong bối cảnh hội nhập và các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe.

III. Phương pháp nghiên cứu sản xuất gạch không nung tối ưu

Để sản xuất gạch không nung từ phế liệu xi măng, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò then chốt. Quá trình này bắt đầu từ việc khảo sát, thu thập và phân tích đặc tính của các nguồn phế thải tại nhà máy xi măng Trung Sơn, bao gồm đất đá bóc tách và đá mạt. Nghiên cứu của Hoàng Cầm (2017) đã tiến hành xử lý nguyên liệu bằng cách sấy khô, nghiền mịn đến kích thước hạt yêu cầu (≤ 3mm) để đảm bảo độ đồng nhất. Bước tiếp theo là thiết kế các cấp phối thử nghiệm khác nhau. Sáu cấp phối (M1 đến M6) đã được xây dựng, thay đổi tỷ lệ giữa các thành phần chính: đất bóc tách, đá mạt, xi măng, và các phụ gia cho gạch không nung như tro bay và Lignin. Việc lựa chọn phụ gia phù hợp giúp cải thiện tính công tác của hỗn hợp và nâng cao các chỉ tiêu cơ lý của sản phẩm cuối cùng. Các mẫu gạch sau đó được tạo hình bằng máy ép gạch không nung công nghệ rung ép thủy lực với lực ép tiêu chuẩn (18-20 MPa), đảm bảo viên gạch có độ đặc chắc cao. Quá trình dưỡng hộ trong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ trong 28 ngày là yếu tố quyết định để gạch đạt được cường độ nén của gạch tối đa.

3.1. Phân tích thành phần và xử lý phế thải xi măng

Nguyên liệu đầu vào bao gồm đất bóc tách từ mỏ đá vôi và đá mạt từ quá trình nghiền sàng. Các nguyên liệu này được lấy mẫu và phân tích để xác định thành phần hóa học và cơ lý. Quá trình xử lý sơ bộ bao gồm việc loại bỏ tạp chất, sấy khô ở 105°C đến khối lượng không đổi, và nghiền nhỏ để đạt được kích thước hạt phù hợp cho việc phối trộn. Việc kiểm soát chặt chẽ chất lượng nguyên liệu đầu vào là tiền đề để sản xuất ra sản phẩm gạch xi măng cốt liệu ổn định và chất lượng cao, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe.

3.2. Thiết kế cấp phối và vai trò của phụ gia gạch không nung

Thiết kế cấp phối là công đoạn quan trọng nhất, quyết định đến chất lượng viên gạch. Nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều tỷ lệ khác nhau, ví dụ cấp phối M2 sử dụng 90% đất bóc tách, 5% xi măng và 5% tro bay. Cấp phối M5 sử dụng 60% đá mạt, 30% cát và 10% xi măng. Các phụ gia cho gạch không nung như tro bay (phụ gia khoáng) giúp tăng cường độ mịn, cải thiện liên kết và giảm lượng xi măng cần dùng. Phụ gia hóa học như Lignin có tác dụng hóa dẻo, giúp hỗn hợp dễ tạo hình và tăng cường độ cuối cùng của sản phẩm. Việc lựa chọn và định lượng chính xác các thành phần này là bí quyết để tối ưu hóa cả về kỹ thuật và chi phí sản xuất.

IV. Đánh giá chất lượng gạch không nung theo tiêu chuẩn TCVN

Chất lượng của gạch không nung sản xuất thử nghiệm được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng theo tiêu chuẩn gạch không nung TCVN hiện hành. Hai chỉ tiêu cốt lõi là cường độ nén của gạch và độ hút nước. Theo kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Vật liệu xây dựng (VIBM), tất cả các mẫu gạch sau 28 ngày dưỡng hộ đều đạt và vượt mác M100 theo TCVN 6477:2011. Cụ thể, cấp phối M5 (sử dụng đá mạt) cho cường độ nén cao nhất, đạt 14,0 MPa. Cấp phối M2 (sử dụng đất bóc tách và tro bay) cũng cho kết quả rất tốt với cường độ nén 10,6 MPa. Về độ hút nước, các mẫu đều nằm trong giới hạn cho phép (<12% theo TCVN 6355:2009), cho thấy gạch có kết cấu đặc chắc và khả năng chống thấm tốt. Một chỉ tiêu quan trọng khác là hệ số hóa mềm, đánh giá độ bền của vật liệu khi tiếp xúc với nước. Các cấp phối M2, M5, M6 có hệ số hóa mềm ≥ 0,75, chứng tỏ là vật liệu bền nước, có thể sử dụng cho các công trình ở môi trường ẩm ướt, đảm bảo tuổi thọ và sự an toàn cho công trình.

4.1. Phân tích kết quả cường độ nén và độ bền vật liệu

Kết quả cường độ nén sau 28 ngày cho thấy sự vượt trội của các cấp phối. Cấp phối M1 (90% đất, 10% xi măng) đạt 13,8 MPa, trong khi cấp phối M5 (60% đá mạt, 10% xi măng) đạt 14,0 MPa. Điều này chứng tỏ cả đất bóc tách và đá mạt đều là những cốt liệu tiềm năng cho sản xuất gạch block xi măng cường độ cao. Việc bổ sung tro bay (cấp phối M2, M4, M6) tuy làm giảm nhẹ cường độ so với mẫu không có tro bay nhưng lại cải thiện đáng kể hệ số hóa mềm, cho thấy khả năng tăng độ bền nước và tính ổn định lâu dài cho sản phẩm.

4.2. Kiểm tra độ hút nước và hệ số hóa mềm của gạch

Độ hút nước là một chỉ số quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống thấm của tường xây. Kết quả cho thấy các mẫu có độ hút nước dao động từ 6,9% đến 8,2%, thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy định là 12-14%. Đặc biệt, các cấp phối M2, M5, M6 có hệ số hóa mềm lần lượt là 0,75, 0,78 và 0,81, đều đạt tiêu chuẩn vật liệu bền nước. Điều này khẳng định sản phẩm gạch không nung từ phế liệu xi măng có chất lượng tin cậy, đủ khả năng ứng dụng cho các hạng mục xây dựng đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, kể cả các khu vực tường ngoài trời hoặc phòng vệ sinh.

V. Ứng dụng thực tiễn và tương lai vật liệu xây dựng xanh

Kết quả nghiên cứu đã mở ra một hướng ứng dụng thực tiễn đầy hứa hẹn cho gạch không nung từ phế liệu xi măng. Với các chỉ tiêu cơ lý đạt tiêu chuẩn gạch không nung TCVN, sản phẩm này hoàn toàn có thể thay thế gạch nung truyền thống trong nhiều loại công trình. Các loại gạch đạt mác M100 với độ bền nước cao (như cấp phối M2, M5) phù hợp để xây tường bao, tường chịu lực cho nhà ở, chung cư và các công trình công nghiệp. Việc tận dụng nguồn phế thải tại chỗ giúp các nhà máy xi măng có thể xây dựng một dây chuyền sản xuất gạch không nung ngay trong khuôn viên, tối ưu hóa logistics và giảm giá thành sản phẩm. Đây là một mô hình kinh tế tuần hoàn trong xây dựng điển hình. Trong tương lai, xu hướng sử dụng vật liệu xây dựng xanh sẽ ngày càng trở nên phổ biến do các quy định chặt chẽ hơn về môi trường và nhận thức của người tiêu dùng. Việc phát triển và thương mại hóa sản phẩm gạch block xi măng từ phế thải không chỉ mang lại lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp mà còn góp phần quan trọng vào mục tiêu phát triển bền vững quốc gia, giảm phát thải carbon và bảo vệ tài nguyên.

5.1. Tiềm năng ứng dụng gạch block xi măng trong thực tế

Sản phẩm gạch xi măng cốt liệu từ phế thải có thể được ứng dụng đa dạng: xây tường ngăn, tường bao che, hàng rào, và các công trình phụ trợ. Với cường độ chịu nén cao, chúng có thể được sử dụng trong các kết cấu chịu lực của công trình dân dụng và công nghiệp. Việc sản xuất tại nguồn giúp giảm chi phí vận chuyển, hạ giá thành, tạo lợi thế cạnh tranh so với gạch nung. Hơn nữa, kích thước gạch đồng đều, chính xác giúp quá trình thi công nhanh hơn, tiết kiệm vữa xây và chi phí nhân công, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể cho dự án.

5.2. Công nghệ sản xuất gạch block và hướng phát triển

Để nhân rộng mô hình này, việc đầu tư vào công nghệ sản xuất gạch block hiện đại là rất cần thiết. Các dây chuyền tự động hóa với máy ép gạch không nung công suất lớn sẽ giúp nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc đa dạng hóa sản phẩm (gạch lát vỉa hè, gạch trang trí), nghiên cứu các loại phụ gia cho gạch không nung thế hệ mới để cải thiện thêm các tính năng như cách nhiệt, chống cháy và giảm trọng lượng. Việc xây dựng và hoàn thiện bộ tiêu chuẩn riêng cho gạch sản xuất từ phế thải công nghiệp cũng là một bước đi quan trọng để thúc đẩy thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của ngành xây dựng, mỗi năm Việt Nam tiêu thụ khoảng 20 tỷ viên gạch xây và nhu cầu này đã vượt mốc 40 tỷ viên/năm từ sau năm 2020. Việc phụ thuộc kéo dài vào gạch đất sét nung truyền thống đã làm suy giảm hàng nghìn hecta đất nông nghiệp màu mỡ, tiêu tốn lượng than hóa thạch khổng lồ và phát thải khí nhà kính nghiêm trọng. Nhằm khắc phục tình trạng này, Quyết định số 1469/QĐ-TTg ngày 22/08/2014 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch tổng thể phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 đã đặt mục tiêu nâng thị phần gạch không nung lên mức 30% đến 40%, tương đương công suất thiết kế toàn quốc đạt 13 tỷ viên quy tiêu chuẩn/năm.

Tại huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình, hoạt động của Nhà máy Xi măng Trung Sơn với công suất 2.000 tấn clinker/ngày (khoảng 750.000 tấn clinker/năm) gắn liền với mỏ đá vôi Lộc Môn phát sinh lượng chất thải rắn rất lớn. Điển hình là 192.000 m³ đất bóc tầng phủ và 7.000 m³ đá mạt bị thải loại mỗi năm, gây áp lực nặng nề lên quỹ đất và môi trường xung quanh. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là khảo sát đặc tính chất thải rắn và nghiên cứu thử nghiệm sản xuất gạch không nung từ nguồn phế liệu này, nhằm biến gánh nặng phế thải thành vật liệu xây dựng đạt chuẩn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn thải tại nhà máy trong giai đoạn 2016 - 2017. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài được khẳng định qua việc giảm thiểu ô nhiễm bãi thải, tiết kiệm 60% đến 70% chi phí đầu tư ban đầu so với lò gạch nung tuynel và mở ra mô hình kinh tế tuần hoàn hiệu quả cho ngành xi măng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết phản ứng thủy hóa của chất kết dính xi măng Poóclăng (theo tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 và TCVN 2682:2009) kết hợp với nguyên lý phản ứng Puzolanic của tro bay nhiệt điện (TCVN 10302:2014). Trong môi trường kiềm ẩm, hoạt tính silica và alumina tự do trong tro bay phản ứng với canxi hydroxit giải phóng từ xi măng để tạo thành khoáng canxi silicat hydrat (C-S-H). Hợp chất này có chức năng chèn kín các vi lỗ rỗng, làm tăng độ đặc chắc cho khối vật liệu. Đồng thời, nghiên cứu vận dụng cơ chế đầm nén bán khô và rung ép thủy lực để kích hoạt quá trình liên kết hóa đá tự nhiên mà không cần nung đốt.

Bốn khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: Cấp phối thành phần hạt theo TCVN 7570:2006 nhằm tối ưu hóa dải hạt mịn dưới 3mm đối với đất bóc và dưới 7mm đối với đá mạt; Cường độ chịu nén (MPa) ở 28 ngày tuổi xác định khả năng chịu tải trọng phá hủy theo TCVN 6477:2011; Độ hút nước (%) phản ánh độ rỗng mao dẫn theo TCVN 6355:2009; và Hệ số hóa mềm theo Quy trình vật liệu xây dựng của Viện Vật liệu Xây dựng (VIBM), quy định vật liệu bền nước khi hệ số đạt từ 0,75 trở lên.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được tổng hợp từ Báo cáo đánh giá tác động môi trường mỏ đá vôi Lộc Môn (trữ lượng khai thác 28 triệu tấn, công suất 1 triệu tấn/năm), số liệu khảo sát thực tế tại Nhà máy Xi măng Trung Sơn và kết quả thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Trung tâm Xi măng thuộc Viện Vật liệu Xây dựng (VIBM). Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu phế liệu đại diện từ bãi đất bóc tầng phủ và bãi sàng đá mạt, sau đó tiến hành phân loại, nghiền nhỏ đến cỡ hạt dưới 3mm và sấy khô ở 105°C đến khối lượng không đổi.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế qua 6 nhóm cấp phối (M1 đến M6), mỗi nhóm tạo hình tối thiểu 5 mẫu thử chuẩn dạng lập phương 50×50×50 mm để lấy giá trị trung bình cộng. Nhóm mẫu đất thải (M1 - M4) áp dụng công nghệ ép tĩnh bán khô với lực ép 20 MPa, trong khi nhóm mẫu đá mạt (M5, M6) áp dụng công nghệ rung ép ở tần số 2.000 lần/phút với lực ép 18 MPa. Lý do lựa chọn phương pháp nén kiểm tra trên máy Unit Test 2000 kN với tốc độ gia tải ổn định 0,2 đến 0,3 MPa/s và ngâm mẫu trong nước 24 giờ là nhằm đảm bảo tính chuẩn xác, khách quan và tuân thủ chặt chẽ các chỉ tiêu kỹ thuật của TCVN 6477:2011 trong thời gian thực nghiệm từ tháng 03/2016 đến tháng 01/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đối với nhóm cấp phối đất bóc tầng phủ (chiếm 90% khối lượng), mẫu M1 sử dụng 10% xi măng đạt cường độ chịu nén 13,8 MPa (tương đương mác M100 theo TCVN 6477:2011), độ hút nước 7,4%, nhưng hệ số hóa mềm chỉ đạt 0,69 (dưới 0,75). Đáng chú ý, cấp phối M2 khi thay thế 5% xi măng bằng 5% tro bay và bổ sung 1% lignin đạt cường độ nén 10,6 MPa (mác M100), độ hút nước hạ xuống mức thấp nhất 6,9% và hệ số hóa mềm tăng lên 0,75, đạt chuẩn vật liệu bền nước.

Thứ hai, nhóm cấp phối hỗn hợp gồm 60% đất bóc và 30% đá mạt (M3 và M4) cho cường độ nén đạt từ 10,5 đến 13,0 MPa, độ hút nước từ 7,0% đến 7,2%. Dù vậy, hệ số hóa mềm chỉ đạt 0,66 ở mẫu M3 và 0,72 ở mẫu M4, chưa đạt tiêu chuẩn bền nước do thành phần khoáng sét trong đất gây trương nở khi ngâm lâu trong nước.

Thứ ba, nhóm cấp phối gạch bê tông cốt liệu từ 60% đá mạt kết hợp 30% cát (M5 và M6) thể hiện tính năng cơ lý vượt trội. Cấp phối M5 sử dụng 10% xi măng đạt cường độ nén 14,0 MPa, độ hút nước 7,4% và hệ số hóa mềm 0,78. Cấp phối M6 khi giảm lượng xi măng xuống 5% và bổ sung 5% tro bay vẫn đạt cường độ 10,8 MPa (mác M100), độ hút nước 8,2% và đạt hệ số hóa mềm cao nhất là 0,81.

Thứ tư, nghiên cứu khẳng định tiềm năng xử lý triệt để 100% lượng phế thải phát sinh tại chỗ, cho phép tiêu thụ 192.000 m³ đất thải và 7.000 m³ đá mạt mỗi năm, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sạt lở bãi thải và suy thoái môi trường.

Thảo luận kết quả

Cơ chế giúp cấp phối M2 và M6 đạt độ bền nước cao bắt nguồn từ phản ứng Puzolanic kéo dài của tro bay. Khi tro bay phản ứng với vôi tự do, các liên kết C-S-H thứ cấp được hình thành liên tục giúp bịt kín các mao quản rỗng, nâng cao mật độ vi cấu trúc và khắc phục hiện tượng suy giảm cường độ khi ngập nước. Khi mô tả dữ liệu trên biểu đồ dạng cột so sánh giữa cường độ nén và hệ số hóa mềm, có thể thấy rõ xu hướng đối lập: các cấp phối không chứa tro bay (M1, M3) có cường độ ban đầu cao nhưng hệ số hóa mềm tụt dốc dưới 0,70; ngược lại, các cấp phối có 5% tro bay (M2, M6) ghi nhận hệ số hóa mềm tăng trưởng từ 8,7% đến 12,5%, tạo nên bước nhảy vọt về độ bền lâu dài.

So với các tài liệu nghiên cứu về gạch không nung từ đất đồi truyền thống vốn có độ hút nước cao trên 12% và cường độ nén dưới 7,5 MPa, việc ứng dụng lực ép 18 đến 20 MPa kết hợp phụ gia lignin trong đề tài đã giúp toàn bộ 6 mẫu thử nghiệm đạt mác M100 và giữ độ hút nước ở mức an toàn 6,9% đến 8,2%, vượt xa các yêu cầu khắt khe của TCVN 6355:2009.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuyển giao công nghệ và lắp đặt dây chuyền ép tĩnh bán khô công suất 5 đến 10 triệu viên/năm ứng dụng công thức cấp phối M2 (90% đất bóc, 5% xi măng, 5% tro bay, 1% phụ gia lignin) tại khuôn viên Nhà máy Xi măng Trung Sơn nhằm giải tỏa 192.000 m³ đất thải tồn đọng. Dự án nên hoàn thành lắp đặt trong thời gian 6 đến 9 tháng dưới sự chỉ đạo của Ban Giám đốc Nhà máy và Phòng Đầu tư.

Thứ hai, triển khai hệ thống rung ép thủy lực tần số 2.000 lần/phút với lực ép 18 MPa để thương mại hóa cấp phối M5 và M6 từ 60% đá mạt, sản xuất gạch block bê tông mác M100 phục vụ kết cấu tường bao nhà cao tầng. Thời hạn hoàn thành thử nghiệm công nghiệp trong 6 tháng, do Phòng Kỹ thuật và Quản lý Dự án chủ trì.

Thứ ba, ban hành quy trình kiểm soát chất lượng nguyên liệu nghiêm ngặt, duy trì độ mịn cốt liệu dưới 3mm qua hệ thống nghiền sàng liên hợp và kiểm soát độ ẩm nguyên liệu trước khi ép ở mức 10% đến 11%. Trách nhiệm theo dõi và kiểm định định kỳ thuộc về Phòng Kiểm tra chất lượng (KCS) và Bộ phận Môi trường.

Thứ tư, phối hợp với Sở Xây dựng tỉnh Hòa Bình để đưa sản phẩm gạch không nung từ phế liệu nhà máy vào danh mục vật liệu khuyến khích sử dụng cho các dự án vốn ngân sách, hướng tới đạt tỷ lệ sử dụng gạch không nung tối thiểu 30% theo đúng tinh thần của Quyết định số 1469/QĐ-TTg.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại các nhà máy sản xuất xi măng và khai thác đá vôi: Tài liệu cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh để tận thu hàng trăm nghìn mét khối phế liệu, tiết kiệm tới 80% diện tích mặt bằng lưu bãi và tạo ra nguồn doanh thu mới.

Nhóm chủ đầu tư, nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn thiết kế: Luận văn cung cấp bảng số liệu thực nghiệm chi tiết về cường độ nén đạt từ 10,5 đến 14,0 MPa và độ hút nước dưới 8,2%, làm cơ sở kỹ thuật vững chắc để ứng dụng gạch không nung vào các công trình xanh và nhà ở cao tầng.

Nhóm cán bộ quản lý nhà nước tại Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường: Đề tài đóng vai trò là case study thực tế về mô hình kinh tế tuần hoàn, phục vụ công tác xây dựng chính sách quản lý chất thải rắn mỏ và thẩm định các dự án phát triển vật liệu xây không nung đạt mục tiêu 30% đến 40% của tỉnh.

Nhóm nghiên cứu sinh, giảng viên và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Vật liệu: Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về cơ chế hoạt hóa Puzolanic của tro bay trong nền cốt liệu đất đá phế thải.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn phế thải phát sinh tại Nhà máy Xi măng Trung Sơn gồm những loại nào và trữ lượng bao nhiêu? Chất thải rắn phát sinh hàng năm gồm 192.000 m³ đất bóc tầng phủ và 7.000 m³ đá mạt thu hồi từ công đoạn sàng lọc đá vôi. Toàn bộ nguồn thải này sạch, không chứa hóa chất độc hại và hoàn toàn thích hợp để làm cốt liệu gạch không nung.

Tại sao việc thay thế 5% xi măng bằng tro bay trong cấp phối M2 lại giúp cải thiện hệ số hóa mềm? Tro bay tham gia phản ứng Puzolanic với Ca(OH)2 sinh ra từ xi măng, tạo thêm gel C-S-H bịt kín các lỗ rỗng mao dẫn. Nhờ đó, cấu trúc gạch trở nên đặc chắc, giúp hệ số hóa mềm tăng từ 0,69 ở mẫu M1 lên mức 0,75 ở mẫu M2, đạt chuẩn bền nước.

Gạch không nung chế tạo từ đất bóc và đá mạt có đủ điều kiện xây nhà cao tầng không? Hoàn toàn đủ điều kiện. Các cấp phối M2 và M5 đạt cường độ chịu nén từ 10,6 đến 14,0 MPa (mác M100 theo TCVN 6477:2011), độ hút nước dưới 7,4% và hệ số hóa mềm trên 0,75, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật làm tường bao che và tường ngăn trong công trình cao tầng.

Chi phí đầu tư dây chuyền sản xuất gạch không nung có đắt hơn lò gạch nung tuynel không? Dây chuyền gạch không nung có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều, chỉ bằng 30% đến 40% so với lò nung tuynel. Ngoài ra, diện tích mặt bằng sản xuất và lưu kho chỉ chiếm khoảng 20% (1/5) so với công nghệ gạch đất sét nung truyền thống.

Quy trình bảo dưỡng gạch không nung từ phế liệu diễn ra trong bao lâu? Sau khi ép định hình với lực ép 18 đến 20 MPa, gạch được bảo dưỡng sơ bộ trong nhà xưởng ở nhiệt độ 27°C và độ ẩm trên 90%. Gạch có thể xuất xưởng sau 5 đến 7 ngày bảo dưỡng tự nhiên và đạt cường độ tối đa sau 28 ngày.

Kết luận

• Khảo sát và định lượng chính xác nguồn phế thải phát sinh tại Nhà máy Xi măng Trung Sơn gồm 192.000 m³ đất bóc tầng phủ và 7.000 m³ đá mạt mỗi năm.
• Thử nghiệm thành công 6 cấp phối gạch không nung với 100% mẫu đạt cường độ chịu nén mác M100 (từ 10,5 đến 14,0 MPa) và kiểm soát độ hút nước an toàn dưới 8,2%.
• Xác định cấp phối M2 (90% đất bóc, 5% xi măng, 5% tro bay, 1% lignin) và M5 (60% đá mạt, 30% cát, 10% xi măng) là hai phương án tối ưu với hệ số hóa mềm đạt từ 0,75 đến 0,78.
• Cung cấp giải pháp xử lý triệt để chất thải rắn công nghiệp, giúp tiết kiệm 60% đến 70% vốn đầu tư sản xuất so với công nghệ lò nung truyền thống.
• Doanh nghiệp cần sớm hoàn thiện thủ tục đầu tư dây chuyền 5 triệu viên/năm trong giai đoạn 2017 - 2018; đồng thời các đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng nên chủ động nhân rộng mô hình để thúc đẩy phát triển xây dựng xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo ước tính, mỗi năm nước ta tiêu thụ khoảng 20 tỉ viên gạch. Với đà phát triển này, đến năm 2020, lượng gạch cần cho xây dựng là hơn 40 tỉ viên/năm. Việc sử dụng đất nung làm nguyên liệu làm mất rất nhiều đất canh tác, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an ninh lương thực và phải sử dụng một lượng than hóa thạch khổng lồ; kèm theo đó là lượng củi đốt rất lớn dẫn đến chặt phá rừng, mất cân bằng sinh thái, hậu họa của thiên tai và nghiêm trọng hơn nữa là gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến môi trường vật nuôi, sức khỏe con người và hậu quả để lại lâu dài. Khi sử dụng gạch đất sét, chúng ta phải sử dụng nguồn đất khai thác từ đất ruộng, đất phù sa, … tức là nguồn tài nguyên rất quý hiếm của một quốc gia.

Hiện nay, nguồn tài nguyên này đã bắt đầu cạn kiệt và với đà này chắc chắn sẽ không còn nhiều trong tương lai. Lượng đất sét này chúng ta có thể dùng vào việc sản xuất các sản phẩm cao cấp hơn, thẩm mỹ hơn, mang lại giá trị kinh tế hơn thay cho việc sản xuất gạch xây thông thường. Mặt khác, quá trình nung gạch làm từ đất sét gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường xung quanh. Đứng trước nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng như ô nhiễm môi trường và an ninh lương thực mà các lò gạch đất sét nung mang lại, các cơ quan quản lý nhà nước đã có lộ trình đưa vật liệu tương ứng vào thay thế.

Để hạn chế việc sử dụng gạch đất sét nung, đặc biệt là giảm thiểu ô nhiễm, Bộ xây dựng đã đề nghị Chính phủ cũng như Quốc hội tăng thuế tài nguyên đối với nguyên liệu đất sét; đã đề nghị các các tỉnh, thành có biện pháp để nhanh chóng xóa bỏ các lò gạch thủ công. Các tỉnh thành trong cả nước đều đã có những biện pháp quản lý chặt chẽ hơn về đất làm gạch. Nhiều tỉnh đã có những chế tài nghiêm khắc trong việc quản lý đất đai, đã xóa bỏ hoàn toàn các lò gạch thủ công. Theo quyết định số 1469/QĐ – TTg ngày 22/08/2014 của Thủ tướng Chính phủ về việc “Phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030” đã đưa ra lộ trình sử dụng vật liệu xây 1 không nung thay thế gạch đất sét nung là: năm 2010: 10 – 15%, năm 2015: 20 – 25%, năm 2020: 30 – 40% và giao Bộ Xây dựng xây dựng chương trình phát triển vật liệu không nung đến năm 2020.

Định hướng này là một phần của chương trình và được dựa trên cơ sở kết quả khảo sát, điều tra về tình hình sản xuất sử dụng và nguồn nguyên liệu làm vật liệu xây dựng không nung. Đây là nội dung cơ bản nhất của dự án: "Điều tra, khảo sát, đánh giá tình hình sản xuất và sử dụng vật liệu không nung ở Việt Nam và một số nước trong khu vực để xây dựng Chương trình phát triển vật liệu không nung đến 2020 và định hướng đến 2030" [7]. Sử dụng công nghệ gạch không nung sẽ khắc phục được những nhược điểm trên, đem lại công việc ổn định cho người lao động, phù hợp với chủ trương chính sách của Đảng, nhà nước và nguyện vọng của nhân dân, tiết kiệm được thời gian và tiền bạc, đem lại lợi ích cho xã hội. Quá trình sản xuất gạch không nung không sinh ra chất gây ô nhiễm, không tạo ra chất phế thải hoặc chất thải độc hại.

Năng lượng sử dụng trong quá trình sản xuất gạch không nung tốn ít hơn so với quá trình sản xuất các vật liệu khác. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, việc chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thử nghiệm sản xuất gạch không nung từ nguồn phế liệu của nhà máy xi măng Trung Sơn, Lương Sơn, Hòa Bình” là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. Mục tiêu của đề tài nhằm:  Xác định các chất thải rắn trong khai thác quá trình khai thác mỏ đá vôi Lộc Môn và hoạt động sản xuất của nhà máy xi măng Trung Sơn, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.  Chế tạo thử nghiệm gạch không nung từ các chất thải rắn của quá trình khai thác nguyên liệu và sản xuất xi măng của nhà máy.

 Tính toán chi phí và đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sản xuất gạch không nung từ nhà máy. KHÁI QUÁT VỀ GẠCH KHÔNG NUNG Gạch không nung là loại gạch xây dựng mà sau khi gia công định hình không cần phải sử dụng nhiệt nung nóng đỏ viên gạch cũng tự đóng rắn đạt để các chỉ số về cơ học như cường độ nén, uốn, độ hút nước. Độ bền của viên gạch không nung được gia tăng nhờ lực ép hoặc rung hoặc cả ép lẫn rung lên viên gạch và thành phần kết dính của chúng. Bản chất của sự liên kết tạo hình trong gạch không nung là do các phản ứng hoá đá xảy ra trong hỗn hợp tạo gạch, nhờ đó sẽ làm tăng dần độ bền của gạch theo thời gian.

Gạch không nung ở Việt Nam đôi khi còn được gọi là gạch block/blốc, gạch bê tông, gạch block bê tông .; tuy nhiên với cách gọi này thì không phản ánh đầy đủ khái niệm về gạch không nung. Mặc dù gạch không nung được dùng phổ biến trên thế giới nhưng hiện ở Việt Nam gạch không nung vẫn chiếm tỉ lệ thấp. Phân loại gạch không nung Hiện nay trên thị trường trong nước, gạch không nung thường được phân loại và gọi tên riêng chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu và phụ gia chính sử dụng cũng như công nghệ ép viên. Theo đó, có những loại gạch không nung sau [7]:  Gạch xi măng cốt liệu: Gạch xi măng cốt liệu còn gọi là gạch blốc (block), được tạo thành từ xi măng và một trong số hoặc nhiều các cốt liệu sau đây: mạt đá, cát vàng, cát đen, xỉ nhiệt điện, phế thải công nghiệp, đất.

Loại gạch này thường có cường độ chịu lực tốt (trên 80 kg/cm²), khả năng chống thấm và cách âm cách nhiệt tốt, tỉ trọng lớn (thường trên 1.900 kg/m³, nhưng nếu tạo kết cấu lỗ thì sẽ có thể cho khối lượng thể tích nhỏ hơn 1. Đây là loại gạch được khuyến khích sử dụng nhiều nhất và được ưu tiên phát triển mạnh nhất. Nó đáp ứng rất tốt các tiêu chí về kỹ thuật, kết cấu, môi trường, phương pháp thi công. Loại gạch này dễ sử dụng, có thể dùng vữa thông thường để gắn kết các viên gạch với nhau.

3 Gạch xi măng cốt liệu có tỉ trọng cao thường được sử dụng trong xây dựng công trình cao tầng vì lý do chính là tạo đối trọng, kết cấu vững chắc với cường độ cao. Với những công trình không cần đối trọng lớn, có thể dùng gạch xi măng cốt liệu kết cấu lỗ có khối lượng thể tích nhỏ mà vẫn đảm bảo được độ bền, không nặng và sự vững chãi cho công trình. Ví dụ: Những công trình cần sản phẩm gạch có cường độ 75 kg/cm² với gạch đất nung phải dùng loại đặc tỷ trọng 1.800 kg/m³, nhưng nếu dùng gạch không nung xi măng cốt liệu chỉ cần dùng loại kết cấu lỗ rỗng tỷ trọng 1.400 kg/m³ cường độ có thể đạt trên 100 kg/cm².  Gạch không nung bê tông nhẹ: Có hai dòng sản phẩm hình thành khi sản xuất gạch không nung bê tông nhẹ tùy thuộc vào quy trình sản xuất và nguyên liệu, đó là gạch bê tông nhẹ bọt (CLC - Cellular Lightweight Concrete) và gạch bê tông khí chưng áp (AAC - Autoclaved Aerated Concrete).

+ Gạch bê tông nhẹ bọt (CLC): Sản suất bằng công nghệ tạo bọt, khí trong kết cấu nên tỷ trọng viên gạch giảm đi nhiều (từ 350 kg/m3 có khả năng cách ly nhiệt hoàn toàn đến 800 kg/m3), nên nó đã trở thành đặc điểm ưu việt nhất của loại gạch này. Thành phành cơ bản: Xi măng, tro bay nhiệt điện, cát mịn, phụ gia tạo bọt hữu cơ hoặc vô cơ [14, 15]. Một số sản phẩm CLC của Việt Nam đã được kiểm định chất lượng vượt TCXDVN: 2004 về cường độ chịu nén đối với tỷ trọng 800 kg/m3 (D800). + Gạch bê tông khí chưng áp (AAC): Được rất nhiều nước trên thế giới ứng dụng rộng rãi với rất nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng hóa thạch do không phải nung đốt truyền thống, bảo ôn, chống cháy, cách âm, cách nhiệt, chống thấm rất tốt so với vật liệu đất sét nung.

Nó còn được gọi là gạch bê tông siêu nhẹ vì tỷ trọng chỉ bằng 1/2 hoặc thậm chí là chỉ bằng 1/3 so với gạch đất nung thông thường do kết cấu khí chiếm 80% thể tích viên gạch đó là lý do nó có thể nổi trên mặt nước, cách âm vượt trội và cách nhiệt hay chống cháy tốt. Do bề mặt viên gạch khá mịn nên khi xây xong tường thường không phải trát vữa mà bả sơn luôn. Thành phành cơ bản của AAC cũng bao gồm: Xi măng, tro bay nhiệt điện, cát mịn, vôi, nước và phụ gia tạo bọt [16]. 4 Về độ chịu lực của gạch không nung bê tông bọt với gạch bê tông khí nếu có cùng cường độ chịu lực (Mác) gạch bê tông bọt nặng 1000kg thì bê tông khí chưng áp là 800kg.

Gạch bê tông nhẹ được sử dụng khá nhiều ở các công trình dân sự xây nhà hay xây thêm tầng. Các loại gạch không nung khác: Nguồn nguyên liệu để tạo ra các loại gạch không nung khác sử dụng trong dân gian thường là xỉ than, đất đồi núi chất lượng thấp, phế thải công nghiệp, phế thải xây dựng. và phụ gia là vôi bột để tạo sự đông kết, đóng rắn. Trong thực tế và tùy điều kiện kinh tế, người ta cũng có thể bổ sung thêm xi măng để tăng độ bền cơ học của gạch.

Công nghệ tạo viên thường là thủ công, đổ khuôn và nén bằng tay hoặc nện chày gỗ nên các loại gạch này có độ chịu lực yếu, lực nén thấp và độ hút nước cao. Ngoài ra, cũng có thể trực tiếp sử dụng một số đá khoáng có sẵn trong tự nhiên để làm gạch như từ đá chẻ, đá ong, đá silicat … 1. Vai trò của gạch không nung trong xây dựng Theo Quyết định 1469/QĐ-TTg ngày 22/08/2014 về việc Phê duyệt Quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, việc đầu tư dây chuyền công nghệ sản xuất vật liệu xây không nung nói chung và gạch không nung nói riêng có mức độ cơ giới hóa và tự động hóa cao, tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường.