Tổng quan nghiên cứu

Hàng năm trên thế giới phát sinh khoảng 500 đến 600 triệu tấn tro xỉ nhiệt điện và xỉ luyện kim, gây áp lực nặng nề lên môi trường và quỹ đất bãi thải. Tại Việt Nam, 8 nhà máy luyện gang lò cao thải ra xấp xỉ 2,32 triệu tấn xỉ hạt mỗi năm trên tổng công suất 7,27 triệu tấn gang. Cùng với sự vận hành của Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 2 với công suất gấp đôi Nghi Sơn 1, lượng tro bay tồn dư đòi hỏi các giải pháp tái chế quy mô lớn và bền vững. Trong khi đó, ngành xây dựng hiện đại đang chuyển dịch mạnh mẽ sang vật liệu nhẹ nhằm giảm tải trọng bản thân công trình, tiết kiệm 40% đến 50% chi phí xây thô cho nhà ở dưới 100m2 và đẩy nhanh tốc độ thi công lên 150%.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán tận dụng xỉ lò cao nghiền mịn kết hợp tro bay để thay thế một phần xi măng trong chế tạo bê tông bọt nhẹ. Mục tiêu cụ thể là xác định tỷ lệ thay thế tối ưu của xỉ lò cao nghiền mịn ở mức 10% và 20%, cố định 30% tro bay, nhằm chế tạo sản phẩm đạt khối lượng thể tích khô dưới 1000 kg/m3 và tối ưu hóa cường độ nén. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức, tỉnh Thanh Hóa vào năm 2021. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và môi trường to lớn, giúp cắt giảm lượng phát thải khí nhà kính từ sản xuất xi măng và cung cấp vật liệu xây dựng xanh đạt tiêu chuẩn cho các công trình cao tầng.

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 hệ chất kết dính đa cấu tử và hoạt tính pozzolanic trong vật liệu xây dựng vô cơ. Cơ chế phản ứng dựa trên sự hình thành đồng thời của cấu trúc gel canxi aluminosilicat hydrat (C-A-S-H) và natri aluminosilicat hydrat (N-A-S-H). Khi xỉ lò cao giàu canxi phản ứng cùng tro bay giàu silic trong môi trường kiềm do xi măng thủy hóa tạo ra, các màng gel đặc chắc được sinh ra và lấp đầy các vi lỗ rỗng mao dẫn, cải thiện thời gian đóng rắn và gia tăng độ đặc chắc cho vật liệu.

Bên cạnh đó, nghiên cứu sử dụng lý thuyết thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông theo nguyên lý thể tích tuyệt đối. Thể tích của một mét khối bê tông bọt thành phẩm là tổng thể tích tuyệt đối của chất kết dính, cát mịn, nước, phụ gia hóa dẻo và thể tích bọt khí kỹ thuật đưa vào. Ba khái niệm cốt lõi được định hình gồm: bê tông bọt (vật liệu đá nhân tạo có cấu trúc tổ ong xốp nhẹ với tỷ trọng từ 230 kg/m3 đến 1920 kg/m3), xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GBFS - sản phẩm phụ luyện gang được làm lạnh cực nhanh bằng nước áp lực cao mang hoạt tính thủy lực tiềm ẩn) và tro bay nhiệt điện (phụ gia khoáng pozzolanic mịn thu giữ từ quá trình đốt than).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu đầu vào được kiểm định nghiêm ngặt gồm: xi măng Nghi Sơn PCB40 có khối lượng riêng 3,12 tấn/m3 với cường độ 28 ngày đạt 46,6 MPa; xỉ lò cao nghiền mịn từ Nhà máy thép Hòa Phát có khối lượng riêng 2,84 tấn/m3, chứa 30,73% CaO và 36,87% SiO2; tro bay từ Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 có khối lượng riêng 2,16 tấn/m3 với hàm lượng SiO2 đạt 55,73%; cát mịn Thọ Xuân có kích cỡ hạt 0,315 đến 0,63 mm; chất tạo bọt kỹ thuật tỷ trọng 1,02 g/cm3 tạo dung tích bọt 700 đến 1200 lít/lít hóa chất.

Nghiên cứu tiến hành chế tạo 6 cấp phối thuộc 2 nhóm: nhóm SL10 (10% xỉ lò cao, 30% tro bay, 60% xi măng) và nhóm SL20 (20% xỉ lò cao, 30% tro bay, 50% xi măng) với tỷ lệ nước trên chất kết dính cố định N/CKD = 0,222. Tổng cộng 54 mẫu lập phương kích thước chuẩn 100x100x100 mm được tạo hình bằng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát theo từng mẻ trộn, mỗi chỉ tiêu đo lường được lặp lại trên 3 mẫu thử để lấy giá trị trung bình thống kê chính xác.

Phương pháp phân tích được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học đa chiều: thử nghiệm nén mẫu cơ học trên máy nén Controls 300 tấn theo tiêu chuẩn TCVN 9029-2017; đo vận tốc truyền xung siêu âm không phá hủy theo tiêu chuẩn ASTM C597 ở tần số 50 kHz để ước lượng độ đồng nhất; đo hệ số dẫn nhiệt bằng thiết bị ISOMET 2114; và phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét SEM ở độ phóng đại 500 lần. Toàn bộ chu kỳ đúc mẫu, dưỡng hộ ẩm và thí nghiệm tại các mốc 7, 14 và 28 ngày tuổi diễn ra liên tục trong năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, khối lượng thể tích khô của các mẫu bê tông bọt nhóm SL10 dao động từ 0,629 đến 1,033 tấn/m3, trong khi nhóm SL20 đạt từ 1,000 đến 1,521 tấn/m3. Sự gia tăng thể tích bọt khí từ 0,272 m3 lên 0,673 m3 đã làm giảm khối lượng thể tích khô tới 39,1% ở nhóm SL10 và 34,2% ở nhóm SL20, chứng minh hàm lượng bọt là yếu tố quyết định trực tiếp đến độ rỗng của vật liệu.

Thứ hai, cường độ chịu nén 28 ngày tăng trưởng vượt bậc khi nâng hàm lượng xỉ lò cao. Mẫu SL20-1 đạt cường độ chịu nén 18,15 MPa, cao gấp 2,43 lần (tương đương tăng 143,3%) so với mẫu SL10-1 chỉ đạt 7,46 MPa. Đối với các mẫu có thể tích bọt cao, mẫu SL20-3 đạt 4,04 MPa, cao gấp 5,85 lần so với mẫu SL10-3 (0,69 MPa). Cấp phối SL20-3 hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu cường độ chịu lực theo TCVN 9029-2017 cho dòng bê tông nhẹ có khối lượng thể tích 1,000 tấn/m3.

Thứ ba, độ hút nước ở 28 ngày của nhóm SL20 giảm mạnh, nằm trong khoảng 4,14% đến 16,50%, thấp hơn rất nhiều so với dải 18,06% đến 37,04% của nhóm SL10. Vận tốc xung siêu âm của nhóm SL20 đạt từ 2537 đến 3322 m/s, vượt trội so với mức 1622 đến 2764 m/s của nhóm SL10 và vượt xa ngưỡng chuẩn chất lượng tốt 1501 m/s.

Thứ tư, hệ số truyền nhiệt duy trì ở mức thấp, từ 0,246 đến 0,481 W/m.K đối với nhóm SL10 và 0,369 đến 0,770 W/m.K đối với nhóm SL20. Hình ảnh vi cấu trúc SEM xác nhận mẫu SL20 sở hữu mật độ phân bố hạt cầu dày đặc, cấu trúc vi mô đặc chắc và hạn chế tối đa các khuyết tật rỗng so với mẫu SL10.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về cường độ nén và độ đặc chắc của nhóm SL20 được giải thích bởi cơ chế tương tác khoáng hóa. Hàm lượng xỉ lò cao 20% cung cấp lượng canxi hoạt tính cao kết hợp cùng lượng silica dồi dào trong 30% tro bay, kích hoạt phản ứng pozzolanic thứ cấp mạnh mẽ. Sự hình thành đồng bộ của mạng lưới gel C-A-S-H và N-A-S-H đã bao bọc màng bọt, gia cố vách ngăn giữa các lỗ rỗng và liên kết chặt chẽ với cốt liệu cát mịn.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của các nhà nghiên cứu về gạch bê tông bọt sử dụng 20% xỉ lò cao đạt cường độ 16 MPa, đồng thời củng cố nhận định về quy luật tương quan giữa khối lượng thể tích và cường độ của vật liệu xốp nhẹ.

Trong phân tích thực nghiệm, dữ liệu được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột thể hiện động thái phát triển cường độ nén qua các mốc 7, 14 và 28 ngày tuổi, cùng biểu đồ tán xạ thể hiện hàm tương quan tuyến tính thuận giữa khối lượng thể tích khô với cường độ nén và vận tốc xung siêu âm. Ngược lại, đồ thị tương quan nghịch giữa khối lượng thể tích và độ hút nước chứng minh rằng vật liệu càng đặc chắc thì khả năng xâm thực của nước càng giảm. Các bảng số liệu so sánh chỉ tiêu kỹ thuật giúp lượng hóa cụ thể hiệu quả vượt trội của việc thay thế 20% xỉ lò cao nghiền mịn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa cấp phối tối ưu SL20-3 (gồm 20% xỉ lò cao nghiền mịn, 30% tro bay, 50% xi măng PCB40, tỷ lệ N/CKD = 0,222) vào quy trình sản xuất thương mại gạch block và tấm panel tường ngăn không chịu lực, hướng tới chỉ tiêu khối lượng thể tích 1,000 tấn/m3 và cường độ nén trên 4,0 MPa; các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng cần hoàn thiện dây chuyền công nghệ trong quý 1 đến quý 2 năm 2022.

Thứ hai, thiết lập quy chuẩn kiểm soát tự động hóa công đoạn tạo bọt khí, khống chế dung sai thể tích bọt dưới mức 2%, nhằm ổn định kích thước lỗ rỗng tổ ong từ 0,1 đến 0,5 mm và duy trì độ hút nước dưới 15%; các viện nghiên cứu chuyên ngành và phòng thí nghiệm nhà máy cần thực hiện trong vòng 6 tháng.

Thứ ba, thiết lập chuỗi liên kết kinh tế tuần hoàn giữa các nguồn thải công nghiệp gồm Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn, Nhà máy thép Hòa Phát với các trạm trộn bê tông tại Thanh Hóa và khu vực lân cận, phấn đấu tiêu thụ tối thiểu 150.000 tấn tro xỉ mỗi năm; Sở Xây dựng và Ban Quản lý Khu kinh tế Nghi Sơn giữ vai trò chủ trì điều phối theo lộ trình giai đoạn 2022-2025.

Thứ tư, áp dụng rộng rãi bê tông bọt nhẹ pha xỉ tro bay vào các dự án nhà ở xã hội và công trình cao tầng trên nền đất yếu, kết hợp đo lường chỉ số tiết kiệm điện năng cho điều hòa không khí đạt từ 20% đến 30%; các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây lắp triển khai thử nghiệm thực địa trong thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư kết cấu và chuyên gia công nghệ vật liệu xây dựng có thể khai thác phương pháp tính toán cấp phối thể tích tuyệt đối kết hợp phụ gia khoáng để thiết kế tấm tường lắp ghép nhẹ, giảm từ 15% đến 25% tải trọng móng cho các tòa nhà cao tầng.

Thứ hai, các nhà máy sản xuất gạch không nung và bê tông nhẹ đúc sẵn tìm thấy quy trình công nghệ hoàn chỉnh để thay thế 50% chất kết dính truyền thống bằng tro xỉ công nghiệp, giúp hạ giá thành sản phẩm từ 15% đến 20% và gia tăng năng lực cạnh tranh.

Thứ ba, các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp phát thải nhiệt điện, luyện kim có cơ sở dữ liệu thực chứng tin cậy để xây dựng đề án tái chế tro xỉ, giải phóng diện tích bãi chứa chất thải rắn và đáp ứng các tiêu chí kinh tế tuần hoàn.

Thứ tư, học viên cao học, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng và Vật liệu có nguồn tài liệu tham khảo chuẩn xác về số liệu thực nghiệm, phương pháp kiểm tra xung siêu âm không phá hủy và phân tích vi cấu trúc SEM của vật liệu xốp nhẹ.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ xỉ lò cao nghiền mịn bao nhiêu là tối ưu nhất cho bê tông bọt? Tỷ lệ thay thế 20% xỉ lò cao kết hợp 30% tro bay mang lại chất lượng cơ lý tốt nhất. Ở 28 ngày tuổi, mẫu SL20-1 đạt cường độ nén 18,15 MPa, cao gấp 2,43 lần so với mức 7,46 MPa của mẫu dùng 10% xỉ lò cao, đồng thời độ hút nước giảm mạnh chỉ còn 4,14%.

Bê tông bọt sử dụng tro bay và xỉ lò cao có đạt chuẩn xây dựng Việt Nam không? Các mẫu cấp phối nhóm SL20 hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 9029-2017. Điển hình là cấp phối SL20-3 đạt khối lượng thể tích 1,000 tấn/m3 với cường độ nén 4,04 MPa, đảm bảo an toàn chịu lực cho vách ngăn nhẹ và có vận tốc xung siêu âm đạt 2537 m/s chứng minh độ đặc chắc rất cao.

Khả năng cách nhiệt của loại bê tông bọt pha phụ gia khoáng này đạt mức nào? Hệ số truyền nhiệt của bê tông bọt trong nghiên cứu duy trì trong khoảng 0,246 đến 0,770 W/m.K, thấp hơn nhiều so với mức khoảng 0,81 W/m.K của gạch đỏ thông thường. Cấu trúc bọt khí xốp kín giúp ngăn cản dòng nhiệt truyền qua, hỗ trợ công trình tiết kiệm từ 20% đến 30% điện năng tiêu thụ cho điều hòa.

Tại sao việc tăng lượng bọt khí lại làm suy giảm cường độ chịu nén? Bọt khí gia tăng làm tăng thể tích lỗ rỗng mao dẫn và làm mỏng các vách ngăn liên kết giữa các hạt khoáng. Khi lượng bọt tăng từ 0,272 m3 lên 0,510 m3 ở nhóm SL20, khối lượng thể tích khô giảm từ 1,521 xuống 1,000 tấn/m3, khiến cường độ nén giảm tương ứng từ 18,15 MPa xuống 4,04 MPa.

Xỉ lò cao làm lạnh nhanh bằng nước khác biệt gì so với xỉ làm nguội chậm? Xỉ hạt làm lạnh nhanh bằng nước áp lực cao (GBFS) giữ lại hàm lượng pha thủy tinh vô định hình cao với khối lượng riêng 2,84 tấn/m3, sở hữu hoạt tính thủy lực tiềm ẩn rất tốt để làm chất kết dính. Trong khi đó, xỉ làm nguội chậm (ABFS) có cấu trúc kết tinh đặc chắc, chủ yếu chỉ dùng làm cốt liệu thô san nền.

Kết luận

  • Luận văn xác lập tỷ lệ cấp phối tối ưu thay thế 20% xi măng bằng xỉ lò cao nghiền mịn cùng 30% tro bay, đạt cường độ chịu nén 28 ngày lên tới 18,15 MPa.
  • Chế tạo thành công bê tông bọt nhẹ tỷ trọng 1,000 tấn/m3 đạt cường độ 4,04 MPa, đáp ứng trọn vẹn yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 9029-2017.
  • Khẳng định cơ chế hình thành mạng gel kép C-A-S-H và N-A-S-H giúp giảm độ hút nước xuống 4,14% và duy trì khả năng cách nhiệt tuyệt vời với hệ số truyền nhiệt chỉ 0,246 đến 0,770 W/m.K.
  • Cung cấp giải pháp xử lý triệt để hàng triệu tấn tro bay Nghi Sơn và xỉ lò cao Hòa Phát, đóng góp thiết thực cho định hướng phát triển vật liệu xây dựng xanh.
  • Đề xuất kế hoạch chuyển giao công nghệ và triển khai thử nghiệm sản xuất bán công nghiệp trong giai đoạn 2022-2023 nhằm hoàn thiện giải pháp vật liệu tấm tường lắp ghép.

Các chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng và đơn vị sản xuất vật liệu hãy chủ động liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để ứng dụng ngay giải pháp bê tông bọt xanh, tối ưu hóa chi phí công trình và chung tay bảo vệ môi trường bền vững.