Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xi măng đóng góp khoảng 27% tổng phát thải CO2 toàn cầu, tương đương 2.2 tỷ tấn CO2 mỗi năm (năm 2014). Dự báo sản lượng xi măng toàn cầu năm 2050 sẽ đạt khoảng 4.682 triệu tấn, tăng 12.3% so với năm 2014, dẫn đến phát thải CO2 tăng khoảng 4%. Để hạn chế sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu không vượt quá 2°C, ngành xi măng cần giảm 24% phát thải CO2 vào năm 2050 theo kịch bản 2DS của IEA. Một trong những chiến lược then chốt là giảm tỷ lệ clinker trong xi măng bằng cách sử dụng các vật liệu bổ sung có tính kết dính (SCM) như tro bay, xỉ hạt lò cao, hoặc đất sét nung.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic làm vật liệu thay thế một phần clinker trong xi măng, nhằm giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất sét tự nhiên có hàm lượng kaolinite thấp (khoảng 12.8%) lấy từ mỏ đất sét của nhà máy xi măng Hòn Chông, TP. Hồ Chí Minh, nung ở các nhiệt độ 600°C, 700°C, 800°C và 900°C. Mục tiêu chính là đánh giá hoạt tính pozzolanic và cường độ của đất sét nung khi trộn với xi măng Portland (OPC) theo tỷ lệ 20:80, đồng thời tính toán mức giảm phát thải CO2 khi sử dụng vật liệu này.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh nguồn cung tro bay ngày càng giảm do chính sách giảm nhiệt điện than, đồng thời giúp các nhà máy xi măng chủ động nguồn phụ gia khoáng chất, góp phần phát triển bền vững ngành vật liệu xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

  • Cấu trúc khoáng của đất sét: Đất sét gồm các lớp tứ diện (T) và bát diện (O) kết hợp theo tỷ lệ 1:1 hoặc 2:1, chứa các khoáng chính như kaolinite, illite, montmorillonite. Cấu trúc này ảnh hưởng đến hoạt tính pozzolanic sau khi nung.
  • Hoạt tính pozzolanic: Là khả năng phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành các sản phẩm thủy hóa có tính kết dính như C-S-H, góp phần tăng cường cường độ xi măng. Hoạt tính này phụ thuộc vào nhiệt độ nung, độ mịn và thành phần khoáng.
  • Phản ứng khử hydroxyl: Quá trình nung làm mất nước liên kết trong khoáng kaolinite, tạo thành metakaolin có cấu trúc vô định hình, là pha hoạt tính pozzolanic chính.
  • Mô hình xi măng LC3: Xi măng hỗn hợp gồm clinker, đất sét nung và đá vôi, với hàm lượng kaolinite ≥40% để đạt cường độ tương đương xi măng Portland.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu đất sét lấy từ mỏ đất sét NOR thuộc nhà máy xi măng Hòn Chông, TP. Hồ Chí Minh.
  • Chuẩn bị mẫu: Đất sét được sấy khô, nghiền mịn (100% qua sàng 75μm), nung ở 600°C, 700°C, 800°C, 900°C trong 2 giờ, làm nguội trong bình hút ẩm.
  • Phân tích vật liệu: Sử dụng các phương pháp XRF (phân tích thành phần hóa học), XRD (phân tích khoáng), SEM-EDS (quan sát vi cấu trúc và thành phần nguyên tố), FTIR (xác định liên kết hóa học), DTA (phân tích nhiệt vi sai).
  • Thí nghiệm cơ lý: Trộn đất sét nung với xi măng OPC theo tỷ lệ 20:80, trộn với cát tiêu chuẩn ISO và nước (W/C=0.5) để tạo vữa. Xác định cường độ nén ở các ngày tuổi 1, 3, 7, 28.
  • Đánh giá hoạt tính pozzolanic: Phương pháp Frattini xác định nồng độ CaO và OH- trong dung dịch ngâm xi măng hỗn hợp sau 8 ngày ở 40°C, so sánh với đường chuẩn để đánh giá hoạt tính.
  • Timeline nghiên cứu: Nhiệm vụ được giao từ 11/02/2023, hoàn thành vào 11/06/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Thành phần hóa học: Mẫu đất sét NOR trước nung chứa chủ yếu SiO2 (55%), Al2O3, Fe2O3, K2O. Sau nung ở 900°C, hàm lượng SiO2 tăng lên 61%, MKN (mất khi nung) dưới 1%, cho thấy nước liên kết đã mất gần hết.
  • Phân tích khoáng XRD: Đỉnh phổ kaolinite biến mất sau nung ở 600°C, xác nhận quá trình khử hydroxyl hoàn toàn. Khoáng illite giảm dần khi tăng nhiệt độ nung đến 900°C, trong khi quartz ổn định.
  • Vi cấu trúc SEM: Đất sét nung ở 900°C có các hạt nhỏ đồng đều, diện tích bề mặt lớn hơn, giúp tăng hoạt tính pozzolanic.
  • Phổ FTIR: Liên kết O-H đặc trưng của kaolinite biến mất sau nung dưới 600°C, khẳng định quá trình khử hydroxyl.
  • Hoạt tính pozzolanic: Đất sét nung ở 700°C và 800°C đạt khoảng 85% hoạt tính so với xi măng OPC. Ở 900°C, hoạt tính 3 ngày đạt 85%, nhưng 28 ngày đạt gần 96%, vượt trội hơn hẳn.
  • Cường độ nén: Vữa xi măng trộn 80% OPC và 20% đất sét nung 900°C đạt gần 96% cường độ 28 ngày của vữa xi măng OPC nguyên bản, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6882:2016 (chỉ số hoạt tính ≥75%).
  • Giảm phát thải CO2: Sử dụng đất sét nung thay thế 20% clinker có thể giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng hỗn hợp.

Thảo luận kết quả

  • Sự biến đổi cấu trúc khoáng và mất nước liên kết trong đất sét khi nung tạo ra pha metakaolin vô định hình, là yếu tố chính làm tăng hoạt tính pozzolanic.
  • Nhiệt độ nung 900°C là tối ưu cho đất sét có hàm lượng kaolinite thấp (~12.8%), giúp đạt cường độ và hoạt tính gần tương đương với xi măng Portland.
  • Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về đất sét nung có hàm lượng kaolinite thấp, mở rộng khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu địa phương.
  • Việc sử dụng đất sét nung làm SCM giúp giảm phụ thuộc vào tro bay và xỉ hạt lò cao, vốn đang giảm do chính sách giảm nhiệt điện than và biến động ngành luyện thép.
  • Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ nén theo ngày tuổi và đồ thị hoạt tính pozzolanic Frattini để minh họa sự khác biệt giữa các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Phát triển công nghệ nung đất sét: Áp dụng phương pháp nung tĩnh hoặc nung nhanh ở nhiệt độ khoảng 900°C để tối ưu hóa hoạt tính pozzolanic, giảm chi phí và tiêu hao năng lượng.
  • Ứng dụng đất sét nung trong sản xuất xi măng hỗn hợp: Khuyến khích các nhà máy xi măng sử dụng đất sét nung thay thế 15-20% clinker nhằm giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất trong vòng 3-5 năm tới.
  • Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng đất sét: Thiết lập quy trình phân tích khoáng, thành phần hóa học và hoạt tính pozzolanic để đảm bảo chất lượng nguyên liệu đầu vào.
  • Nghiên cứu mở rộng: Khảo sát thêm các nguồn đất sét khác trong nước có hàm lượng kaolinite thấp để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu SCM, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng lâu dài đến độ bền và khả năng chống xâm thực của xi măng hỗn hợp.
  • Chính sách hỗ trợ và đào tạo: Nhà nước và các tổ chức liên quan cần hỗ trợ kỹ thuật, đào tạo và chính sách ưu đãi để thúc đẩy ứng dụng đất sét nung trong ngành xi măng, góp phần đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Các nhà sản xuất xi măng: Để tìm hiểu giải pháp thay thế clinker bằng đất sét nung, giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất.
  • Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu: Nắm bắt kiến thức về hoạt tính pozzolanic của đất sét nung và phương pháp phân tích vật liệu.
  • Cơ quan quản lý môi trường và xây dựng: Đánh giá tiềm năng áp dụng vật liệu xanh trong ngành xây dựng, hỗ trợ chính sách phát triển bền vững.
  • Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Khai thác nguồn nguyên liệu địa phương, phát triển sản phẩm xi măng hỗn hợp thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đất sét nung có thể thay thế bao nhiêu phần trăm clinker trong xi măng?
    Đất sét nung có thể thay thế khoảng 20% clinker trong xi măng mà vẫn đảm bảo cường độ và chất lượng theo tiêu chuẩn quốc gia.

  2. Nhiệt độ nung tối ưu để tạo đất sét nung có hoạt tính pozzolanic là bao nhiêu?
    Nhiệt độ nung tối ưu cho đất sét có hàm lượng kaolinite thấp là khoảng 900°C, giúp đạt hoạt tính pozzolanic cao nhất.

  3. Sử dụng đất sét nung có giúp giảm phát thải CO2 không?
    Có, việc thay thế 20% clinker bằng đất sét nung có thể giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng hỗn hợp.

  4. Hoạt tính pozzolanic được đánh giá bằng phương pháp nào?
    Hoạt tính pozzolanic được đánh giá bằng phương pháp Frattini, xác định nồng độ CaO và OH- trong dung dịch ngâm xi măng hỗn hợp.

  5. Đất sét nung có thể thay thế tro bay trong sản xuất xi măng không?
    Có, đất sét nung là vật liệu thay thế tiềm năng cho tro bay, đặc biệt khi nguồn cung tro bay giảm do chính sách giảm nhiệt điện than.

Kết luận

  • Đất sét nung có hàm lượng kaolinite thấp (~12.8%) có thể tạo ra vật liệu SCM với hoạt tính pozzolanic cao khi nung ở 900°C.
  • Xi măng hỗn hợp 80% OPC và 20% đất sét nung đạt gần 96% cường độ 28 ngày so với xi măng Portland nguyên bản.
  • Việc sử dụng đất sét nung giúp giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng, góp phần vào mục tiêu phát thải ròng bằng 0 năm 2050.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành xi măng Việt Nam, giảm phụ thuộc vào tro bay và xỉ hạt lò cao.
  • Khuyến nghị triển khai ứng dụng đất sét nung trong sản xuất xi măng hỗn hợp và tiếp tục nghiên cứu mở rộng các nguồn đất sét trong nước.

Hành động tiếp theo là phát triển quy trình công nghiệp nung đất sét, xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng và thúc đẩy chính sách hỗ trợ ứng dụng vật liệu xanh trong ngành xi măng.