Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam với đường bờ biển dài khoảng 3.444 km, đứng thứ 32 trong số 156 quốc gia giáp biển, đang đối mặt với thách thức lớn trong việc bảo vệ và phát triển các công trình xây dựng ven biển. Theo ước tính, hơn 50% kết cấu bê-tông và bê-tông cốt thép trong môi trường biển bị suy giảm tuổi thọ chỉ sau 10–30 năm sử dụng do tác động ăn mòn của ion Cl⁻ và SO₄²⁻ trong nước biển. Trong bối cảnh toàn cầu hóa và xu hướng sản xuất vật liệu thân thiện môi trường, xi-măng siêu sunphát (Supersulfated Cement - SSC) được xem là giải pháp tiềm năng nhờ khả năng tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải carbon và tái chế phế phẩm công nghiệp như xỉ lò cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển cấp phối xi-măng siêu sunphát ứng dụng trong môi trường nước biển và các môi trường có độ ăn mòn cao, đồng thời đánh giá các tính chất cơ lý, khả năng kháng ăn mòn và cơ chế thủy hóa của loại xi-măng này. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM, với nguyên liệu chính là xỉ lò cao – phế phẩm của ngành luyện thép, kết hợp với thạch cao, clinker xi-măng Portland và vôi tôi.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp một loại vật liệu xây dựng bền vững, phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của môi trường biển, góp phần nâng cao tuổi thọ công trình, giảm chi phí bảo trì và bảo vệ môi trường thông qua việc tái sử dụng phế thải công nghiệp. Các chỉ số kỹ thuật của xi-măng siêu sunphát được khảo sát phù hợp với tiêu chuẩn BS EN 15743 – 2010, đồng thời có khả năng phát triển cường độ cao và tỏa nhiệt thấp, rất thích hợp cho các công trình bê-tông khối lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế thủy hóa xi-măng siêu sunphát và cơ chế kháng ăn mòn trong môi trường nước biển.

  1. Cơ chế thủy hóa xi-măng siêu sunphát (SSC): SSC chủ yếu gồm 75–85% xỉ lò cao, 10–20% thạch cao và một lượng nhỏ clinker xi-măng Portland hoặc chất kiềm. Quá trình thủy hóa diễn ra qua sự hòa tan xỉ trong môi trường kiềm, tạo thành các khoáng ettringite (C₃A·3CaSO₄·32H₂O) và calcium silicate hydrate (CSH). Ettringite đóng vai trò chính trong việc phát triển cường độ sớm, trong khi CSH góp phần tăng cường độ dài hạn. Sự hiện diện của các khoáng hydrotalcite và monosulfate cũng được ghi nhận, giúp cải thiện cấu trúc vi mô và tính bền vững của vật liệu.

  2. Cơ chế kháng ăn mòn ion Cl⁻: Ion Cl⁻ trong nước biển là tác nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong bê-tông. SSC có khả năng liên kết ion Cl⁻ thông qua sự hình thành các khoáng như Friedel’s salt và các phức hợp clorit liên kết với C₃A và C₄AF trong xi-măng. Ngoài ra, cấu trúc đặc chắc của đá xi-măng SSC làm giảm sự thẩm thấu ion Cl⁻, từ đó hạn chế quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: xỉ lò cao (Blast Furnace Slag - BFS), clinker xi-măng Portland (OPC), calcium silicate hydrate (CSH), ettringite, hydrotalcite, Friedel’s salt, và các chỉ tiêu kỹ thuật như cường độ chịu nén, độ dãn nở sunphát, hàm lượng ion Cl⁻ liên kết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ nguyên liệu xỉ lò cao, thạch cao, clinker xi-măng Portland và vôi tôi, cùng với cát và nước biển lấy từ vùng biển Cần Giờ, TP.HCM. Các nguyên liệu được phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp XRF và thành phần khoáng bằng XRD. Độ mịn của xỉ và các thành phần được khảo sát để tối ưu cấp phối.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm nhiệt thủy hóa theo TCVN 6070:1995 để đánh giá nhiệt độ tỏa ra trong quá trình đóng rắn.
  • Đo độ chảy của vữa và thời gian ninh kết theo ASTM C186 và TCVN 4032:1985.
  • Xác định cường độ chịu uốn và chịu nén của mẫu vữa xi-măng theo tiêu chuẩn EN 1961.
  • Đo độ dãn nở trong môi trường sunphát theo TCVN 7713:2007.
  • Phân tích hàm lượng ion Cl⁻ liên kết và độ thẩm thấu ion Cl⁻ bằng phương pháp điện lượng và ASTM C1218/ASTM C114.
  • Quan sát cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích thành phần bằng SEM-EDS.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2016, với cỡ mẫu khoảng 30 mẫu vữa xi-măng được chế tạo và thử nghiệm.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc thay đổi tỷ lệ thành phần cấp phối xi-măng siêu sunphát, đặc biệt tỷ lệ xỉ lò cao (khoảng 80%), thạch cao (15%), clinker (1%) và vôi tôi (1%) để xác định cấp phối tối ưu. Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp thống kê mô tả và so sánh với tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấp phối tối ưu và tính chất kỹ thuật: Cấp phối chuẩn gồm 82,5% xỉ lò cao, 15,5% thạch cao (khan), 1% clinker và 1% vôi tôi đã cho các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với tiêu chuẩn BS EN 15743 – 2010. Độ mịn của xỉ và loại thạch cao ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ và thời gian ninh kết. Lượng nước tiêu chuẩn cho xi-măng SSC khoảng 0,35–0,40, thời gian bắt đầu ninh kết từ 120 đến 180 phút.

  2. Phát triển cường độ: Cường độ chịu uốn và chịu nén của xi-măng siêu sunphát tăng dần theo thời gian, với cường độ nén đạt khoảng 40–50 MPa sau 28 ngày và tiếp tục phát triển ở tuổi dài ngày. Nhiệt thủy hóa đo được cho thấy nhiệt tỏa ra thấp hơn so với các loại xi-măng tỏa nhiệt thấp thương mại, phù hợp cho đổ bê-tông khối lớn.

  3. Khả năng kháng ăn mòn: Độ dãn nở trong môi trường sunphát rất thấp, chỉ khoảng 0,03% sau 14 ngày và 0,05% sau 6 tháng, thấp hơn giới hạn 0,04% theo TCVN 6067:2004. Hàm lượng ion Cl⁻ liên kết trong đá xi-măng tăng theo thời gian, đồng thời độ thẩm thấu ion Cl⁻ giảm đáng kể so với bê-tông thông thường, cho thấy khả năng chống thấm và kháng ăn mòn ion Cl⁻ hiệu quả.

  4. Cấu trúc vi mô: Phân tích SEM và SEM-EDS cho thấy sự hình thành các khoáng ettringite, CSH, CaCl₂ và Friedel’s salt trong đá xi-măng SSC. Các khoáng này tạo thành mạng lưới liên kết chặt chẽ, làm đặc chắc cấu trúc và góp phần vào khả năng cố định ion Cl⁻, bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự ưu việt xi-măng siêu sunphát trong môi trường nước biển là do cơ chế thủy hóa đặc thù, trong đó thạch cao sau xử lý nhiệt có hoạt tính cao, kích thích phản ứng xỉ lò cao tạo ra các khoáng ettringite và CSH ngay từ giai đoạn sớm. Sự hình thành các khoáng liên kết ion Cl⁻ như Friedel’s salt giúp giảm sự thẩm thấu và xâm nhập của ion Cl⁻, từ đó hạn chế ăn mòn cốt thép.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả cường độ và khả năng kháng ăn mòn của xi-măng SSC trong luận văn tương đương hoặc vượt trội hơn các loại xi-măng siêu sunphát được sản xuất tại châu Âu và Nhật Bản. Đặc biệt, nhiệt độ tỏa nhiệt thấp của SSC phù hợp với các công trình bê-tông khối lớn, giảm nguy cơ nứt do nhiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phát triển cường độ theo thời gian, biểu đồ độ dãn nở sunphát và biểu đồ hàm lượng ion Cl⁻ liên kết so với thời gian, cùng bảng phân tích thành phần khoáng XRD và ảnh SEM minh họa cấu trúc vi mô.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng xi-măng siêu sunphát trong xây dựng ven biển: Khuyến nghị các nhà thầu và chủ đầu tư sử dụng xi-măng SSC cho các công trình bê-tông cốt thép tại khu vực ven biển và hải đảo nhằm tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Thời gian áp dụng trong vòng 1–3 năm tới.

  2. Phát triển dây chuyền sản xuất xi-măng SSC: Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng cần đầu tư nghiên cứu và phát triển dây chuyền sản xuất xi-măng siêu sunphát dựa trên nguồn nguyên liệu xỉ lò cao trong nước, nhằm tận dụng phế phẩm công nghiệp và giảm phát thải môi trường. Chủ thể thực hiện là các công ty xi-măng lớn trong nước.

  3. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về công nghệ xi-măng siêu sunphát cho kỹ sư xây dựng, cán bộ quản lý dự án và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu để phổ biến kiến thức và kỹ thuật thi công đúng chuẩn. Thời gian triển khai trong 1 năm.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về bê-tông SSC: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục nghiên cứu cấp phối bê-tông sử dụng xi-măng SSC, đánh giá tính bền vững, khả năng chịu tải và các đặc tính vật lý khác trong điều kiện thực tế. Chủ thể thực hiện là các tổ chức nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi-măng và vật liệu xây dựng: Giúp hiểu rõ về công nghệ chế tạo xi-măng siêu sunphát, tối ưu hóa nguyên liệu và quy trình sản xuất để phát triển sản phẩm mới thân thiện môi trường.

  2. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình ven biển: Cung cấp kiến thức về lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế kết cấu bê-tông chịu được môi trường ăn mòn cao, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

  3. Các nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hỗ trợ đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi áp dụng xi-măng siêu sunphát trong các dự án xây dựng ven biển, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  4. Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành kỹ thuật vật liệu: Là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng bền vững, cơ chế thủy hóa và kháng ăn mòn của xi-măng siêu sunphát.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xi-măng siêu sunphát khác gì so với xi-măng Portland thông thường?
    Xi-măng siêu sunphát chủ yếu sử dụng xỉ lò cao làm thành phần chính, kết hợp với thạch cao và một lượng nhỏ clinker, có khả năng phát triển cường độ chậm hơn ban đầu nhưng bền vững hơn về lâu dài, đặc biệt có khả năng kháng ăn mòn ion Cl⁻ và SO₄²⁻ tốt hơn xi-măng Portland.

  2. Tại sao xi-măng siêu sunphát phù hợp với môi trường nước biển?
    Do cơ chế thủy hóa tạo ra các khoáng ettringite và CSH đặc chắc, cùng với khả năng liên kết ion Cl⁻ qua Friedel’s salt, xi-măng siêu sunphát giảm được sự thẩm thấu ion gây ăn mòn cốt thép, từ đó tăng tuổi thọ công trình trong môi trường biển.

  3. Nguyên liệu chính để sản xuất xi-măng siêu sunphát là gì?
    Nguyên liệu chính là xỉ lò cao – phế phẩm của ngành luyện thép, kết hợp với thạch cao, clinker xi-măng Portland và vôi tôi. Việc sử dụng xỉ lò cao giúp tái chế phế thải và giảm phát thải carbon.

  4. Xi-măng siêu sunphát có thể sử dụng cho các công trình nào?
    Phù hợp cho các công trình bê-tông khối lớn, công trình ven biển, cầu cảng, đập thủy điện và các công trình chịu môi trường ăn mòn cao như nước biển, môi trường sunphát và môi trường giàu ion Cl⁻.

  5. Làm thế nào để đánh giá khả năng kháng ăn mòn của xi-măng siêu sunphát?
    Thông qua các thí nghiệm đo độ dãn nở trong môi trường sunphát, hàm lượng ion Cl⁻ liên kết trong đá xi-măng, độ thẩm thấu ion Cl⁻ và quan sát cấu trúc vi mô bằng SEM-EDS để xác định sự hình thành các khoáng liên kết ion Cl⁻ và cấu trúc đặc chắc của vật liệu.

Kết luận

  • Xi-măng siêu sunphát được chế tạo từ 82,5% xỉ lò cao, 15,5% thạch cao, 1% clinker và 1% vôi tôi, đáp ứng tiêu chuẩn BS EN 15743 – 2010 về các chỉ tiêu cơ lý và kỹ thuật.
  • Quá trình thủy hóa tạo ra các khoáng ettringite và CSH giúp phát triển cường độ bền vững, đồng thời giảm nhiệt tỏa ra, phù hợp cho bê-tông khối lớn.
  • Khả năng kháng ăn mòn ion Cl⁻ và SO₄²⁻ của xi-măng siêu sunphát vượt trội, với độ dãn nở sunphát thấp và hàm lượng ion Cl⁻ liên kết cao, bảo vệ hiệu quả cốt thép trong môi trường nước biển.
  • Cấu trúc vi mô đặc chắc với sự hiện diện của Friedel’s salt và hydrotalcite góp phần nâng cao tính bền vững của vật liệu.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng xi-măng siêu sunphát trong xây dựng ven biển, phát triển dây chuyền sản xuất và đào tạo kỹ thuật để thúc đẩy sản phẩm thương mại hóa.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào phát triển cấp phối bê-tông SSC, đánh giá thực nghiệm trong điều kiện thực tế và mở rộng ứng dụng trong các công trình hạ tầng ven biển. Hãy bắt đầu áp dụng xi-măng siêu sunphát để xây dựng các công trình bền vững, thân thiện môi trường ngay hôm nay!