Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất thế giới, nhưng sản xuất xi măng – thành phần kết dính chính của bê tông – cũng là một nguồn phát thải CO₂ đáng kể. Một nghiên cứu được công bố trên Carbon Research đã thử nghiệm sự kết hợp giữa zeolite và than sinh học (biochar) từ tre. Kết quả cho thấy một công thức bê tông không chỉ có cường độ cơ học cao hơn mẫu đối chứng mà còn có khả năng hấp thụ CO₂ trong điều kiện thí nghiệm được kiểm soát.
Hai vật liệu xốp được đưa vào bê tông
Zeolite là một nhóm khoáng chất aluminosilicate có cấu trúc tinh thể với nhiều khoang và kênh vi mô. Những cấu trúc này tạo ra diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ các phân tử. Trong nghiên cứu, zeolite được sử dụng dưới dạng các hạt có kích thước khác nhau kết hợp với bột zeolite.
Nhóm nghiên cứu thay thế 25% hoặc 50% cốt liệu mịn bằng hỗn hợp zeolite. Thành phần zeolite được sử dụng có hàm lượng silica và alumina cao. Theo các tác giả, đặc tính này có thể góp phần vào các phản ứng pozzolan trong hệ xi măng, tạo thêm gel C-S-H – thành phần quan trọng giúp bê tông hình thành cấu trúc chắc đặc hơn.
Vật liệu thứ hai là than sinh học từ tre. Biochar được tạo ra bằng cách nhiệt phân sinh khối trong điều kiện thiếu oxy, tạo thành vật liệu giàu carbon và có cấu trúc xốp.
Trong thí nghiệm, biochar tre được sử dụng để thay thế một phần xi măng ở các mức 0,5%, 1% và 1,5% theo khối lượng xi măng. Mục tiêu là tìm ra tỷ lệ có thể tăng khả năng hấp thụ CO₂ nhưng không làm suy giảm đáng kể các đặc tính cơ học của bê tông.
Công thức ZB5 cho kết quả nổi bật
Nhóm nghiên cứu thử nghiệm nhiều tỷ lệ zeolite và biochar khác nhau trên bê tông cấp độ M35. Kết quả cho thấy khi tăng lượng zeolite, cường độ chịu nén và khả năng hấp thụ CO₂ có xu hướng tăng.
Công thức ZB5, với 50% zeolite thay thế cốt liệu mịn và 1% biochar tre thay thế xi măng, đạt cường độ chịu nén 38,49 MPa sau 28 ngày, cao hơn khoảng 7,48% so với mẫu bê tông thông thường.
Cường độ chịu kéo gián tiếp của ZB5 đạt 4,39 MPa, cao hơn khoảng 15% so với mẫu đối chứng. Khả năng chịu va đập cũng đạt 30 J, cao hơn khoảng 10% so với mẫu đối chứng; độ hút nước của mẫu ZB5 được báo cáo ở mức 5,2%.
Theo nhóm nghiên cứu, sự cải thiện này có thể liên quan đến cấu trúc aluminosilicate của zeolite và khả năng cải thiện vi cấu trúc của ma trận xi măng. Các hạt vật liệu xốp cũng có thể ảnh hưởng đến sự phân bố lỗ rỗng và quá trình hình thành sản phẩm thủy hóa của xi măng.
Tuy nhiên, hiệu ứng này có giới hạn. Khi lượng biochar tăng lên 1,5%, cường độ bê tông giảm mặc dù khả năng hấp thụ CO₂ tiếp tục tăng. Các tác giả cho rằng lượng biochar cao hơn làm tăng tính giòn của bê tông và ảnh hưởng bất lợi đến cường độ.
Điều này cho thấy trong loại vật liệu này, mục tiêu không đơn giản là đưa càng nhiều biochar càng tốt. Bài toán thực tế là tìm sự cân bằng giữa khả năng thu giữ CO₂, cường độ, độ bền và tính công tác của bê tông.
Vì sao zeolite và biochar có thể tương tác với CO₂?
Zeolite có hệ thống các khoang và kênh vi mô, trong khi biochar có nhiều lỗ rỗng hình thành trong quá trình nhiệt phân. Những cấu trúc này tạo ra diện tích bề mặt tương đối lớn, cung cấp nhiều vị trí để các phân tử CO₂ tương tác với vật liệu.
Tuy nhiên, cần phân biệt giữa hấp phụ CO₂ và carbonation của bê tông. CO₂ không chỉ đơn giản bị giữ lại trong các lỗ rỗng. Khi CO₂ thâm nhập vào bê tông, nó còn có thể phản ứng với các hợp chất chứa canxi trong hệ xi măng, tạo thành các sản phẩm carbonate.
Vì vậy, cơ chế thu giữ CO₂ trong bê tông zeolite–biochar có thể liên quan đến cả đặc tính hấp phụ của vật liệu xốp và quá trình carbonation của ma trận xi măng. Chính các tác giả cũng sử dụng độ sâu carbonation như một trong những chỉ số để đánh giá hiệu quả của các công thức.
Mẫu ZB5 hấp thụ khoảng 1,2 gram CO₂ mỗi ngày
Mẫu ZB5 được báo cáo hấp thụ khoảng 1,2 g CO₂ mỗi ngày. Sau 7 ngày trong buồng carbonation, độ sâu carbonation của mẫu đạt khoảng 15 mm. Đây là kết quả trong điều kiện thí nghiệm, chứ không phải phép đo trực tiếp cho thấy một khối bê tông ngoài trời có thể hút 1,2 g CO₂ mỗi ngày trong mọi điều kiện.
Đây là điểm cần lưu ý khi diễn giải con số 1,2 g/ngày. Khả năng thu giữ CO₂ của bê tông trong thực tế sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí, kích thước kết cấu, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ CO₂ và khả năng CO₂ khuếch tán vào bên trong bê tông.
Nói cách khác, kết quả 1,2 g/ngày cho thấy tiềm năng của công thức ZB5 trong điều kiện carbonation được kiểm soát, nhưng chưa đủ để suy ra lượng CO₂ mà một công trình sử dụng loại bê tông này sẽ hấp thụ trong suốt vòng đời.
Build.Data
