Một trong những loại chất thải vừa được nghiên cứu, ứng dụng thành công để chế tạo bê tông xanh là tro bay. Thay thế xi măng với hàm lượng cao trong sản xuất bê tông, tro bay giúp giảm bớt nhu cầu về xi măng trong xây dựng, khi mà quá trình sản xuất xi măng đang gây ô nhiễm ngày càng trầm trọng cho môi trường. Bê tông xanh là thuật ngữ chỉ loại bê tông được thiết kế nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và tăng tính bền vững của đối tượng xây dựng.
Tác động của sản xuất xi măng đối với môi trường
Sản xuất xi măng thường bao gồm các hoạt động khai thác nguyên liệu thô như đá vôi và đất sét, có thể dẫn đến nạn phá rừng, phá hủy môi trường sống, xói mòn đất và mất đa dạng sinh học. Sản xuất xi măng cần một nguồn năng lượng đáng kể cho các quy trình lò nhiệt độ cao. Sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng khiến gia tăng lượng khí thải carbon. Quá trình sản xuất xi măng cũng tiêu thụ nhiều nước, tác động bất lợi đến nguồn nước, hệ sinh thái và đời sống thủy sinh của địa phương nếu không được quản lý đúng cách.
Phản ứng hóa học trong sản xuất xi măng giải phóng một lượng CO2 đáng kể vào khí quyển (ước tính chiếm đến khoảng 7% lượng khí thải carbon dioxide CO2 toàn cầu). Ngoài CO2, các nhà máy sản xuất xi măng còn thải ra nhiều chất gây ô nhiễm không khí khác, bao gồm vật chất dạng hạt, SO2, NOx và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) khác, khiến cho chất lượng không khí xấu đi, gây ra các vấn đề về hô hấp và sức khỏe ở các cộng đồng lân cận.
Bê tông xanh
Bê tông xanh (còn được gọi là bê tông bền vững hoặc bê tông thân thiện môi trường) là một giải pháp giúp hạn chế việc sản xuất xi măng, khi giảm lượng xi măng được sử dụng trong bê tông và thay vào đó là các thành phần được tạo ra từ chất thải như tro bay, xỉ lò cao, khói silica, tro trấu, cốt liệu bê tông tái chế và kể cả nhựa phế thải. Bê tông xanh chịu nhiệt và chống cháy tốt.
Nó cũng có cường độ chịu nén và cường độ uốn gần như tương đương với bê tông thông thường; yêu cầu bảo trì và sửa chữa ít hơn bê tông truyền thống. Bê tông xanh giúp giảm 30% lượng khí thải CO2 và tăng 20% việc sử dụng các sản phẩm phế thải của ngành công nghiệp bê tông.
Đây là loại vật liệu đáp ứng tốt các yêu cầu về phát triển bền vững. Trong các loại nguyên liệu để tạo ra bê tông xanh, tro bay là thành phần được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhiều hiện nay. Rất nhiều công trình lớn trên thế giới sử dụng bê tông xanh với nguyên liệu từ tro bay khi ứng dụng ở nhiều điều kiện khắc nghiệt, một trong những ví dụ là mặt sàn và trụ cầu Sunshine Skyway ở Vịnh Tampa, Florida (Mỹ).
Sản xuất xi măng thường bao gồm các hoạt động khai thác nguyên liệu thô như đá vôi và đất sét, có thể dẫn đến nạn phá rừng, phá hủy môi trường sống, xói mòn đất và mất đa dạng sinh học. Sản xuất xi măng cần một nguồn năng lượng đáng kể cho các quy trình lò nhiệt độ cao. Sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng khiến gia tăng lượng khí thải carbon. Quá trình sản xuất xi măng cũng tiêu thụ nhiều nước, tác động bất lợi đến nguồn nước, hệ sinh thái và đời sống thủy sinh của địa phương nếu không được quản lý đúng cách.
Phản ứng hóa học trong sản xuất xi măng giải phóng một lượng CO2 đáng kể vào khí quyển (ước tính chiếm đến khoảng 7% lượng khí thải carbon dioxide CO2 toàn cầu). Ngoài CO2, các nhà máy sản xuất xi măng còn thải ra nhiều chất gây ô nhiễm không khí khác, bao gồm vật chất dạng hạt, SO2, NOx và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) khác, khiến cho chất lượng không khí xấu đi, gây ra các vấn đề về hô hấp và sức khỏe ở các cộng đồng lân cận.
Bê tông xanh
Bê tông xanh (còn được gọi là bê tông bền vững hoặc bê tông thân thiện môi trường) là một giải pháp giúp hạn chế việc sản xuất xi măng, khi giảm lượng xi măng được sử dụng trong bê tông và thay vào đó là các thành phần được tạo ra từ chất thải như tro bay, xỉ lò cao, khói silica, tro trấu, cốt liệu bê tông tái chế và kể cả nhựa phế thải. Bê tông xanh chịu nhiệt và chống cháy tốt.
Nó cũng có cường độ chịu nén và cường độ uốn gần như tương đương với bê tông thông thường; yêu cầu bảo trì và sửa chữa ít hơn bê tông truyền thống. Bê tông xanh giúp giảm 30% lượng khí thải CO2 và tăng 20% việc sử dụng các sản phẩm phế thải của ngành công nghiệp bê tông.
Đây là loại vật liệu đáp ứng tốt các yêu cầu về phát triển bền vững. Trong các loại nguyên liệu để tạo ra bê tông xanh, tro bay là thành phần được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhiều hiện nay. Rất nhiều công trình lớn trên thế giới sử dụng bê tông xanh với nguyên liệu từ tro bay khi ứng dụng ở nhiều điều kiện khắc nghiệt, một trong những ví dụ là mặt sàn và trụ cầu Sunshine Skyway ở Vịnh Tampa, Florida (Mỹ).
Tỷ lệ và hình thức khai thác, sử dụng tro bay tại một số quốc gia trên Thế giới.
Có thể thấy, tỷ lệ khai thác, sử dụng tro bay ở các quốc gia rất khác biệt. Tại Nhật Bản và các nước châu Âu, tỷ lệ khai thác, sử dụng tro bay gần như đạt 100%. Trung Quốc, Ấn Độ và Mỹ có tỷ lệ khai thác, sử dụng tro bay trên 60% (tỉ lệ tương ứng là 70,1%, 67% và 60,1%). Trong khi đó, ở Úc, tỷ lệ khai thác, sử dụng tro bay chỉ là 43,9%.
Về mục đích khai thác, sử dụng, tro bay chủ yếu được các nước này dùng như nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là để sản xuất các sản phẩm xi măng (xi măng và bê tông). Ví dụ, ở các quốc gia EU và Nhật Bản, Trung Quốc hầu hết tro bay được dùng để sản xuất xi măng và bê tông (tỉ lệ tương ứng 79%, 71% và 60%). Ở Úc, đến 60% tro bay được sử dụng để san lấp mỏ (ở Mỹ, con số này là 26%). Ngoài ra, người ta cũng dùng tro bay để cải tạo đất và một số nội dung khác…
Nghiên cứu sản xuất bê tông xanh tại Việt Nam
Tại Việt Nam, tro bay cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu khai thác, sử dụng vào sản xuất bê tông, ví dụ như “Nghiên cứu thực nghiệm bê tông có hàm lượng tro bay có cường độ cao làm mặt đường ô tô ở Việt Nam” do TS. Thái Minh Quân cùng các cộng sự (Trường Đại học Giao thông vận tải) thực hiện, công bố trên Tạp chí Khoa học Công nghệ số 03/2021. Nghiên cứu này đề cập việc chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao có cường độ cao trong xây dựng đường. Tỷ lệ thay thế tro bay được chọn từ 30 - 50% so với khối lượng chất kết dính. Kết quả cường độ chịu nén 28 ngày tuổi đạt từ 50 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt từ 7,1 MPa, độ mài mòn thấp hơn 0,3 g/cm². Bê tông hàm lượng tro bay cao này có thể đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông mặt đường cấp cao.
Một nghiên cứu của nhóm tác giả Ngô Doãn Hào (Trường Đại học Mỏ-Địa Chất) và Huỳnh Khánh Thành (Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải) mang tên “Nghiên cứu sử dụng tro bay chế tạo bê tông trong thi công hầm chui Nút giao thông Mỹ Thủy - Thành phố Hồ Chí Minh” đã cho thấy bê tông sử dụng tro bay cường độ phát triển chậm ở độ tuổi thấp và tăng dần ở các độ tuổi cao, trọng lượng của bê tông sử dụng tro bay nhẹ hơn bê tông thường, độ linh động cao, đơn giá thấp giúp tiết kiệm được chi phí, tận dụng được nguồn vật liệu phế thải từ các nhà máy nhiệt điện giảm thiểu ô nhiễm môi trường...
Gần đây, nhóm nghiên cứu của TS. Lê Văn Quang (Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam, Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng) cũng thành công trong việc ứng dụng tro bay vào sản xuất bê tông xanh, qua nhiệm vụ KH&CN "Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho các kết cấu công trình xây dựng", được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2022. Theo đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông xanh có hàm lượng tro bay cao (High Volume Fly Ash Concrete- HVFC), thay thế đến 80% xi măng, tạo điều kiện tái chế lượng lớn tro bay ngoài môi trường, mở ra khả năng giảm thiểu được lượng xi măng sản xuất trong tương lai, tạo một bước tiến quan trọng góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên liệu là xi măng OPC40 Nghi Sơn, tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, cốt liệu nhỏ (cát sông, cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), nước, vôi bột hydrate Ca(OH)2. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các phụ gia siêu dẻo, silica fume và hỗn hợp hóa chất tăng tốc, đông kết sớm và tăng cường độ sớm cho bê tông HVFC là sodium thiocyanate (NaSCN), diethanolamine (DEA) and glycerol (Gly).
Về mục đích khai thác, sử dụng, tro bay chủ yếu được các nước này dùng như nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là để sản xuất các sản phẩm xi măng (xi măng và bê tông). Ví dụ, ở các quốc gia EU và Nhật Bản, Trung Quốc hầu hết tro bay được dùng để sản xuất xi măng và bê tông (tỉ lệ tương ứng 79%, 71% và 60%). Ở Úc, đến 60% tro bay được sử dụng để san lấp mỏ (ở Mỹ, con số này là 26%). Ngoài ra, người ta cũng dùng tro bay để cải tạo đất và một số nội dung khác…
Nghiên cứu sản xuất bê tông xanh tại Việt Nam
Tại Việt Nam, tro bay cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu khai thác, sử dụng vào sản xuất bê tông, ví dụ như “Nghiên cứu thực nghiệm bê tông có hàm lượng tro bay có cường độ cao làm mặt đường ô tô ở Việt Nam” do TS. Thái Minh Quân cùng các cộng sự (Trường Đại học Giao thông vận tải) thực hiện, công bố trên Tạp chí Khoa học Công nghệ số 03/2021. Nghiên cứu này đề cập việc chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao có cường độ cao trong xây dựng đường. Tỷ lệ thay thế tro bay được chọn từ 30 - 50% so với khối lượng chất kết dính. Kết quả cường độ chịu nén 28 ngày tuổi đạt từ 50 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt từ 7,1 MPa, độ mài mòn thấp hơn 0,3 g/cm². Bê tông hàm lượng tro bay cao này có thể đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông mặt đường cấp cao.
Một nghiên cứu của nhóm tác giả Ngô Doãn Hào (Trường Đại học Mỏ-Địa Chất) và Huỳnh Khánh Thành (Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải) mang tên “Nghiên cứu sử dụng tro bay chế tạo bê tông trong thi công hầm chui Nút giao thông Mỹ Thủy - Thành phố Hồ Chí Minh” đã cho thấy bê tông sử dụng tro bay cường độ phát triển chậm ở độ tuổi thấp và tăng dần ở các độ tuổi cao, trọng lượng của bê tông sử dụng tro bay nhẹ hơn bê tông thường, độ linh động cao, đơn giá thấp giúp tiết kiệm được chi phí, tận dụng được nguồn vật liệu phế thải từ các nhà máy nhiệt điện giảm thiểu ô nhiễm môi trường...
Gần đây, nhóm nghiên cứu của TS. Lê Văn Quang (Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam, Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng) cũng thành công trong việc ứng dụng tro bay vào sản xuất bê tông xanh, qua nhiệm vụ KH&CN "Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho các kết cấu công trình xây dựng", được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2022. Theo đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông xanh có hàm lượng tro bay cao (High Volume Fly Ash Concrete- HVFC), thay thế đến 80% xi măng, tạo điều kiện tái chế lượng lớn tro bay ngoài môi trường, mở ra khả năng giảm thiểu được lượng xi măng sản xuất trong tương lai, tạo một bước tiến quan trọng góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên liệu là xi măng OPC40 Nghi Sơn, tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, cốt liệu nhỏ (cát sông, cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), nước, vôi bột hydrate Ca(OH)2. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các phụ gia siêu dẻo, silica fume và hỗn hợp hóa chất tăng tốc, đông kết sớm và tăng cường độ sớm cho bê tông HVFC là sodium thiocyanate (NaSCN), diethanolamine (DEA) and glycerol (Gly).
Quy trình sản xuất bê tông HVFC.
Sau khi định lượng nguyên liệu, bê tông HVFC sẽ được tạo ra với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lên tới 80%. Sản phẩm có các tính chất vượt trội hơn so với bê tông đối chứng thông thường, đặc biệt là tính chịu lực tốt, khả năng bảo vệ ăn mòn cốt thép và độ bền lâu, đáp ứng tốt mọi yêu cầu và tiêu chuẩn về bê tông.
Phân tích về hiệu quả kinh tế, theo nhóm chuyên gia của Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam, bê tông HVFC có giá thành tương đương với bê tông thương phẩm thông thường, nên có tính khả thi cao. Không những thế, có thể sử dụng ngay các dây chuyền, thiết bị sản xuất bê tông chất lượng cao để sản xuất bê tông HVFC, do công nghệ trộn hỗn hợp bê tông là hoàn toàn tương tự.
Có thể thấy, trong những năm tới đây, khi lượng tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam không ngừng tăng nhanh do nhu cầu năng lượng ngày càng cao, sẽ làm tăng thể tích các bãi thải, gây mất cảnh quan môi trường và tăng chi phí xử lý chất thải, chi phí bảo vệ môi trường. Chính vì vậy, việc sử dụng tro bay để thay thế xi măng trong sản xuất bê tông (cốt thép hoặc không cốt thép) phục vụ các lĩnh vực giao thông vận tải, thủy điện, thủy lợi, khai thác mỏ… sẽ giúp tái sử dụng được chất thải của nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm tác động đến môi trường, đảm bảo phát triển bền vững, nên rất cần được nhân rộng trong thực tiễn.
Phân tích về hiệu quả kinh tế, theo nhóm chuyên gia của Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam, bê tông HVFC có giá thành tương đương với bê tông thương phẩm thông thường, nên có tính khả thi cao. Không những thế, có thể sử dụng ngay các dây chuyền, thiết bị sản xuất bê tông chất lượng cao để sản xuất bê tông HVFC, do công nghệ trộn hỗn hợp bê tông là hoàn toàn tương tự.
Có thể thấy, trong những năm tới đây, khi lượng tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam không ngừng tăng nhanh do nhu cầu năng lượng ngày càng cao, sẽ làm tăng thể tích các bãi thải, gây mất cảnh quan môi trường và tăng chi phí xử lý chất thải, chi phí bảo vệ môi trường. Chính vì vậy, việc sử dụng tro bay để thay thế xi măng trong sản xuất bê tông (cốt thép hoặc không cốt thép) phục vụ các lĩnh vực giao thông vận tải, thủy điện, thủy lợi, khai thác mỏ… sẽ giúp tái sử dụng được chất thải của nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm tác động đến môi trường, đảm bảo phát triển bền vững, nên rất cần được nhân rộng trong thực tiễn.
VLXD.org (TH/ MT&ĐT)
