Cát sa mạc có thể được chuyển hóa thành gạch có độ bền cao nhờ chất kết dính hoạt hóa kiềm

Công nghệ chất kết dính hoạt hóa kiềm và khả năng thay thế một phần xi măng portland

Nghiên cứu được công bố trên Journal of Materials in Civil Engineering với tiêu đề Production of Eco Friendly Desert Sand Bricks Using Alkali Activated Binders. Nhóm tác giả đã sử dụng cát sa mạc tự nhiên tại khu vực Sharjah, UAE để sản xuất gạch cát sa mạc hoạt hóa kiềm.

Chất kết dính hoạt hóa kiềm là hệ vật liệu sử dụng dung dịch kiềm để kích hoạt phản ứng hóa học trong các vật liệu giàu aluminosilicat như xỉ lò cao và tro bay, tạo thành cấu trúc liên kết bền vững tương tự đá tự nhiên. Khác với xi măng portland truyền thống vốn phụ thuộc nhiều vào clinker và quá trình nung ở nhiệt độ cao, hệ chất kết dính này có thể được dưỡng hộ ở nhiệt độ môi trường.

Theo nhóm nghiên cứu, việc dưỡng hộ trong điều kiện môi trường tự nhiên giúp loại bỏ nhu cầu gia nhiệt, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất. Đây là yếu tố quan trọng nếu xét đến khả năng mở rộng quy mô công nghiệp.

Xi măng portland hiện chiếm tới khoảng 10% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu. Dù gạch xi măng đã thân thiện môi trường hơn so với gạch đất sét nung truyền thống, dấu chân carbon của chúng vẫn ở mức đáng kể. Việc phát triển các hệ chất kết dính thay thế có thể góp phần giảm phụ thuộc vào clinker và mở rộng danh mục sản phẩm phát thải thấp cho ngành xi măng.

Tận dụng cát sa mạc và phụ phẩm công nghiệp tại địa phương

Khu vực Vùng Vịnh sở hữu trữ lượng cát sa mạc rất lớn, song loại cát này từ lâu được xem là không phù hợp cho xây dựng nếu không qua xử lý phức tạp và tốn kém. Nghiên cứu tại Đại học Sharjah đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng trực tiếp nguồn cát địa phương khi kết hợp với chất kết dính hoạt hóa kiềm.

Ngoài cát sa mạc, hệ chất kết dính còn cho phép tích hợp các phụ phẩm công nghiệp như xỉ lò cao và tro bay. Cách tiếp cận này không chỉ giúp giảm chi phí nguyên liệu mà còn tận dụng hiệu quả các nguồn vật liệu thứ cấp, phù hợp với xu hướng kinh tế tuần hoàn trong ngành vật liệu xây dựng.

Theo các tác giả, mục tiêu chiến lược là phát triển vật liệu xây dựng có nguồn gốc địa phương, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững mà không làm suy giảm tính năng kỹ thuật.

Hiệu năng cơ học và độ bền sunfat vượt trội

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nhiều thử nghiệm để đánh giá chất lượng sản phẩm, bao gồm độ hút nước, chu kỳ ướt khô, hiện tượng muối hóa bề mặt và khả năng kháng sunfat. Kết quả cho thấy gạch cát sa mạc hoạt hóa kiềm đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn ASTM.

Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm uốn 3 điểm dùng để đánh giá cường độ chịu uốn của mẫu gạch trong nghiên cứu.

Đáng chú ý, trong môi trường xâm thực sunfat, các mẫu gạch mới thể hiện khả năng duy trì tính toàn vẹn kết cấu tốt hơn so với gạch xi măng portland. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình tại khu vực ven biển và môi trường có đất và nước ngầm giàu sunfat, nơi nguy cơ suy giảm độ bền vật liệu diễn ra nhanh hơn.

Bên cạnh đó, sản phẩm cũng ghi nhận cường độ cơ học cao hơn và độ hút nước thấp hơn so với gạch xi măng truyền thống. Độ hút nước thấp là chỉ báo quan trọng đối với độ bền lâu dài của vật liệu xây.

Tác động đối với ngành xi măng và chiến lược giảm phát thải

Ngành xây dựng hiện tiêu thụ khoảng 40% năng lượng toàn cầu và là một trong những nguồn phát thải CO₂ lớn nhất. Việc phát triển các hệ chất kết dính hoạt hóa kiềm từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương có thể góp phần đa dạng hóa sản phẩm xi măng và vật liệu xây không clinker.

Đối với ngành xi măng, xu hướng này mở ra hai hướng tiếp cận. Thứ nhất là tăng cường sử dụng phụ gia khoáng và phụ phẩm công nghiệp trong hệ chất kết dính phát thải thấp. Thứ hai là nghiên cứu, đầu tư vào các dòng sản phẩm mới dựa trên công nghệ hoạt hóa kiềm nhằm đáp ứng yêu cầu giảm phát thải trong dài hạn.

Tuy nhiên, để triển khai rộng rãi, cần đánh giá đầy đủ về chi phí dung dịch kiềm, tính ổn định nguồn cung phụ phẩm và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật tương thích với điều kiện từng quốc gia. 

Hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp

Sau thành công ở quy mô phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đang tập trung mở rộng thử nghiệm sang quy mô lớn hơn và triển khai mô hình thí điểm nhằm kiểm chứng tính ổn định chất lượng trong điều kiện sản xuất thực tế.

Các bước tiếp theo bao gồm phân tích chi phí thương mại, tối ưu quy trình sản xuất và xây dựng phương án logistics phục vụ triển khai công nghiệp. Nhóm nghiên cứu cũng đặt mục tiêu định lượng rõ ràng hơn lợi ích môi trường để xác định lộ trình áp dụng phù hợp cho doanh nghiệp.

Kết quả nghiên cứu cho thấy những vật liệu vốn bị xem là không có giá trị sử dụng như cát sa mạc hoàn toàn có thể được chuyển hóa thành sản phẩm xây dựng bền vững. Đây là tín hiệu tích cực cho chiến lược phát triển vật liệu xây dựng phát thải thấp, đồng thời mở ra thêm lựa chọn công nghệ cho ngành xi măng trong tiến trình chuyển đổi xanh.

Buildata