Công nghệ hình ảnh 5D có khả năng hấp thụ CO2 của vật liệu xi măng

Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Communications Materials đã cung cấp góc nhìn chưa từng có về quá trình carbonat hóa, qua đó mang lại cơ sở khoa học quan trọng cho việc tối ưu hóa bê tông tái chế và giảm dấu chân carbon của ngành.

Hình ảnh cắt lớp 5D vận hành trực tiếp cho thấy sự vận chuyển nước và hình thành vết nứt do carbonat hóa trong hồ xi măng ngậm nước.

Nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật hình ảnh năm chiều vận hành trực tiếp đầu tiên trên thế giới, cho phép ghi nhận đồng thời cấu trúc 3 chiều của vật liệu, hai mô thức hình ảnh bổ trợ cho nhau và yếu tố thời gian. Nhờ đó, các quá trình liên kết chặt chẽ chi phối hiện tượng carbonat hóa trong hồ xi măng ngậm nước được quan sát một cách toàn diện và có độ phân giải cao.

Phương pháp này mang lại hiểu biết trực tiếp về các tương tác vật lý và hóa học quyết định khả năng hấp thụ CO₂ của bê tông. Đây là yếu tố then chốt trong bối cảnh nhu cầu sử dụng bê tông trên toàn cầu không ngừng gia tăng, kéo theo chi phí môi trường ngày càng lớn. Riêng sản xuất xi măng hiện chiếm khoảng 5 - 7% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu. Song song với đó, ngành xây dựng mỗi năm tạo ra từ 4 - 6 tỷ tấn chất thải xây dựng và phá dỡ, trong đó bê tông chiếm 70 - 85%. Điều này đồng nghĩa với khoảng 2,8 - 5,1 tỷ tấn bê tông mỗi năm có tiềm năng tham gia quá trình carbonat hóa để thu giữ CO₂, biến bê tông tái chế thành một nguồn tài nguyên quan trọng trong chiến lược giảm phát thải.

Một trong những hướng đi chính hiện nay là sử dụng chất thải xây dựng làm cốt liệu cho bê tông mới, qua đó thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm nhu cầu khai thác tài nguyên nguyên sinh. Tuy nhiên, cốt liệu tái chế thường có độ rỗng và khả năng hút nước cao hơn, gây ảnh hưởng đến tính năng cơ học. Carbonat hóa tăng tốc đã được chứng minh là có thể cải thiện những đặc tính này thông qua việc tăng độ ổn định cơ học và làm kín hệ lỗ rỗng.

Để tối ưu hóa quá trình carbonat hóa trong vật liệu tái chế, việc hiểu đầy đủ các quá trình nhiệt thủy hóa cơ và hóa học liên quan là điều kiện tiên quyết. Các phương pháp truyền thống như phân tích nhiệt trọng lượng, nhiễu xạ tia X hay chỉ thị pH chỉ cung cấp thông tin hạn chế về không gian. Phổ Raman cho độ nhạy hóa học cao nhưng không xuyên sâu, trong khi chụp cắt lớp tia X có thể xác định mặt trận carbonat hóa nhưng không theo dõi được sự dịch chuyển của độ ẩm. Ngược lại, ảnh neutron đặc biệt hiệu quả trong việc quan sát nước, và khi kết hợp với hệ thống song mô thức như NeXT, lần đầu tiên cho phép đồng thời thu nhận ảnh neutron và tia X với độ chính xác cao.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng hệ thống hình ảnh 5D mới để khảo sát quá trình carbonat hóa của hồ xi măng trong điều kiện gần với môi trường công nghiệp, ở nhiệt độ 80°C và độ ẩm tương đối bằng 0, mô phỏng các điều kiện carbonat hóa tăng tốc. Hai mẫu hồ xi măng CEM I 52.5 với tỷ lệ nước trên chất kết dính là 0,50 được chuẩn bị và dưỡng hộ trong 28 ngày. Một mẫu được tiếp xúc với CO₂ trong 10 giờ, mẫu còn lại chịu điều kiện tương tự nhưng trong môi trường khí nitơ, với hành vi dài hạn được ước tính bằng mô hình.

Trước khi carbonat hóa, các mẫu được bão hòa chân không và sấy khô để xác định khối lượng tham chiếu. Quá trình làm khô có kiểm soát giúp đạt mức bão hòa 70% nhằm tạo điều kiện cho CO₂ khuếch tán. Sau giai đoạn tái cân bằng, các thí nghiệm chụp cắt lớp neutron và tia X được tiến hành bằng thiết bị NeXT, sử dụng buồng carbonat hóa chuyên dụng cho phép kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO₂ trong suốt quá trình ghi hình.

Hệ thống này thu nhận dữ liệu mỗi 25 phút với độ phân giải lần lượt là 21 µm đối với neutron và 15 µm đối với tia X. Chất lượng tín hiệu được cải thiện nhờ kỹ thuật trung bình nhiều góc chiếu và các thuật toán tái tạo tiên tiến.

Kết quả cho thấy sự tương tác phức tạp giữa nước, nhiệt, phản ứng hóa học và ứng suất cơ học trong quá trình carbonat hóa. Ảnh neutron cho phép quan sát sự giải phóng nước liên kết khi các hydrate bị phân hủy, trong khi ảnh tia X ghi nhận sự hình thành vết nứt và hiện tượng tự liền nứt một phần sau đó. Mặt trận carbonat hóa ban đầu chịu chi phối bởi khuếch tán, sau đó chậm lại do tích tụ ẩm và hiện tượng bít lỗ rỗng bởi canxi carbonat, tạo ra mặt trận phản ứng dạng hai đoạn. Điều này cho thấy các mô hình thuần khuếch tán không còn đủ chính xác.

Các vết nứt bắt đầu xuất hiện sau khoảng 200 phút, chủ yếu tại những vùng có độ ẩm thấp, và được xác định là hệ quả của co ngót do khô chứ không phải tác động trực tiếp của CO₂. Đáng chú ý, lần đầu tiên nghiên cứu phân biệt được nước liên kết và nước tự do trong quá trình carbonat hóa theo thời gian thực bằng cách kết hợp ảnh neutron với phân tích nhiệt trọng lượng, qua đó cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về động học phản ứng và sự phân bố lại độ ẩm trong vật liệu.

Những phát hiện này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc thiết kế các vật liệu xi măng tối ưu hóa khả năng thu giữ carbon, đặc biệt trong bối cảnh sử dụng bê tông tái chế. Việc nắm bắt chi tiết diễn biến carbonat hóa và tác động của nó lên cấu trúc vật liệu giúp cải thiện các mô hình dự báo, từ đó xây dựng chiến lược carbonat hóa hiệu quả hơn, đồng thời nâng cao độ bền và tuổi thọ của bê tông. Đây được xem là đóng góp có ý nghĩa cho mục tiêu giảm phát thải và thúc đẩy tính tuần hoàn tài nguyên trong ngành xi măng và xây dựng.

Buildata