Nghiên cứu bê tông geopolymer sử dụng chất thải công nghiệp

Bê tông geopolymer lai trong nghiên cứu này là loại bê tông không sử dụng xi măng portland, trong đó chất kết dính được hình thành từ phản ứng hoạt hóa kiềm của các vật liệu giàu aluminosilicat như tro bay, đồng thời được bổ sung thêm các loại phụ gia và vật liệu tái chế như bột đá, cao su và nhựa nhằm cải thiện cấu trúc và tận dụng chất thải công nghiệp.
 

Tích hợp bụi mỏ đá và chất thải công nghiệp trong sản xuất bê tông geopolymer lai thân thiện môi trường.

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh bê tông xi măng portland truyền thống vẫn là nguồn phát thải carbon lớn, chiếm khoảng 5 - 7% tổng lượng phát thải toàn cầu do quá trình sản xuất clinker tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên khoáng sản. Trước áp lực giảm phát thải, bê tông geopolymer được xem là một giải pháp thay thế tiềm năng nhờ không sử dụng clinker, qua đó cắt giảm đáng kể lượng khí nhà kính phát sinh.

Để nâng cao tính bền vững và khả năng ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu đã tích hợp nhiều loại chất thải công nghiệp và phụ phẩm khai thác vào cấp phối bê tông geopolymer. 

Cụ thể, tro bay được thay thế một phần bằng bột granite, bột bazan và bột dolomit, vốn là các phụ phẩm phổ biến từ hoạt động khai thác và chế biến đá. Đồng thời, cốt liệu mịn là cát được thay thế một phần bằng cao su vụn và chất thải nhựa nhằm giảm sử dụng tài nguyên thiên nhiên và tái chế rác thải khó phân hủy.

Tổng cộng 14 cấp phối bê tông geopolymer lai đã được thiết kế và thí nghiệm. Tro bay được thay thế bằng các loại bột đá với tỷ lệ 15%, 30% và 45%. Khoảng 25% cát trong cấp phối được thay thế bằng cao su vụn, mạt nhựa và hạt nhựa. Các mẫu bê tông được bảo dưỡng theo 2 phương pháp chính gồm bảo dưỡng nhiệt kết hợp không khí và bảo dưỡng nhiệt kết hợp nước, nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến cường độ và cấu trúc vật liệu.

Các chỉ tiêu cơ học như cường độ chịu nén, chịu kéo và chịu uốn được xác định ở nhiệt độ thường cũng như trong điều kiện nhiệt độ cao lên tới 300°C và 600°C. Bên cạnh đó, cấu trúc vi mô của bê tông được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét và phổ tán xạ năng lượng tia X để đánh giá mức độ đặc chắc, khả năng liên kết và sự hình thành các pha trong nền geopolymer.

Kết quả cho thấy việc thay thế một phần tro bay bằng bột granite, bazan hoặc dolomit có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ bê tông. Các cấp phối sử dụng tỷ lệ thay thế 15% cho kết quả tốt nhất, với cường độ chịu nén đạt tới 76,4 MPa sau 56 ngày bảo dưỡng theo phương pháp nhiệt kết hợp không khí. 

Mức cường độ này tương đương, thậm chí cao hơn một số loại bê tông xi măng thông dụng hiện nay. Khi tỷ lệ thay thế tăng lên 30% và 45%, cường độ có xu hướng suy giảm, cho thấy vai trò quan trọng của việc tối ưu hóa cấp phối.

Việc thay thế cát bằng cao su vụn và chất thải nhựa cho kết quả kém tích cực hơn về mặt cơ học. Cường độ chịu nén của bê tông chứa cao su vụn giảm khoảng 38,7%, chủ yếu do liên kết yếu giữa hạt cao su và nền geopolymer. 

Chất thải nhựa, cả ở dạng mạt và hạt, cũng làm giảm cường độ tổng thể do đặc tính kỵ nước, làm hạn chế khả năng bám dính với chất kết dính. Dù vậy, việc sử dụng các vật liệu này vẫn mang ý nghĩa môi trường rõ rệt khi giúp giảm lượng rác thải chôn lấp và tái sử dụng các vật liệu khó phân hủy.

Phân tích vi cấu trúc cho thấy các mẫu bê tông sử dụng bột granite, bazan và dolomit hình thành cấu trúc đặc chắc và đồng đều hơn so với mẫu đối chứng. Vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và hồ geopolymer được cải thiện rõ rệt, góp phần nâng cao cường độ và độ bền của vật liệu. Phương pháp bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả, trong đó bảo dưỡng nhiệt kết hợp không khí nhìn chung cho cường độ cao hơn, dù một số cấp phối cụ thể lại cho kết quả tốt hơn khi bảo dưỡng nhiệt kết hợp nước.

Tổng thể, nghiên cứu cho thấy Bê tông geopolymer lai có khả năng đạt hoặc vượt các chỉ tiêu cơ học của bê tông xi măng truyền thống, đồng thời tận dụng hiệu quả nhiều loại chất thải công nghiệp và phụ phẩm khai thác. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong các cấu kiện chịu lực như dầm, sàn, cột và tường chịu tải, đặc biệt trong các công trình hướng tới mục tiêu giảm phát thải cZarbon.

Nghiên cứu mang ý nghĩa tham khảo quan trọng đối với lĩnh vực vật liệu xây dựng trong bối cảnh xu hướng chuyển dịch sang các giải pháp bền vững và kinh tế tuần hoàn. Dù bê tông geopolymer chưa thể thay thế hoàn toàn bê tông xi măng trong ngắn hạn, nhưng đây là hướng vật liệu cần được theo dõi và nghiên cứu sâu hơn, đặc biệt về độ bền lâu dài trong điều kiện môi trường thực tế, khả năng chịu tác động hóa học, chu kỳ ẩm khô và biến động nhiệt độ.

Trong dài hạn, việc xây dựng các khung đánh giá vòng đời và tác động carbon thống nhất sẽ giúp doanh nghiệp và cơ quan quản lý có cơ sở khoa học để lựa chọn và triển khai các giải pháp vật liệu phù hợp. 

Nghiên cứu này không chỉ mở rộng hướng tiếp cận đối với bê tông bền vững, mà còn đặt ra yêu cầu mới trong cách nhìn nhận hiệu suất vật liệu, nơi các tiêu chí môi trường ngày càng trở thành yếu tố song hành với cường độ và độ bền trong xây dựng.

Buildata