Trong bối cảnh yêu cầu phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính ngày càng trở nên cấp thiết, việc tận dụng các nguồn vật liệu tái chế như tro bay, xỉ lò cao, chất thải rắn công nghiệp đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành xi măng. Bài viết này tổng hợp và phân tích những tiến bộ công nghệ nổi bật cũng như các thách thức đặt ra trong quá trình ứng dụng vật liệu tái chế trong ngành xi măng – một trong những ngành công nghiệp có mức tiêu thụ tài nguyên và phát thải lớn.
Bê tông và các vật liệu dựa trên xi măng chiếm vai trò quan trọng trong xây dựng nhưng tiêu thụ lượng lớn năng lượng và nguyên liệu. Vì vậy, việc sử dụng phế thải xây dựng và chất thải công nghiệp để giảm tác động môi trường và tiết kiệm tài nguyên được các nhà nghiên cứu quan tâm.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ và áp lực ngày càng lớn từ các cam kết giảm phát thải toàn cầu, việc ứng dụng vật liệu tái chế trong ngành xi măng không chỉ là xu hướng mà sẽ trở thành yêu cầu tất yếu, góp phần quan trọng vào mục tiêu phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
Phế thải xây dựng chiếm khoảng 70% là bê tông và gạch, có thể được nghiền và tái sử dụng làm cốt liệu trong bê tông thay cho cốt liệu tự nhiên. Lợi ích của phương pháp này bao gồm giảm chi phí, giảm lượng rác thải và hạn chế khai thác tài nguyên, nhưng chất lượng cốt liệu tái chế không đồng đều và có thể ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống thấm của bê tông.
Một nghiên cứu so sánh bê tông tái chế từ các nguồn phế thải khác nhau như phế thải hỗn hợp, bê tông thuần túy, sản phẩm đúc sẵn và bể bơi có cốt thép cho thấy ngay cả khi cốt liệu tái chế không đạt tiêu chuẩn, bê tông cuối cùng vẫn có thể đáp ứng yêu cầu về độ bền nén và chống thấm nếu điều chỉnh tỷ lệ nước và chất kết dính và sử dụng phụ gia siêu dẻo.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các phương pháp cải thiện cốt liệu tái chế trước khi sử dụng. Một trong những phương pháp đó là xử lý bằng CO₂ để cải thiện tính chất vật lý của cốt liệu đồng thời cố định khí CO₂ trong vật liệu. Quá trình này đạt hiệu quả cao nhất khi cốt liệu hoàn toàn khô. Cốt liệu tái chế từ bê tông có độ bền rất thấp hoặc rất cao cho thấy hiệu quả carbon hóa kém hơn.
Nguyên nhân đối với bê tông yếu là thiếu các pha phản ứng với CO₂, còn đối với bê tông có độ bền cao là khả năng xâm nhập của CO₂ bị hạn chế. Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến kết quả, với cốt liệu từ bê tông có độ bền cao, các hạt nhỏ có hiệu quả carbon hóa cao hơn, trong khi cốt liệu từ bê tông yếu, các hạt lớn lại cho hiệu quả carbon hóa tốt hơn. Trong điều kiện khô hoàn toàn, cốt liệu carbon hóa có kích thước 10 - 20 mm cho đặc tính vật lý tốt nhất, và bê tông làm từ loại cốt liệu này có khả năng thi công, độ bền nén và chống thấm Cl⁻ tốt hơn bê tông tái chế thông thường.
Ngoài bê tông tái chế, các nghiên cứu cũng tập trung vào bê tông hiệu năng cao và siêu hiệu năng cao. Việc thêm xỉ mangan từ 0 - 40% vào bê tông siêu hiệu năng cao cải thiện độ bền cơ học sớm, làm đặc cấu trúc và giúp ổn định các chất độc hại.
Xỉ mangan cũng giúp tinh chỉnh ma trận xi măng, trong khi sợi bazan hạn chế nứt, nâng cao khả năng chống xâm thực muối. Các nghiên cứu khác chỉ ra rằng sợi bazan và tinh thể CaSO₄ dạng sợi từ thạch cao thải giúp tăng cường độ bền nén và module đàn hồi động nhờ làm thay đổi cấu trúc lỗ rỗng, giảm tỷ lệ lỗ lớn và lỗ mao dẫn và tăng tỷ lệ lỗ chuyển tiếp.
Mặc dù tiềm năng lớn, nhưng độ bền lâu dài của bê tông tái chế vẫn là vấn đề cần nghiên cứu thêm, bao gồm khả năng xâm nhập Cl⁻, SO₄²⁻ và mức ngưỡng Cl⁻ trong kết cấu cốt thép. Các tác giả cũng nhấn mạnh sự cần thiết của hệ thống đánh giá vòng đời đầy đủ cho vật liệu xi măng chứa chất thải công nghiệp, không chỉ về hiệu suất cơ học mà còn về sử dụng tài nguyên, năng lượng, tác động môi trường và chi phí. Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào các vật liệu tái chế và bền vững có chi phí thấp, hiệu suất cao, thích ứng tốt với môi trường, đồng thời phát triển các vật liệu xanh, thông minh, tự phát hiện và tự phục hồi.
Điều này mở ra cơ hội cho ngành xi măng áp dụng các giải pháp bền vững và đổi mới công nghệ. Việc tận dụng phế thải xây dựng và chất thải công nghiệp không chỉ góp phần giảm áp lực khai thác tài nguyên mà còn thúc đẩy phát triển các loại bê tông hiệu năng cao, thân thiện với môi trường. Khi các phương pháp này được áp dụng rộng rãi, ngành xi măng có thể tiến gần hơn đến mục tiêu xây dựng xanh, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng công trình trong dài hạn.
Buildata
