Tro dầu cọ và sợi đay giúp bê tông tăng cường độ chịu nén

Trong bối cảnh ngành xi măng chịu áp lực lớn về cắt giảm phát thải, giải pháp sử dụng vật liệu bổ sung có nguồn gốc sinh học như tro dầu cọ và sợi đay được đánh giá là hướng đi khả thi. Không chỉ tận dụng phế phụ phẩm nông nghiệp, giải pháp này còn giúp giảm nhu cầu clinker – nguồn phát thải CO₂ lớn nhất trong sản xuất xi măng – đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ và độ bền của bê tông trong xây dựng hiện đại.

Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy việc sử dụng tro dầu cọ kết hợp với sợi đay tự nhiên trong bê tông không chỉ giúp giảm gần 20% phát thải carbon mà còn làm tăng đáng kể cường độ chịu nén. Kết quả này mở ra một hướng đi khả thi cho ngành xi măng và bê tông trong nỗ lực phát triển vật liệu xây dựng bền vững.
 

Giảm phát thải carbon và nâng cao cường độ chịu nén của bê tông đang trở thành yêu cầu cấp thiết đối với ngành xi măng và bê tông. Việc thay thế một phần xi măng Portland bằng các vật liệu bổ sung có nguồn gốc tự nhiên, như tro dầu cọ và sợi đay, là giải pháp quan trọng giúp giảm phát thải trong quá trình sản xuất bê tông, đồng thời cải thiện các chỉ tiêu cơ học, đặc biệt là cường độ chịu nén, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng hiện đại.

Xi măng portland là thành phần chính trong bê tông nhưng cũng là nguồn phát thải carbon lớn, chiếm khoảng 8% tổng lượng khí thải toàn cầu. Trước áp lực cắt giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những giải pháp giúp giảm hàm lượng xi măng trong bê tông mà không làm suy giảm cường độ và độ bền của vật liệu.

Nghiên cứu được công bố trên Scientific Reports đã tiếp cận theo hướng kết hợp 2 loại vật liệu thay thế có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm công nghiệp là tro nhiên liệu dầu cọ (tro dầu cọ) và sợi đay. Tro nhiên liệu dầu cọ là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dầu cọ, có tính chất pozzolan cho phép tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, từ đó góp phần cải thiện cấu trúc bê tông và giảm nhu cầu sử dụng clinker. Trong khi đó, sợi đay là loại sợi tự nhiên có khả năng gia cường, giúp tăng khả năng chịu kéo, hạn chế nứt và nâng cao độ dai của bê tông.

Trong nghiên cứu này, các cấp phối bê tông được thiết kế với tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro dầu cọ từ 0 - 25% và hàm lượng sợi đay từ 0 - 0,5%. Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Response Surface Methodology thông qua phần mềm Design Expert để xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu, bảo đảm đồng thời hiệu quả cơ học và môi trường. Tro dầu cọ được nghiền mịn và sàng lọc nhằm tăng khả năng tương thích với xi măng, trong khi sợi đay được trộn đều bằng thiết bị khuấy tốc độ cao để tránh hiện tượng vón cục.

Các chỉ tiêu được đánh giá bao gồm cường độ chịu nén, cường độ kéo khi ép chẻ, cường độ uốn, mô đun đàn hồi, vận tốc xung siêu âm và lượng phát thải carbon quy đổi của từng cấp phối. Để phản ánh mối quan hệ giữa tính năng kỹ thuật và tác động môi trường, nhóm nghiên cứu đã đề xuất chỉ số hiệu quả sinh thái cường độ, thể hiện tỷ lệ giữa cường độ chịu nén và lượng carbon phát thải.

Kết quả thí nghiệm cho thấy cấp phối sử dụng 10% tro dầu cọ và 0,1% sợi đay đạt hiệu quả cơ học cao nhất, với cường độ chịu nén tăng 26% so với bê tông đối chứng. Cường độ kéo khi ép chẻ tăng 12,24% và cường độ uốn tăng khoảng 12%. Các chỉ tiêu mô đun đàn hồi và vận tốc xung siêu âm cũng được cải thiện, cho thấy cấu trúc bê tông đặc chắc và đồng nhất hơn. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng tro và sợi lên mức cao hơn, tính năng cơ học có xu hướng suy giảm do hiện tượng kết tụ sợi, tăng độ rỗng và giảm chất lượng liên kết trong nền bê tông.

Xét về khía cạnh môi trường, cấp phối thay thế 25% xi măng bằng tro dầu cọ đạt mức giảm phát thải carbon cao nhất, lên tới 19,82% so với bê tông thông thường. Khi kết hợp cả yếu tố cường độ và phát thải thông qua chỉ số hiệu quả sinh thái cường độ, cấp phối sử dụng 15% tro dầu cọ và 0,25% sợi đay cho thấy hiệu quả tổng thể cao nhất, với mức cải thiện 38,22% so với cấp phối đối chứng.

Để bảo đảm độ tin cậy, các mô hình dự báo được kiểm chứng bằng thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy độ chính xác cao với hệ số tương quan R² trong khoảng 0,9545 đến 0,9983, sai lệch giữa giá trị dự đoán và giá trị đo được đều nằm trong giới hạn ±5%. Thông qua tối ưu hóa đa mục tiêu, nhóm nghiên cứu xác định một cấp phối cân bằng với khoảng 12,66% tro dầu cọ và 0,244% sợi đay, đạt mức độ phù hợp 86% cho cả yêu cầu kỹ thuật và môi trường.

Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông sử dụng tro dầu cọ và sợi đay hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu về cường độ và độ bền, đồng thời góp phần giảm phát thải và tận dụng phụ phẩm công nghiệp. Loại bê tông này có tiềm năng ứng dụng trong nhà ở, mặt đường, công trình hạ tầng và các dự án xây dựng tại những khu vực có sẵn nguồn tro dầu cọ và sợi tự nhiên.

Các tác giả cũng lưu ý rằng việc đánh giá phát thải carbon trong nghiên cứu vẫn dựa trên một số giả định về năng lượng nghiền và vận chuyển vật liệu. Trong thời gian tới, các nghiên cứu đánh giá vòng đời đầy đủ, phân tích vi cấu trúc chi tiết và thử nghiệm độ bền lâu dài trong điều kiện thực tế sẽ là cơ sở quan trọng để mở rộng khả năng ứng dụng của loại bê tông này trong sản xuất và xây dựng.
 

Tro dầu cọ là phụ phẩm thu được từ quá trình đốt sinh khối trong ngành công nghiệp dầu cọ. Thành phần giàu silica hoạt tính giúp vật liệu này phát huy tính pozzolan, tham gia phản ứng với Ca(OH)₂ sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, từ đó tạo thêm các sản phẩm liên kết bền vững. Nhờ cơ chế này, cấu trúc vi mô của bê tông trở nên đặc chắc hơn, góp phần nâng cao cường độ chịu nén và độ bền lâu dài. Sợi đay là vật liệu tự nhiên, tái tạo nhanh, có độ bền kéo tương đối cao. Khi phân tán đều trong bê tông, sợi đay giúp kiểm soát vi nứt, cải thiện khả năng phân bố ứng suất và hỗ trợ bê tông chịu tải tốt hơn ở giai đoạn đầu hình thành vết nứt. Sự kết hợp giữa tro dầu cọ và sợi đay tạo ra hiệu ứng bổ trợ: tro dầu cọ cải thiện nền vật liệu, còn sợi đay tăng cường khả năng chịu lực tổng thể.