Thay thế xi măng bằng tro bay

TS Lê Văn Quang, Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam (Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng) cho biết, bê tông là một trong những vật liệu xây dựng bền vững nhất về mặt sản xuất và bảo trì so với các vật liệu xây dựng khác.

Tuy nhiên, thành phần chính trong bê tông là xi măng (chiếm 5 - 20% khối lượng bê tông), lại chiếm hơn 74 - 81% lượng phát khí thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG).

Vì thế, để giảm mức tiêu thụ xi măng, có thể thay bằng tro bay trong việc sản xuất bê tông. Bê tông hàm lượng tro bay (High Volume Fly Ash Concrete - HVFC) là xu hướng xây dựng xanh của tương lai.

Tại Việt Nam hiện nay hơn 25 triệu tấn tro, xỉ được thải ra mỗi năm chủ yếu từ các nhà máy điện trên cả nước. Dự báo nếu lượng tro xỉ không được tái chế sử dụng, đến năm 2030 ước tính tồn trữ lên đến 422 triệu tấn.

Hầu hết lượng tro, xỉ này được vận chuyển ra ngoài bãi thải, nếu không được sử dụng về lâu dài sẽ tác động xấu đến môi trường, chiếm diện tích đất để tồn chứa ngày càng lớn, đồng thời lãng phí nguồn tài nguyên.

Nhóm nghiên cứu hướng đến mục tiêu sử dụng hàm lượng tro bay thay thế đến 80% xi măng Portland để chế tạo bê tông sử dụng cho mục đích kết cấu trong công trình xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế ô nhiễm môi trường; và quan trọng hơn hết là làm chủ công nghệ chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao sử dụng cho kết cấu trong công trình xây dựng.

TS Lê Văn Quang, chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết, HVFC khác hoàn toàn với bê tông hệ geopolymer, có thể thay thế tro bay 100%. HVFC không yêu cầu bảo dưỡng nhiệt, không đòi hỏi sử dụng kiềm cao. Tuy nhiên, HVFC có nhược điểm lớn đó là phát triển cường độ chậm, đặc biệt ở tuổi sớm, làm hạn chế tính ứng dụng của loại bê tông này. Điều này khiến HVFC làm giảm tiến độ thi công, khai thác công trình, khó sử dụng trong thời tiết lạnh...

Cũng theo TS Lê Văn Quang, nếu sử dụng bê tông HVFC cho mục đích kết cấu buộc phải cải thiện cường độ tuổi sớm. Một số các phương pháp được cho là có hiệu quả cao như sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính thấp, bổ sung thêm vôi Ca(OH)2, bổ sung silica fume, sử dụng hóa chất tăng tốc, hay kích hoạt tro bay trước khi nhào trộn bê tông.

“Vì vậy, ngoài mục đích sử dụng hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng Portland đến 80% để chế tạo bê tông cho mục đích kết cấu, chúng tôi còn nghiên cứu để thúc đẩy sự phát triển cường độ sớm cho loại bê tông này, ngoài những biện pháp truyền thống sử dụng xi măng OPC có hàm lượng C3A cao, hạ thấp tỷ lệ nước/bột”, đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ nhấn mạnh.

Công thức phối trộn tối ưu

Theo đó, để chế tạo bê tông HVFC, TS Lê Văn Quang và các cộng sự sử dụng nguyên vật liệu là xi măng OPC40 Nghi Sơn, tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, cốt liệu nhỏ (cát sông, cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), nước, vôi bột hydrat Ca(OH)2.

Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các phụ gia siêu dẻo, Silica fume và hỗn hợp hóa chất tăng tốc, đông kết sớm và tăng cường độ sớm cho bê tông HVFC là sodium thiocyanate (NaSCN), diethanolamine (DEA) and glycerol (Gly).

TS Lê Văn Quang cho biết thêm, vì hàm lượng xi măng Portland sử dụng trong bê tông HVFC rất ít, nên sẽ thiếu lượng vôi Ca(OH)2 (sản phẩm thủy hóa của xi măng) để tham gia vào phản ứng puzolanic với tro bay cũng như đảm bảo tính kiềm để bảo vệ cốt thép.

Vì vậy, để chế tạo bê tông HVFC đáp ứng các mục tiêu đã đề ra, nhóm đã nghiên cứu bổ sung lượng vôi Ca(OH)2 hợp lý vào trong bê tông. Đồng thời, sử dụng phụ gia tăng tốc đóng rắn nhanh silica fume, phụ gia tăng tốc 3 thành phần.

Kết quả cho thấy bê tông HVFC hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế nhờ vào việc đã cải thiện được cường độ ở tuổi sớm và vẫn tiếp tục phát triển cường độ mạnh mẽ ở những tuổi muộn, vượt rất nhiều so với yêu cầu mục tiêu 40 MPa đề ra ở 28 ngày.

Bê tông sử dụng tro bay thay thế xi măng trong sản xuất có các ưu điểm như: Các cấp phối tối ưu đã được lựa chọn phù hợp với yêu cầu cường độ nén # 40 MPa, độ bền cao, các tính chất khác đều vượt trội hơn so với bê tông đối chứng, đặc biệt về các tính chất độ bền lâu.

Thử nghiệm khả năng bảo vệ ăn mòn cốt thép của bê tông HVFC cho kết quả vượt trội hơn với bê tông thường, khi độ pH đạt khoảng 11,61 đến 11,82 cao, hơn mẫu đối chứng (pH 10,66) ở tuổi 180 ngày.

Hàm lượng ion hòa tan trong axít của bê tông HVFC đều có giá trị thấp khoảng từ 0,020 - 0,025% và nằm trong giới hạn cho phép về ngưỡng ăn mòn theo các tiêu chuẩn thế giới hiện hành.

Kết quả về điện thế ăn mòn đo được theo phương pháp gia tốc chu kỳ khô + nhiệt - ẩm đều cho giá trị thấp < -350 mV, nằm dưới ngưỡng xác suất 90% cốt thép có thể bị ăn mòn.

Nhóm nghiên cứu cũng đã ứng dụng bê tông HVFC tỷ lệ 80% tro bay thay thế xi măng vào sản xuất cọc vuông bê tông cốt thép. Kết quả thử nghiệm cho thấy, cọc bê tông HVFC và cọc bê tông mẫu đối chứng đều có chất lượng tốt, được thể hiện qua giá trị mô men uốn nứt và mô men uốn gãy vượt qua yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn.

Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật, nhóm chuyên gia Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam khẳng định, bê tông HVFC có giá thành tương đương với bê tông thương phẩm thông thường nên về cơ bản có thể có tính khả thi cao.