6 vật liệu thay thế xi măng trong tương lai

Để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 như cam kết tại Hội nghị COP26, Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới ngày càng chú trọng phát triển thị trường vật liệu xây dựng hướng vật liệu xanh, thân thiện môi trường.

Theo đó, các vật liệu tác động xấu đến môi trường đang được nghiên cứu và thay thế, trong đó, việc tìm ra các giải pháp thay thế xi măng luôn là bài toán khó cần được nhiều nước quan tâm.

Trong xây dựng, xi măng được sử dụng rất rộng rãi do ưu điểm thi công đơn giản, nguyên vật liệu ban đầu đã có sẵn, có tính chất cơ học tốt, tuổi thọ cao. Tuy nhiên, sản xuất xi măng là một trong những ngành có nguy cơ gây ô nhiễm cao nhất, trong đó nguồn gây ô nhiễm chủ yếu là bụi phát sinh từ quá trình nung, nghiền xi măng.

Các vật liệu thay thế xi măng đang trở thành xu hướng phổ biến trong ngành xây dựng, giúp giảm tác động đến môi trường

Giải pháp thay thế xi măng

Ngày nay, những loại vật liệu xây dựng truyền thống, trong đó có xi măng đang dần được thay thế bởi vật liệu xây dựng mới, hứa hẹn đem lại một diện mạo hoàn toàn mới cho ngành xây dựng.

Vật liệu thay thế xi măng là những vật liệu có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ xi măng poóc lăng trong xây dựng. Mục đích của việc sử dụng dạng vật liệu thay thế này là nhằm giảm chi phí, cải thiện một hay nhiều đặc tính kỹ thuật của xi măng, rút ngắn thời gian thi công, thân thiện môi trường.

1. Xỉ lò cao nghiền mịn

Xỉ lò cao là một sản phẩm phụ của quá trình tôi luyện quặng oxit sắt thành gang trong lò cao, ở dạng chất thải rắn. Sau khi được nghiền thành bột mịn, loại vật liệu này có tính kết dính cao và giàu calci silicat hydrat (CSH), giúp tăng cường độ bền và độ láng mịn của bê tông.

Đây là phụ gia khoáng hoạt tính, cường độ cao, được sử dụng thay thế một lượng lớn clinker trong sản xuất xi măng pooclăng hỗn hợp, hoặc thay thế trực tiếp một phần xi măng PC50, PCB40.

Với xỉ lò cao nghiền mịn, có thể sản xuất đại trà xi măng, bê tông bền trong môi trường nước biển, nước mặn và nước lợ, ngăn chặn sự xâm thực của clo và sunfat, đáp ứng nhu cầu tăng tuổi thọ cho các công trình trên biển, trên đảo và ven biển.

Trong quá trình sản xuất, có thể pha thêm 30-50% xỉ lò cao để thay thế cho xi măng sẽ chế tạo được bê tông tỏa nhiệt thấp và bê tông mác cao sử dụng cho các công trình bê tông khối lớn, bê tông có độ chịu uốn nén và chống thấm cao.

2. Thạch cao

Thạch cao là dạng khoáng vật trầm tích hay phong hóa có đặc tính mềm. Với đặc điểm tinh thể bột có thành phần chính là muối calci sunfat nên có khả năng chống cháy và chống ẩm rất tốt.

Sau khi đem nung vật liệu này ở nhiệt độ cao và trộn với nước, tạo thành vữa thạch cao, hỗn hợp này có đặc tính kết dính tương tự vữa xi măng nên được ứng dụng rất nhiều vào việc sản xuất bê tông.

Thạch cao có ưu điểm là độ kết dính cao, chịu lực tốt, ngăn ẩm, không bắt lửa và không sinh khói bụi, đáp ứng được độ vững chắc của các công trình. Ngoài ra, loại vật liệu thay thế xi măng này còn cách nhiệt, cách âm rất tốt, giảm tải trọng công trình và rút ngắn thời gian thi công.

3. Tro bay

Tro bay là một loại bụi than được sinh ra từ quá trình đốt cháy than, đây là một phế thải được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm nhiên liệu.

Sử dụng tro bay để sản xuất xi măng giúp giảm đáng kể lượng dùng xi măng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu của bê tông

Loại vật liệu này giúp tăng khả năng kháng sulfat, giảm tính thấm và đồng thời giảm phản ứng kiềm silica. Hiện nay, tại Việt Nam đã có một số đơn vị đã thử nghiệm sử dụng tro bay để sản xuất xi măng, giúp giảm đáng kể lượng dùng xi măng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu của bê tông nhờ độ mịn cao.

Ngoài ra, sử dụng trong bay còn làm tăng tính chịu lực, tính bền vững cao, hạ nhiệt cho bê tông, chống rạn nứt, giảm co gãy, cải thiện bề mặt bê tông và có tính chống thấm cao.

4. Pozzolan

Hiện nay, một giải pháp mới trong ngành công nghiệp xi măng là pozzolan nhân tạo để sử dụng làm phụ gia trong sản xuất xi măng như là một nguyên liệu thay thế cho clinker.

Pozzolan nhân tạo để sử dụng làm phụ gia trong sản xuất xi măng thay thế cho clinker

Pozzolans tự nhiên có thành phần chủ yếu gồm đất diatonit, đá phún suất, tuyp, tro núi lửa, đá bột, đá bagian…

Vật liệu này chứa nhiều oxit silic vô định hình có hoạt tính, tức là có tác dụng ở nhiệt độ thường với hydroxit canxi tạo thành hợp chất calcium silicat, có cường độ biến đổi từ một tỷ lệ nhỏ đến gần bằng tỷ lệ của xi măng pooclăng thông thường.

Trong sản xuất xi măng, sử dụng pozzolan giúp tăng năng suất so với việc sử dụng lượng clinker tương ứng. Tăng cường tính chất nhựa bê tông, tăng độ kết dính, giảm tính thấm và cải thiện độ bền của bê tông.

Hơn nữa, vật liệu pozzolan còn làm giảm các ứng suất nhiệt trong bê tông có thể gây nứt, cải thiện tính kháng sunfat, tăng độ đặc và cải thiện cấu trúc vùng tiếp giáp cốt liệu - đá xi măng.

5. Graphene

Graphene là một vật liệu mới, ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực xây dựng bởi những đặt tính ưu việt.

Đây là một vật liệu nano có cấu trúc của carbon, có định dạng là một lớp của các liên kết hai chiều hình lục giác mà mỗi đỉnh của lục giác là một nguyên tử carbon.

Sản xuất xi măng là một trong những ngành có nguy cơ gây ô nhiễm cao nhất hiện nay

Chất liệu này vô cùng nhẹ, nhưng độ cứng của nó lại vượt trội, hơn hẳn so với kim cương và vượt nhiều lần thép. Do đó, có thể sử dụng graphene như một chất phụ gia cho bê tông, tăng sức đề kháng và độ bền của bê tông, giảm đáng kể lượng khí thải carbon của một tòa nhà.

6. Silica fume

Silica fume là một sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất silicon, silica fume có đường kính nhỏ hơn 1 μm, tức nhỏ hơn khoảng 100-150 lần so với kích thước của hạt xi măng. Do đó, vật liệu silica fume có thể dễ dàng lấp được đầy các lỗ rỗng do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng.

Sử dụng vật liệu silica fume trong phối trộn bê tông thay thế 1 phần xi măng giúp cải thiện cường độ nén, cường độ liên kết và khả năng chống mài mòn của bê tông. Làm giảm khả năng thấm nước, tăng khả năng chống cháy so với bê tông thông thường.

Hiện nay, silica fume có thể được sử dụng trong sản xuất bê tông ở dạng cô đặc hoặc dạng bùn.

Với nhiều tính năng ưu việt, các vật liệu thay thế xi măng đang trở thành xu hướng trong xây dựng hiện nay, góp phần giảm tải trọng công trình và tiết kiệm chi phí xây dựng.