Loại bê tông không dùng xi măng, sử dụng vật liệu tái chế và phế thải

Xi măng Poóc-lăng (Portland Cement): ưu điểm và nhược điểm cần thay thế?

Chất kết dính và bê tông là những vật liệu được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực xây dựng. Xi măng Poóc-lăng (Portland Cement) được phát minh từ năm 1824 ở Vương quốc Anh bởi Joseph Aspdin đã tạo dấu mốc quan trọng cho sự phát triển mang tính cách mạng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng.

Ngày nay, khoảng trên 1.7 tỷ tấn xi măng Poóc-lăng được sản xuất hàng năm trên toàn cầu. Riêng Việt Nam, mỗi năm sản xuất gần 100 triệu tấn xi măng đáp ứng nhu cầu xây dựng. Công dụng chủ yếu của xi măng Poóc-lăng là chế tạo bê tông xi măng. Với sản lượng xi măng nêu trên, hàng năm khoảng gần 4 tỷ m3 bê tông xi măng được sản xuất. Sở dĩ xi măng và bê tông xi măng được sản xuất với khối lượng lớn như trên là do chúng có những ưu điểm, như:

  • Nguyên liệu sản xuất sẵn có, công nghệ sản xuất không quá phức tạp, giá thành phù hợp;
  • Có khả năng chịu lực tốt, nhất là cường độ chịu nén;
  • Độ bền khoảng 100 năm.

Tuy nhiên, xi măng và bê tông xi măng cũng tồn tại khá nhiều nhược điểm, như:

  • Sản xuất xi măng tiêu tốn lượng tài nguyên thiên nhiên lớn làm nguyên và nhiên liệu. Trung bình, để sản xuất 1 tấn xi măng cần 1.7 tấn nguyên liệu thô, gồm đá vôi, đất sét, quặng sắt, quặng boxit, và thải ra khoảng 1 tấn khí CO2. Vì vậy, riêng ngành sản xuất xi măng hàng năm thải ra khoảng 5% tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu;
  • Bê tông xi măng khó thi công khi nhiệt độ môi trường trên 35oC do hiệu ứng co ngót dẫn đến phát sinh vết nứt;
  • Bê tông xi măng có cường độ chịu kéo không cao, độ bền thường giới hạn khoảng 100 năm và kém bền vững với môi trường, đặc biệt môi trường xâm thực mạnh như nước biển, nước bẩn, hóa chất, làm suy giảm đáng kể tuổi thọ của bê tông.

Geopolymer – chất kết dính thay thế xi măng Poóc-lăng?

Việc tìm kiếm một chất kết dính mới thay thế và khắc phục những yếu điểm của xi măng Poóc-lăng là cần thiết. Năm 1972, Nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovid nghiên cứu ra chất kết dính Geopolymer trên cơ sở kết hợp các nguyên liệu giàu khoáng alumosilicat với các dung dịch kiềm hoạt tính. Khác với xi măng Poóc-lăng hình thành cường độ do kết quả của quá trình thủy hóa và kết tinh của những tinh thể CSH, chất kết dính Geopolymer là quá trình hình thành mạng polyme ba chiều bền vững dựa trên liên kết hóa học của các ion Si, Al, O, OH, và các ion kim loại kiềm. Nguyên liệu để chế tạo chất kết dính Geopolymer được lựa chọn từ những nguồn giàu khoáng alumosilicat, như đất sét, metakaolanh, tro, xỉ, v.v. Các nguyên liệu này được kích hoạt bằng dung dịch kiềm hoạt tính và thủy tinh lỏng để quá trình polyme hóa được diễn ra. Chất kết dính này nhanh chóng được nghiên cứu phát triển và từng bước ứng dụng bởi nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới. Dựa trên nguyên lý polyme hóa các hợp chất vô cơ, các sản phẩm sử dụng chất kết dính Geopolymer đã được nghiên cứu ứng dụng để làm vật liệu chống cháy và chịu nhiệt độ cao, như lớp gốm chịu nhiệt cho vỏ tàu vũ trụ, vật liệu bọc phủ chống phóng xạ, vật liệu chịu ăn mòn hóa chất, hoặc vật liệu chống chịu xâm thực mạnh v.v.   

Bê tông Geopolymer và tiềm năng phát triển tại Việt Nam

Chất kết dính Geopolymer khi kết hợp với cốt liệu sẽ tạo thành bê tông Geopolymer (GPC). Cùng với các trung tâm nghiên cứu trên thế giới, Nhớm nghiên cứu mạnh Geopolymer của Việt Nam đã làm chủ công nghệ về hai thế hệ đầu của GPC gồm thế hệ GPC rắn chắc khi dưỡng hộ ở điều kiện nhiệt độ đến 80oC và thế hệ GPC rắn chắc ở điều kiện thường. Thế hệ GPC thứ 3 có cường độ cao, rắn chắc nhanh ở ngay điều kiện thường cũng đang được Nhóm nghiên cứu và phát triển. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy GPC có nhiều ưu điểm nổi bật, như;

  • Nguyên liệu sản xuất chủ yếu từ chất thải, như tro nhiệt điện, muội silic, xỉ lò cao và xỉ thép, tro trấu, bùn đỏ, v.v. Liên kết giữa chất kết dính Geopolymer với bề mặt cốt liệu tốt nên cốt liệu cũng có thể được tận dụng từ những chất thải rắn như xỉ, chất thải phá dỡ, cát biển, v.v. Điều này cho phép tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm phát thải khí nhà kính. Vì vậy, chất kết dính và bê tông Geopolymer được coi là vật liệu xây dựng xanh;
  • Công nghệ chế tạo không quá phức tạp, có thể sử dụng các dây truyền công nghệ chế tạo bê tông xi măng (OPC) hiện hành. Đặc biệt, quá trình polyme hóa diễn ra càng nhanh khi nhiệt độ càng cao, đến 100oC. Điều này tạo thuận lớn cho tổ chức thi công GPC vào mùa nóng;
  • Cường độ chịu lực của GPC cao, đặc biệt cường độ chịu kéo đạt đến 0.15Rn;
  • GPC có khả năng chịu xâm thực cao, nhất là chịu ăn mòn trong môi trường bất lợi như nước biển, nước bẩn, hóa chất. Vì vậy, GPC có độ bền tốt hơn hẳn so với OPC cùng cấp. Đồng thời, quá trình polyme hóa của chất kết dính Geopolymer tăng theo thời gian nên tuổi thọ của GPC được cho là rất dài khi so sánh với OPC chỉ khoảng 100 năm;
  • GPC có khả năng chịu nhiệt độ cao do chứa rất ít các phân tử nước tự do, liên kết các ion OH trong mạch polyme bền vững nên khả năng mất nước của GPC ở nhiệt độ cao chậm hơn so với OPC.
  • Một số loại GPC còn thích hợp để sử dụng bọc phủ các loại chất thải phóng xạ;

Giá thành của GPC cạnh tranh so với OPC ngay cả chưa tính hết các lợi ích về bảo vệ môi trường do GPC tận dụng được chất thải và giảm thiểu đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.

Nhóm NCM về Geopolymer