Tác giả: Grant Quasha, Công ty Eco Material Technologies
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 7/2024, Tr.56-61
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Trong bài viết này, Grant Quasha, Công ty Eco Material Technologies, trình bày những lợi ích của các giải pháp thay thế xanh cho xi măng Portland.
Bê tông là một sản phẩm được sử dụng rộng rãi nhất trên hành tinh bên cạnh nước. Nó rất quan trọng cho xây dựng đường xá, các con đập, các cây cầu, các cảng hàng không và các cơ sở hạ tầng khác. Nhược điểm của loại vật liệu đa năng này chính là việc sản xuất xi măng – thành phần kết dính trong hầu hết các hỗn hợp bê tông – chiếm khoảng 8% tổng lượng phát thải khí hiệu ứng nhà kính do con người tạo ra trên thế giới.
Hiện đã có sự đổi mới về xi măng mà có thể làm giảm đáng kể lượng khí phát thải carbon của ngành bê tông. Công ty Eco Material Technologies đã phát triển rất nhiều sản phẩm xi măng xanh mà có thể được sản xuất với lượng khí phát thải carbon thấp hơn đáng kể so với xi măng Portland truyền thống. Các sản phẩm xanh này có chức năng như một sản phẩm thay thế cho xi măng trong sản xuất bê tông với tỷ lệ cao hơn đáng kể so với vật liệu kết dính phụ trợ truyền thống (SCMs).
Xi măng xanh được sản xuất như thế nào
Xi măng Portland truyền thống được sản xuất bằng cách khai thác đá vôi và đất sét tự nhiên và gia nhiệt nguyên liệu trong các lò lớn ở nhiệt độ xấp xỉ 2700oF. Quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng này thường được cung cấp năng lượng bằng nhiên liệu hóa thạch, giải phóng ra gần 1 tấn CO2/tấn sản phẩm sản xuất ra.
Trái lại, quá trình sản xuất xi măng xanh của Eco không phụ thuộc vào lò tiêu tốn nhiều năng lượng, loại bỏ sự kém hiệu quả và nhu cầu năng lượng quá cao. Vì xi măng xanh cần ít điện năng hơn đáng kể trên mỗi tấn sản xuất ra so với xi măng Portland, lượng khí phát thải carbon có liên quan cũng ít hơn đáng kể. Không giống như quá trình sản xuất xi măng, xi măng xanh không tạo ra và giải phóng ra CO2 qua quá trình phân hủy canxi carbonat (CaCO3).
Các sản phẩm xi măng xanh được sản xuất ra bằng cách sử dụng tro bay – cũng như puzolan tự nhiên và các khoáng chất khác – từ nhiều nguồn cung. Tuy nhiên, Eco sử dụng một hệ thống lò phản ứng để xử lý các nguyên liệu và đảm bảo sản phẩm sản xuất ra ổn định. Xử lý sơ bộ tro bay với một phụ gia hóa học cải thiện các đặc tính hoạt động và cường độ của sản phẩm, sau đó nguyên liệu được nghiền tới kích cỡ lý tưởng để đạt được độ hoạt tính tối ưu.
Các sản phẩm xi măng xanh
PozzoSlag® là một loại puzolan được cải biến độ hoạt hóa cao đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật về hiệu quả hoạt động của cả ASTM C989 lẫn ASTM C618 đối với tro bay Loại F. Bao gồm chủ yếu tro bay Loại C và Loại F, PozzoSlag được Sở Giao thông vận tải Texas và Cục quản lý đường cao tốc Liên bang chấp nhận phê chuẩn theo quy định đặc biệt là Tro bay Biến tính (Modified Fly Ash) cho phép thay thế xi măng Portland lên đến 50%.
Trái lại, hầu hết các sản phẩm SCM hiện tại thường thay thế được xấp xir 20% xi măng Portland thông thường được sử dụng trong bê tông. PozzoSlag phản ứng nhanh chóng, phù hợp với tính năng hoạt động của xi măng Portland sau 1 ngày và đạt cường độ lớn hơn 20% sau 28 ngày. Xi măng xanh này thường được sử dụng trong bê tông trộn sẵn như là một vật liệu thay thế cho xi măng Portland trong các dự án xây dựng như đường cao tốc, các cây cầu và các sản phẩm bê tông, như các đường ống.
PozzoSlag 3.0J là một sản phẩm SCM dùng cho mục đích đặc biệt được thiết kế dành riêng cho sử dụng trong các ứng dụng vật liệu có cường độ thấp được kiểm soát độ đóng rắn nhanh (‘điền đầy có thể chảy được’) và tương tự. Bao gồm tro bay Loại C, sản phẩm cần ít nhất 15 phút để đạt được các yêu cầu về cường độ 100 – 250 psi. Khi được sử dụng trong các thiết kế hỗn hợp 3 – 4 bao, PozzoSlag 3.0J đạt được cường độ bền nén 50 – 80 psi (ASTM C109) trong 1 ngày và 150 – 250 psi trong 28 ngày, phụ thuộc vào chất lượng cát. Nó có thể được thiết kế và lập công thức để đạt được cường độ mục tiêu cho các nhu cầu dự án cụ thể.
PozzoCem® và PozzoCem Vite, các loại xi măng in 3D của Eco, đạt được cường độ 3000 psi trong 7 ngày và 5000+ psi trong 28 ngày. Các sản phẩm này có thể thay thế lên tới 100% xi măng Portland mà thường sẽ được sử dụng để sản xuất bê tông, đồng thời tránh được gần 90% lượng khí phát thải carbon liên quan tới quá trình sản xuất xi măng Portland.
Những lợi ích về hiệu quả hoạt động
Bê tông được sản xuất bằng xi măng xanh cho thấy một số lợi ích về hiệu quả hoạt động so với bê tông được sản xuất bằng xi măng Portland. Các ưu điểm này bao gồm như sau:
► Độ thẩm thấu thấp hơn, nâng cao độ bền, do:
” Sự phân phối cỡ hạt tốt hơn/mật độ khối từ các yếu tố đóng gói được cải thiện.
” Thành phần hóa học và cân bằng hóa học trong chất kết dính bê tông được cải thiện.
” Độ hoạt tính kiềm – silic ôxit giảm đi do thành phần hóa học của nó và sự cô đặc do giảm bớt các kết cấu lỗ rỗng.
” Giảm bớt sự hình thành ettringite bị trì hoãn.
” Giảm bớt sự xâm nhập của clorua, giảm bớt sự ăn mòn thanh thép và các chi tiết thép khác do mật độ khối và giảm bớt kết cấu lỗ rỗng.
► Hiệu quả bền sulfat tăng lên do:
” Thành phần hóa học của puzolan và mức thay thế xi măng bằng puzolan cao.
” Giảm được độ hoạt tính kiềm – silic ô-xit/ cải thiện độ bền.
” Tăng khả năng giảm thiểu ASR nhờ độ hoạt tính puzolan cao của xi măng xanh, đồng thời giảm bớt các nguyên tố hóa học và chất kiềm góp phần gây ra ASR.
” Giảm bớt tỷ lệ nước – xi măng và mật độ, ngăn ngừa sự xâm nhập của nước và hỗ trợ giảm thiểu các phản ứng ASR.
► Giảm bớt các vết nứt do co ngót vì:
” Giảm bớt các rãnh thoát nước gây đọng nước và làm chậm lại sự co ngót (đóng rắn chậm)
” Cải thiện cường độ sớm.
” Giảm bớt hàm lượng canxi hydroxide.
” Nhu cầu nước ít hơn.
► Cải thiện khả năng thi công, khả năng bơm, và hoàn thiện vì:
” Dạng hình cầu của tro bay.
” Nhu cầu nước giảm bớt.
► Thời gian đóng rắn ngắn hơn và cải thiện cường độ về lâu dài vì:
” Cỡ hạt nhỏ hơn/ tiết diện bề mặt BET cho hoạt tính tăng lên.
” Khả năng tiếp xúc giữa các vật liệu phản ứng lớn hơn.
” Tốc độ hydrat hóa xi măng và các phản ứng puzolan diễn ra nhanh hơn, làm tăng cường độ về lâu dài.
► Ít xảy ra các vấn đề về bề mặt ở bê tông hơn, chẳng hạn như tạo ra bụi và hiện tượng phân lớp do nước thoát ra giảm đi.
Ngoài những lợi ích về hiệu suất này, bê tông được sản xuất ra từ các sản phẩm xi măng xanh của Eco Material sẽ thường có chi phí sản xuất ít hơn so với các loại bê tông được sản xuất ra từ xi măng hỗn hợp vì có thể sử dụng nó với tỷ lệ thay thế cao hơn so với các SCM phổ biến nhất. Hơn nữa, bê tông được sản xuất ra từ xi măng xanh có thể giảm bớt chi phí nhân công cho nhà thầu thi công vì bê tông sẽ dễ thi công hơn với độ sụt thấp hơn và sẽ đóng rắn nhanh hơn, cho phép giảm bớt thời gian hoàn thiện.
Các cơ sở sản xuất xi măng xanh
Eco Material hiện đang sản xuất các sản phẩm xi măng xanh tại nhà máy của mình ở Jewett, Texas, đồng thời nhà máy thứ hai hiện đang trong quá trình xây dựng ở Lakeview, Oregon. Nhà máy ở Lakeview sẽ sử dụng các nguồn cung khoáng chất tự nhiên (puzolan) để sản xuất PozzoSlag. Dự kiến sẽ hoàn thành trong năm nay, nhà máy này sẽ có công suất sản xuất 300000 tấn xi măng xanh/năm. Nhà máy sẽ sử dụng một thiết bị tiền nghiền để sản xuất PozzoSlag đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật ASTM C989 sau khi xử lý và có thể được tiếp thị là một sản phẩm thay thế riêng 50% xi măng. Nhà máy cũng có khả năng sản xuất puzolan tự nhiên đạt chất lượng ASTM C618 thay cho PozzoSlag, sản phẩm đó sẽ mang lại lợi ích kinh tế cho các dự án cụ thể.
Eco Material hiện có 9 nhà máy đang hoạt động hoặc đang trong quá trình thi công xây dựng. Các nhà máy này tổng cộng sản xuất hơn 4 triệu tấn SCM mới, có ích và các sản phẩm xi măng xanh giúp khử carbon cho thị trường bê tông Bắc Mỹ.
Các dự án xi măng xanh
Hơn 1 triệu tấn sản phẩm xi măng xanh của Eco Material đã được sử dụng trong các dự án xây dựng trên khắp nước Mỹ trong thập kỷ qua. Chúng không yêu cầu thay đổi các quy trình thực hành hiện tại của ngành và đã được Sở Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (DOT), Sở Giao thông Vận tải Texas và Sở Giao thông vận tải Pensylvenia xác nhận. Chỉ riêng ở Texas, PozzoSlag đã được sử dụng cho thi công đường cao tốc, đường xá, các móng công trình, sân bay, xi măng lỗ mìn nghiêng và các sản phẩm bê tông đúc sẵn.
Các sản phẩm xi măng xanh của công ty hiện cũng đang được sử dụng để xây dựng các nhà in 3D ở Round Top, Texas, đông nam Austin. PozzCem Vite của Eco, được sử dụng như là một phần trong thi công xây dựng The Casitas@ The Halles, thay thế 100% xi măng Portland thường được sử dụng để sản xuất bê tông, đã giảm được 90% lượng khí phát thải liên quan đến quá trình chế tạo và đóng rắn trong vòng 2-3 phút, cho phép in nhanh chóng các ngôi nhà bền vững. Bên cạnh những lợi ích về môi trường của vật liệu này, một máy in xây dựng di động, nhỏ gọn và hệ thống trộn đã được phát triển để phân phối xi măng xanh của Eco Material với tốc độ dẫn đầu ngành, cho phép các nhà xây dựng in với chi phí thấp hơn so với các loại vữa xây in 3D thương mại có sẵn khác. Trong tháng 10/2022, một ngôi nhà 3150 ft2 gần Burton, Texas đã được xây dựng sử dụng PozzoSlag với mức thay thế xi măng thấp hơn. Ngôi nhà ở Burton có một số cải tiến chưa từng được thử nghiệm trước đây trong nhà in 3D, bao gồm cả thiết kế tham số cho tường, cách nhiệt tường bằng bê tông bọt và các lớp bê tông nhuộm màu.
Triển vọng tương lai trong ngành
Báo cáo năm 2023 của Precedence Research đã định giá thị trường xi măng xanh ở mức 620 triệu USD/năm. Dự kiến sẽ tăng lên hơn 1 tỷ USD vào năm 2033, và mức tăng trưởng đó sẽ được khuyến khích một phần nhờ các chính sách ‘mua sạch’ của chính phủ. Theo các chính sách như vậy, các cơ quan chính phủ ở cấp độ bang và liên bang bắt buộc phải mua vật liệu xây dựng đã được chỉ định để giảm lượng khí phát thải carbon. Lực lượng Đặc nhiệm Mua Sạch Liên bang (The Federal Buy Clean Task Force), bao gồm 14 đại lý và chiếm 90% lượng vật liệu xây dựng được chính phủ liên bang mua, đưa các quy trình thực hành ‘mua sạch’ vào trong các quyết định mua hàng. Các chính sách như vậy sẽ mang lại sự hỗ trợ lớn về mặt kinh tế cho xi măng thấp – và – không carbon.
Tương lai của xi măng xanh
Vì Hoa Kỳ và các chính phủ khác theo đuổi một tương lai ít carbon hơn, rất nhiều nhà máy chạy bằng nhiên liệu than truyền thống đang bị đóng cửa. Vì ngày càng nhiều nhà máy phải ngừng hoạt động, tính sẵn có của tro bay mới và các sản phẩm đốt bằng than khác đang giảm đi.
Tuy nhiên, không cần phải lo lắng. Các nguồn tro của Eco Material đã có sẵn để cung cấp nguyên liệu cho các sản phẩm xi măng xanh của mình lâu dài trong tương lai, vì hiện đã có khoảng 2 tỷ tấn tro đang được lưu trữ ở khoảng 1000 cơ sở trên khắp đất nước. Eco đang tăng cường các nguồn cung này bằng các nguồn nguyên liệu đầu vào bổ sung cho các sản phẩm xanh của mình, bao gồm cả puzolan tự nhiên và khoáng chất, hiện đã có sẵn nhiều tỷ tấn.
Hiện tại đang tái chế 10 triệu tấn nguyên liệu mỗi năm từ 100+ cơ sở trên khắp 45 bang, và với sự hiện diện thực sự duy nhất trên toàn quốc trong ngành về các thiết bị đầu cuối, kho lưu trữ và các kênh phân phối, Eco Material có vị thế rất tốt, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ khử carbon cho ngành xây dựng.
