ĐẤT SÉT NUNG: MỘT GIẢI PHÁP THAY THẾ HIỆU QUẢ CHO CÁC VẬT LIỆU KẾT DÍNH PHỤ TRỢ TRONG TRONG XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG

Tác giả: Tiến sỹ Diana Casey, Hiệp hội Khoáng Sản
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 8/2024, Tr.37-46
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.

Trong bài viết này, Tiến sỹ Diana Casey, Hiệp hội Khoáng Sản, cung cấp các thông tin chi tiết về dự án xác định việc liệu đất sét có giá trị thấp hơn có thể sử dụng được cho xi măng và bê tông không.Vương Quốc Anh (UK) có truyền thống lâu đời về sử dụng các vật liệu kết dính phụ trợ (SCMs). Việc sử dụng xỉ lò cao nghiền mịn (GGBS) bắt đầu từ đầu những năm 1900 và sau đó, tro bay đã được chấp nhận vào những năm 1980. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, tham vọng đạt được phát thải ròng bằng 0 của UK đã dẫn đến việc đóng cửa các trạm điện chạy bằng than¹ và đưa ra các công bố rằng các lò luyện thép sẽ bị thay thế bởi các lò hồ quang điện.² Kết quả là sản lượng tro bay và GGBS trong nước sụt giảm đã buộc ngành này phải xem xét lại các giải pháp thay thế tại chỗ để đáp ứng nhu cầu đối với xi măng thấp carbon hơn.
Một giải pháp thay thế như vậy là đất sét nung, một nguyên liệu mà gần đây đã thu hút được nhiều sự quan tâm hơn trên toàn cầu. Điều này đã khiến cho các sản phẩm xi măng/bê tông đất sét nung đang bắt đầu trở nên sẵn có ở Châu Âu với cơ sở sản xuất đất sét nung đầu tiên ở Châu Âu hiện đang hoạt động ở Pháp. Tuy nhiên, các sản phẩm xi măng/bê tông này chủ yếu sử dụng đất sét có hàm lượng cao lanh cao, đã được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm khác bao gồm cả gốm sứ và sơn.
Điều này đã thôi thúc Hiệp hội Khoáng Sản (MPA) thực hiện một dự án nhằm mục đích xác định việc liệu đất sét có giá trị thấp hơn, hiện đang bị loại bỏ ở các mỏ đá/các cơ sở sản xuất gạch ở UK có thể sử dụng được trong xi măng và bê tông không.
Dự án đã được Chính phủ UK tài trợ một phần vốn thông qua Quỹ Thách thức Chiến lược Công nghiệp UKRI (Chuyển đổi các Nền tảng Công nghiệp: các dự án hợp tác lớn về Nghiên cứu và Phát triển). Dự án đã được thực hiện bởi một liên danh bao gồm MPA, Heidelberg Materials UK, Tarmac Cement, Imerys Materials, Forterra, Đại học Cao Đẳng Luân Đôn và Trường Đại học Dundee.
Bài viết này trình bày báo cáo tóm tắt cấp cao về các kết quả và các đề xuất chính.
Phác thảo dự án
Dự án bao gồm các hoạt động chính sau:
► Lựa chọn 10 loại đất sét thu hồi (Đất sét thô: RC1 đến RC10) từ lớp bồi tích mỏ đá/tầng đá nổ mìn, nước rửa từ quá trình sản xuất cao lanh và đất sét có sẵn nhưng hiện chưa được sử dụng ở các mỏ đá hiện tại.
► Quá trình nung 10 loại đất sét ở quy mô phòng thí nghiệm (để sản xuất các loại Đất sét Nung: CC1 – CC10).
► Lựa chọn hai loại gạch phế thải phát sinh khác nhau (Bột Gạch Kings Dyke, KDBP và Gạch màu da cam Measham, MBB).
►Thử nghiệm độ hoạt tính của CC1 – CC10, KDBP và MBB.
► Lập công thức xi măng hai thành phần và ba thành phần có chứa tới 40% nguyên liệu nung.
► Tối ưu hóa hiệu quả các hệ xi măng hai thành phần và ba thành phần được phối trộn với đất sét nung, thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sunfat tới các đặc tính khi mới đổ và khi đã đông cứng, để đưa ra hàm lượng sunfat tối ưu dựa vào cường độ và động lực học thủy hóa.
► Nung 4 loại đất sét trên quy mô thử nghiệm sử dụng cả hai phương pháp lò quay và lò nung nhanh. Mô tả đặc tính và so sánh các loại đất sét nung tạo ra và so sánh với các loại đất sét nung trong phòng thí nghiệm, để hiểu rõ khả năng áp dụng các kết quả phòng thí nghiệm cho sản xuất quy mô lớn hơn.
► Lập công thức đất sét nung cho hơn 60 hỗn hợp bê tông và kiểm tra nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn xi măng và bê tông.
► Trình bày việc sử dụng các loại bê tông mới này qua quá trình sản xuất 26 tổ hợp tường chắn hình dạng chữ L đúc sẵn sử dụng xi măng đất sét nung với ít nhất 55% clinker xi măng Portland.

Thành phần đất sét thô
Để có được những ước tính chính xác đối với các pha khoáng trong đất sét thô, phương pháp khoáng vật học chuẩn mực đã được sử dụng. Không giống như các phương pháp (kỹ thuật duy nhất) như Q-XRD hoặc TG, phương pháp khoáng vật học chuẩn mực kết hợp các thông tin từ Nhiễu xạ tia X (XRD) và Huỳnh quang tia X (XRF) và xây dựng một bản lược tả khoáng vật học sử dụng thành phần hóa học như là các khối tiêu chuẩn hợp nhất. Phương pháp này có tính đến các khoáng chất đã biết có mặt, đưa ra sự ước tính gần đúng về mặt logic và định lượng của các tập hợp khoáng chất. Bảng 1 cho thấy hàm lượng khoáng chất ước tính của 10 loại đất sét thô trong nghiên cứu, và đất sét thô cho KDBP.
Nung trong phòng thí nghiệm
10 loại đất sét thô đã được nung ở nhiệt độ khác nhau và phản ứng puzolan trong đất sét nung tạo ra đã được kiểm tra. Sau khi được nung ở nhiệt độ tối ưu, các khoáng sét tinh thể chính, chẳng hạn như cao lanh, đã chuyển hóa sang các pha vô định hình thông qua quá trình khử hydroxyl.³ Sự chuyển hóa này được là nguồn phản ứng puzolan chính trong đất sét nung.^4,5
Tuy nhiên, sau khi nung, vẫn phát hiện ra một số khoáng chất trong đất sét, như illite và mica. Toàn bộ đất sét nung đều cho thấy tỷ lệ khử hydroxyl tốt ở nhiệt độ tối ưu. Nếu như đất sét được nung ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, phản ứng puzolan có thể bị giảm đi do quá trình tái tinh thể hóa.

Bảng 2. Đất sét nung thử nghiệm.

Bảng 3. Danh mục nguyên liệu tham khảo.
Kết quả xác định đặc tính của xi măng đất sét nung
Việc sử dụng các loại bột gạch và đất sét nung trong phòng thí nghiệm, các tính chất tươi/mới đổ (động lực học thủy hóa, cường độ bền nén và các sản phẩm thủy hóa của các hệ xi măng hai thành phần và ba thành phần được phối trộn đất sét nung có hoặc không có chất siêu dẻo) đã được nghiên cứu cùng với các loại xi măng đối chứng có chứa tro bay (FA), và các kết quả tìm ra đó là:
► Do sự có mặt của các khoáng sét khác nhau, nhiệt độ nung tối ưu của mỗi loại đất sét thô sẽ khác nhau nhưng có xu hướng nằm trong khoảng từ 800-850^oC.
► Phản ứng puzolan trong đất sét nung ở phòng thí nghiệm có thể được phân loại là: CC4 > CC3 > CC2 > CC5 > CC9 > CC10 > CC7 > CC8 ≈ CC6 > CC1.
► Đối với mỗi loại xi măng đất sét nung, cường độ bền nén có thể so sánh với cường độ bền nén của xi măng hỗn hợp FA ở các độ tuổi sớm, nhưng cao hơn sau 28 ngày.

► Trong các hệ xi măng hai thành phần và ba thành phần, nhu cầu nước cao hơn so với xi măng tro bay tham chiếu. Điều này đã cho thấy rằng việc sử dụng chất siêu dẻo với định lượng phù hợp là đủ để đạt được khả năng thi công mong muốn.

► Việc sử dụng chất siêu dẻo sẽ ảnh hưởng tới phản ứng của các aluminate do đó làm chậm lại sự phát triển cường độ bền nén ở các độ tuổi sớm, nhưng điều này cũng cho thấy ảnh hưởng chút ít tới cường độ bền nén về lâu dài.

Bảng 4. Danh mục các loại xi măng hỗn hợp.

Bảng 5. Tóm tắt tỷ lệ phối trộn bê tông.
Mô tả đặc tính của đất sét nung thử nghiệm trong lò quay và lò nung nhanh
6 loại đất sét nung thử nghiệm và phần mô tả tương ứng của chúng được trình bày ở Bảng 2.

Mô tả đặc tính của đất sét nung đã chỉ ra rằng quá trình nung trong lò quay và lò nung nhanh thử nghiệm rõ ràng là thỏa đáng, phân tích XRD không thấy có dư lượng đất sét thô và không có, hoặc có rất ít, các khoáng đất sét bị nung quá nhiệt.
Các kết quả so màu cho thấy rằng đất sét có hàm lượng sắt thấp hơn có màu sắc sáng hơn, nhưng cũng cho thấy rằng quá trình kiểm soát màu sắc, được sử dụng trong quá trình nung nhanh, có thể chuyển đổi màu đỏ của đất sét giàu sắt thành tông màu xám (Hình 1).
Các tính chất của đất sét nung thử nghiệm được xác định trong nghiên cứu hiện tại là giống như các tính chất của đất sét nung trong phòng thí nghiệm, cho thấy rằng nghiên cứu bằng sàng lọc ở quy mô phòng thí nghiệm có thể áp dụng để đánh giá tiềm năng của đất sét nung.
Chương trình thử nghiệm xi măng
Dự án đã đánh giá hiệu quả của các loại xi măng hai thành phần và ba thành phần được sản xuất cùng với 4 loại đất sét được nung ở quy mô thử nghiệm, và một loại bột gạch.
Danh mục các nguyên liệu được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được tóm tắt ở Bảng 3.
Quy ước đặt tên cho các loại xi măng hỗn hợp đất sét nung được tóm tắt ở Bảng 4.
Tổng cộng 30 loại xi măng, chia thành 3 nhóm, đã được phối trộn và thử nghiệm: CEM II/B-Q, CEM II/C-M và các loại xi măng tham chiếu. Các loại xi măng hai thành phần CEM II/B-Q bao gồm các mức hàm lượng đất sét nung là 25%, 30% và 35%. Trong nhóm xi măng ba thành phần CEM II/C-M, các mức thay thế clinker 45% và 50% đã được kiểm tra với các loại xi măng 55:30:15 và 50:40:10. Các loại xi măng tham chiếu bao gồm CEM I, CEM II/A-LL, các loại xi măng chứa 25% và 40% tro bay và các loại xi măng chứa 36% và 45% xỉ.
Kết quả cho thấy rằng:
► Quá trình nung nhanh hay nung trong lò quay đều không thấy có ảnh hưởng rõ ràng tới cường độ bền nén hoặc các tính chất vữa mới đổ.
► Cường độ sớm đã được cải thiện nhờ bổ sung thêm SO₃ nhưng lại giảm đi ở các độ tuổi muộn hơn.
► Tất cả các loại đất sét đều tạo ra các kết quả cường độ mong muốn, với hầu hết các loại xi măng có chứa tới 40% hàm lượng đất sét nung đáp ứng loại cường độ 42.5N. Đồng thời, các loại đất sét có hàm lượng cao lanh thấp hơn cho thấy có độ hoạt tính tốt. Hầu hết các loại xi măng đất sét nung hai thành phần đều đạt được kết quả tốt hơn các loại xi măng tham chiếu chứa 25% và 40% tro bay về phát triển cường độ.
► Đất sét nung đáp ứng các yêu cầu của BS 8615-1 (chỉ tiêu kỹ thuật đối với các nguyên liệu puzolan cho sử dụng với xi măng Portland – puzolan tự nhiên và puzolan được nung tự nhiên), ngoại trừ đối với nhu cầu nước trong một số trường hợp và chỉ số hoạt hóa 90 ngày khi được thử nghiệm với loại xi măng tham chiếu cường độ cao. MPA hiện đang làm việc với BSI về các thay đổi cần thiết đối với BS 8615 để cho phép chấp nhận toàn bộ các loại đất sét nung này.
► Các loại xi măng đất sét nung có và không bổ sung thêm đá vôi có nhu cầu nước cao hơn và cho thấy tính lưu động của vữa thấp hơn so với bất kỳ loại xi măng tham chiếu nào. Nhu cầu nước sẽ là cao nhất và tính lưu động sẽ là thấp nhất với đất sét có hàm lượng cao lanh cao hơn.
Độ bền của bê tông đất sét nung
Hiệu quả của đất sét nung (đất sét nung thử nghiệm và bột gạch) đã được đánh giá trong bê thông hai thành phần và ba thành phần, với các mức khác nhau (lên tới 40% xi măng), và tỷ lệ nước/xi măng từ 0,4 – 0,6. Hiệu quả của bê tông đất sét nung tạo ra đã được so sánh với việc lựa chọn các loại bê tham chiếu được sản xuất ra sử dụng CEM I, CEM II, .v.v… để đánh giá hiệu quả so sánh.
Thiết kế hỗn hợp bê tông đã được chấp nhận để sử dụng trong dự án được chỉ ra ở Bảng 5. Mẻ trộn thử đã được thực hiện để xác định các thiết kế này cho gói cốt liệu và đất sét nung. Hàm lượng nước cố định 170  kg/m³ đã được sử dụng, cho phép hàm lượng kết hợp xi măng thay đổi theo tỷ lệ nước/xi măng. Phụ gia (có chứa chất siêu dẻo) đã được sử dụng để đạt được mức độ ổn định độ sụt mục tiêu S3 (độ sụt tối thiểu 100 mm).
Các kết luận chính của quá trình nghiên cứu bê tông như sau:
► Việc sử dụng đất sét nung đã đạt được cường độ bê tông 28 ngày cao hơn so với các loại bê tông CEM I, tro bay, và GGBS.
► Các hỗn hợp bê tông đất sét nung đã cho thấy lực cố kết tăng lên và do đó nhu cầu nước, mà đòi hởi những lượng phụ gia pha trộn lớn hơn so với các loại bê tông tham chiếu tro bay, GGBS, và CEM I để đạt được độ sụt mục tiêu.
► Các hỗn hợp bê tông đất sét nung xảy ra phản ứng mạnh nhất (liên quan tới cường độ bền nén tăng lên) trong khoảng từ 3 – 14 ngày, sau khoảng thời gian đó cường độ chỉ tăng lên chút ít. Trái lại, bột gạch được biết là sẽ đạt cường độ với tốc độ chậm hơn, nhưng cường độ này sẽ tiếp tục diễn ra cho đến 180 ngày.
► Các loại đất sét nung, cụ thể là CC2R và CC3R, cho thấy sức cản đối với sự di chuyển clorua tương đương hoặc cao hơn, trong cả hai hỗn hợp bê tông hai thành phần và ba thành phần, so với các loại bê tông tham chiếu tro bay hoặc GGBS.
► Tốc độ carbonat hóa nhanh đối với các loại bê tông đất sét nung là cao hơn so với tốc độ của các loại bê tông tham chiếu tro bay và GGBS và thể hiện rõ rệt hơn đối với các loại bê tông ba thành phần.
► Thử nghiệm lâu dài (nghĩa là sunfat, carbonat hóa và clorua) sẽ tiếp tục. Thử nghiệm 6 tháng đối với sự ăn mòn sunfat đã cho thấy không có sự phá hoại đáng kể đối với bê tông hai thành phần trong MgSO₄, hoặc bất kỳ loại bê tông nào bị phơi nhiễm NaSO₄.
Nhìn chung, các kết quả cho thấy rằng tất cả các loại bê tông được sản xuất ra sử dụng đất sét nung đều đạt hiệu quả tương tự hoặc tốt hơn so với các nguyên vật liệu tham chiếu.
Chứng minh
Yếu tố cuối cùng của dự án đã đánh giá sự phù hợp của đất sét nung đối với các loại bê tông tự lèn chặt (SCCs) thông qua quá trình sản xuất tại nhà máy các chi tiết tường chắn hình dạng chữ L với mỗi loại đất sét (Hình 2).
Các loại xi măng đất sét nung đã được sử dụng để chế tạo ra một số hỗn hợp SCC dính kết và có tính lưu động với mức thay thế clinker cao 30%. Phát triển cường độ đối với tất cả các loại SCC đã được đánh giá trong giai đoạn chứng minh cho thấy tiềm năng hứa hẹn đối với các ứng dụng bê tông đúc sẵn, đặc biệt là liên quan tới cường độ cuối cùng mà đã đạt được rất cao lên tới 100 MPa.
Từ quá trình chứng minh này, cường độ của SCCs được sản xuất ra sử dụng xi măng hai thành phần đã vượt quá cường độ của các loại bê tông tham chiếu. Tuy nhiên, SCCs có chứa các loại xi măng ba thành phần lại đạt được cường độ thấp hơn. Bột đá vôi trong xi măng ba thành phần không có vẻ gì là sẽ đóng góp vào sự phát triển cường độ.
Nhìn chung, đất sét nung làm một giải pháp thay thế mạnh cho SCMs khác trong SCCs.
Kết luận
► Đất sét thu hồi từ các mỏ đá đang hoạt động và gạch được nghiền mịn cho thấy tiềm năng đáng kể như SCMs, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn của UK.
► Hiệu quả tối ưu của đất sét nung đòi hỏi việc tối ưu hóa phù hợp đối với các tính chất cụ thể chẳng hạn như nhiệt độ nung, sự phân bố cỡ hạt và tiết diện bề mặt.
► Cả lò quay lẫn lò nung nhanh đều có thể sản xuất ra đất sét nung hiệu quả mà không có dư lượng đất sét thô, không có sự khác biệt rõ ràng về độ hoạt tính đã quan sát được giữa các phương pháp sản xuất.
► Các kết quả chỉ ra một số sửa đổi nhỏ đối với BS 8615:2019 là cần thiết bao gồm: loại bỏ yêu cầu về chỉ số hoạt động 90 ngày và giảm bớt nhu cầu về nước.
► Tất cả 7 loại đất sét nung được sản xuất ra sử dụng các cơ sở thử nghiệm đã thực hiện rất tốt trong cả hai hỗn hợp bê tông tiêu chuẩn và tự lèn chặt. Điều này mang lại cho ngành sự tự tin cần thiết rằng đất sét nung đạt hiệu quả tương tự như các loại SCM tiêu chuẩn và trong một số trường hợp, đạt kết quả tốt hơn.
► Đất sét có hàm lượng cao lanh <40% cho thấy tiềm năng hứa hẹn về độ hoạt tính và phù hợp với BS 8615.
► Xi măng sử dụng đất sét nung như là một thành phần, đã đạt được cường độ xi măng cấp 42.5N, với cường độ tiếp tục tăng lên sau 28 ngày. 
► Việc bố sung thêm sunfat hoặc đá vôi vào xi măng chứa đất sét nung rõ ràng là không cần thiết, và hiệu ứng đồng vận giữa bột đá vôi và đất sét nung (các loại xi măng đa thành phần) là thấp nhất.
► Các vấn đề về khả năng thi công trong vữa và bê tông có thể xử lý được bằng các chất siêu dẻo phù hợp, trong khi sự phát triển cường độ vẫn đạt được tương đương hoặc vượt trội hơn so với các loại nguyên vật liệu tham chiếu.
► Hiệu quả độ bền tuyệt vời được nhấn mạnh ở độ bền kháng clorua, và không có vấn đề gì đã dự kiến trước xảy ra liên quan tới quá trình kết đông/tan băng, phản ứng kiềm-silicat (ASR), hoặc sự tấn công bề mặt bên ngoài.
► Mức độ carbonat hóa trong bê tông đất sét nung là cao hơn chút ít so với các loại bê tông tham chiếu. Điều này giảm đi với bê tông có cường độ cao hơn.
► Các thử nghiệm độ bền về lâu dài (nghĩa là 2 năm: carbonat hóa, sunfat và ASR) sẽ tiếp tục diễn ra.
Các phát hiện trong nghiên cứu này nhấn mạnh tiềm năng đáng kể của đất sét thu hồi và gạch nghiền mịn làm SCMs, mang lại các giải pháp bền vững cho ngành xây dựng đồng thời đóng góp vào các mục tiêu của nền kinh tế tuần hoàn của UK.
Tài liệu tham khảo:

1. ‘end to coal power brought forward to October 2024’ – https://www.gov.uk/government/news/end-to-coal-power-brought-forward-to-october-2024
2. ‘“Devastating”: Port Talbot steelworks to shut blast furnaces and shed up to 2,800 jobs’ – https://www.theguardian.com/business/2024/jan/19/port-talbot-steelworks-blast-furnaces-to-close-costing-almost-3000-jobs-tata
3. HANEIN, T., et al., ‘Clay calcination technology: state-of-the-art review by the RILEM TC 282-CCL’, Materials and Structures, Vol.55, No.1 (2022), pp. 1-29.
4. TIRONI, A., et al., ‘Assessment of pozzolanic activity of different calcined clays,’ Cement and Concrete Composites, Vol. 37 (2013), pp. 319 – 327.
5. DANNER, T., G. NORDEN, and JUSTNES, H., ‘Characterisation of calcined raw clays suitable as supplementary cementitious materials,’ Applied Clay Science, Vol. 162 (2018), pp. 391 – 402.