Một loại ‘Xi măng IT’ mới

Tác giả: Hamed Maraghechi, Công ty CalPortland
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 7/2024, Tr.50-55
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.

Trong bài viết này, Hamed Maraghechi, Công ty CalPortland, trình bày về việc phát triển các loại xi măng hỗn hợp ba thành phần ở California, góp phần vào những nỗ lực khử carbon của ngành xi măng.

Để giảm thiểu tác động môi trường của các vật liệu xi măng và bê tông, một trong số những giải pháp tiếp cận hiệu quả nhất chính là sản xuất, áp dụng, và sử dụng rộng rãi các công thức xi măng chứa ít clinker. Sản xuất clinker là công đoạn phát sinh nhiều carbon nhất trong quá trình sản xuất xi măng. Clinker được sản xuất ra trong các lò nhiệt độ cao ~ 1450^oC, thường được gia nhiệt bằng cách đốt các nhiên liệu hóa thạch. Đá vôi (một loại đá giàu canxi carbonat – CaCO₃) là một thành phần nguyên liệu chính, được phân hủy thành CO₂ và CaO ở bước trung gian thông qua quá trình sản xuất clinker.
Clinker thường không được hydrat hóa hoàn toàn trong bê tông thậm chí sau nhiều năm, và phần kết tủa hoạt động như là chất điền đầy, cho dù nó có thể hydrat hóa dần dần, làm tăng cường độ bền nén vượt quá 28 ngày. Như vậy, một phần clinker có thể được thay thế bằng các vật liệu kết dính phụ trợ (SCM). Bê tông gốc xi măng Portland có cường độ phát sinh carbon thấp nhất trong số các vật liệu công nghiệp trên mỗi đơn vị trọng lượng. Do hiệu quả tuyệt vời của nó, và chi phí hợp lý, nhu cầu và sử dụng các vật liệu xi măng và bê tông tăng cao do dân số thế giới ngày càng tăng là những yếu tố thúc đẩy quan trọng trên toàn cầu đối với lượng khí phát thải cao liên quan tới vật liệu xi măng và bê tông.
Các loại xi măng thấp carbon
Để đạt được các mục tiêu trung hòa carbon, CalPortland đang trong tiến trình phát triển các sản phẩm bê tông và xi măng thấp carbon. CalPortland đã giới thiệu xi măng đá vôi Portland (PLC hoặc IL), mà đã chứng tỏ thành công trong việc giảm thiểu dấu chân carbon trong bê tông. Tuy nhiên, để giảm thiểu thêm khả năng ấm lên toàn cầu của bê tông, mục tiêu hiện nay là phải đạt được mức giảm clinker cao hơn bằng cách sử dụng puzolan tự nhiên.
Sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển, ADVANCEMENT^HPT, một loại công thức xi măng thấp carbon tùy chỉnh được thiết kế với 4 thành phần chính: clinker, thạch cao, puzolan tự nhiên, và đá vôi, đã được tạo ra. Hỗn hợp này được thiết kế như là một loại xi măng hỗn hợp ‘IT’ (tiêu chí kỹ thuật ASTM C595), là tiêu chuẩn chi phối ở Mỹ. Việc sử dụng puzolan tự nhiên trong bê tông không phải là việc làm mới mẻ. Trong thực tế, trước khi tro bay trở thành thành phần phổ biến trong bê tông, rất nhiều vùng ở miền Tây nước Mỹ, chẳng hạn như California và Nevada, đã đang sử dụng puzolan tự nhiên. Việc sử dụng puzolan tự nhiên được kéo dài trong khoảng từ đầu đến giữa những năm 1900, trong các dự án công trình công cộng khác nhau bao gồm cả rất nhiều đập nước và Hệ thống dẫn nước Los Angeles.
Các loại puzolan tự nhiên chính bao gồm tro núi lửa, peclit, đá bọt, đá zeolit, đất sét, và đá sét. Hiệu quả thực tế của bê tông đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ, trong đó puzolan tự nhiên đã được sử dụng trong các công thức xi măng của họ. Một lịch sử hiệu quả tuyệt vời như thế đảm bảo sự phù hợp của xi măng IT được chế tạo cùng với puzolan tự nhiên cho các ứng dụng mở rộng. Các đơn vị lớn hơn chẳng hạn như các sở giao thông vận tải, các cơ quan tiểu bang và liên bang, đã nhanh chóng quan tâm, áp dụng và trợ cấp cho các công thức như thế này do CalPortland phát triển.

Sự có mặt của puzolan tự nhiên trong xi măng hỗn hợp (ví dụ, ADVANCEMENT^HPT) mang lại các đặc tính siêu bền trong hạ tầng cơ sở bê tông, khi so sánh với xi măng Portland. Điều này bắt nguồn từ độ xốp vi mô và nano đã được tinh chế của bê tông đông cứng do sự hình thành của nhiều pha hoặc các pha khác nhau. Việc tinh chế độ xốp làm giảm đáng kể tốc độ khuếch tán của các ion năng động như clorua từ nước biển hoặc các muối làm tan băng, hoặc các sunfat từ đất tiếp xúc với bê tông. Sự cải thiện như vậy sẽ kéo dài tuổi thọ sử dụng của bê tông. Đáng tiếc là, các thuộc tính như vậy thường bị bỏ qua khi xem xét đến các chỉ số bền vững của kết cấu và vật liệu bê tông. Puzolan tự nhiên có thể được nghiền cùng, hoặc nghiền riêng với, các thành phần xi măng khác. ASTM C618 xác định rõ các chỉ tiêu kỹ thuật của puzolan cho sử dụng trong bê tông.
Các Quy định về Danh mục Sản phẩm (PCR) dưới đây bắt nguồn từ tiêu chuẩn ISO, LCA của các sản phẩm xi măng và bê tông cung cấp các tài liệu đã được cấp chứng chỉ được biết đến như là các Công bố Sản phẩm Môi trường (EPD). Hiện nay, EPDs chỉ xem xét từ nơi sản xuất đến khi xuất xưởng, giai đoạn sản xuất (A1-A3) – nghĩa là, khai thác nguyên liệu (nơi sản xuất) trải qua quá trình sản xuất xi măng sẵn sàng cho vận chuyển (cổng xuất hàng). Nói một cách khác, chúng không bao gồm độ bền và tuổi thọ sử dụng tăng lên, cũng  như việc hấp thụ CO₂ của bê tông. Bất chấp điều này, việc giảm thiểu tác động môi trường (CO₂ tương đương) của ADVANCEMENT^HTP so với xi măng Portland được tính toán sẽ thấp hơn 25-30%. Độ bền tăng lên của các kết cấu bê tông, và do đó các tác động môi trường và tính bền vững của kết cấu bê tông là những thuộc tính quan trọng của xi măng hỗn hợp phối trộn cùng với puzolan tự nhiên.
Công thức ADVANCEMENT^HTP cũng được thiết kế để cung cấp các đặc tính cường độ và dòng chảy ở tuổi sớm và trong dài hạn so với bê tông gốc xi măng Portland (các Hình 2 & 3). Điều này liên quan tới cấu trúc vi mô của xi măng hỗn hợp, và các thành phần tùy chỉnh.
Có các hương pháp khác nhau để đánh giá các đặc tính dòng chảy của vật liệu gốc xi măng. Trong khi thử nghiệm độ sụt là thử nghiệm thông thường nhất, thì vẫn có các công cụ tiên tiến, như các lưu biến kế đang được các nhà sản xuất sử dụng để thiết kế hiệu quả hơn các công thức. Một ví dụ đã minh họa ở Hình 3 cho thấy một đường cong dòng chảy rất giống nhau đối với xi măng IT, khi so sánh với xi măng Portland.
Hiệu quả độ bền của ADVANCEMENT^HTP cao hơn đáng kể so với xi măng Portland. Các ví dụ bao gồm tính bền sunfat cao hơn, (một yêu cầu quan trọng ở California), khả năng chống lại sự vận chuyển ion clorua (Hình 4) trong bê tông cao hơn và độ bền chống ăn mòn tăng lên, cũng như độ giãn nở do phản ứng kiềm – silic ô-xít trong cốt liệu hoạt tính giảm đi. Tất cả những điều này có thể làm tăng tuổi thọ sử dụng của bê tông thêm vài thập kỷ.
Tính phù hợp của puzolan liên quan tới độ hoạt tính của nó, những cũng liên quan tới vị trí, và sự ổn định về chất lượng. Các ví dụ về thuộc tính chất lượng bao gồm mức độ và tốc độ hoạt hóa của puzolan (hoặc SCM), ảnh hưởng của nó tới trạng thái mới đổ, cũng như tính chất đông cứng và lâu dài. Phương pháp thử nghiệm mới được phát triển (ASTM C1897) ước tính phần đóng góp của puzolan trong bê tông, bằng cách đo nhiệt phản ứng tỏa nhiệt trong một hệ thống hiện đại. Puzolan của CalPortland cho thấy nhiệt và độ hoạt tính cao hơn so với các sản phẩm tro bay thông thường (Hình 5).
Puzolan tự nhiên rất giàu khoáng chất dạng tinh thể và vô định tình mà thường rất gàu alumino-silicate và tham gia vào một số phản ứng hydrat hóa cùng với clinker, đá vôi và thạch cao. Do đó, thành phần và khả năng kết hợp của các hydrat có thể bao gồm sự hình thành thêm nhiều calcium silicate hydrate C-S-H (thứ cấp) hơn, là pha liên kết chính trong bê tông. Puzolan tự nhiên phản ứng với calcium hydroxide được tạo ra trong quá trình hydrat hóa clinker, tạo ra thêm C-S-H (phản ứng puzolan). Canxi từ đá vôi có thể cung cấp các carbonat để tạo thành các pha AFm, và mức độ của nó phụ thuộc vào hàm lượng sulfate và aluminat. Hàm lượng aluminat tăng lên trong calcium (aluminate) silicate hydrate C-A-S-H là những thuộc tính hóa học khác của các thành phần đó. Do các tính chất hóa học như vậy, puzolan tự nhiên tạo ra một loại bê tông đặc chắc và rất bền.

Thách thức
Trong khi phát triển các loại xi măng hỗn hợp được coi là một giải pháp ‘dễ dàng thực  hiện’ hướng tới trung hòa carbon, thì vẫn có các thách thức kỹ thuật và phi kỹ thuật khác liên quan tới các phát triển đó.
► Đối với một nhà sản xuất xi măng, việc cung cấp sản phẩm có chất lượng và sản lượng ổn định là quan trọng. Thông thường thì, nguồn vốn đầu tư và chi phí vận hành là rất cần thiết (ví dụ, trong các hệ thống nghiền mới, xử lý và vận chuyển nguyên liệu, như các băng tải vận chuyển, thang nâng, và kho chứa, .v.v…).

► Việc đạt được giấy phép môi trường cần thiết để khai thác puzolan tự nhiên là một quá trình tẻ nhạt và kéo dài, và có thể kéo dài hàng thập kỷ, đặc biệt là ở những vùng có những quy định nghiêm ngặt, chẳng  hạn như California.
► Giống như hầu hết các sản phẩm khác do con người chế tạo ra, các công thức xi măng mới có các thuộc tính khác so với xi măng Portland hiện đang sử dụng. Đào tạo, trao đổi thông tin, hợp tác và cam kết của tất cả các cổ đông, đặc biệt là các nhà sản xuất xi măng và bê tông, và các nhà thầu thi công là quan trọng để áp dụng nhanh chóng hơn. Quy trình phối trộn bê tông, nhiệt hydrat hóa, và tối ưu hóa quá trình dưỡng hộ là các ví dụ về các tính năng có thể cần được áp dụng bằng cách tuân thủ theo các hướng dẫn khoa học và các khuyến nghị của nhà sản xuất chế tạo.
Bê tông là loại vật liệu thứ hai được sử dụng nhiều nhất sau nước cho thấy nhu cầu đối với việc thay đổi, phát triển, và áp dụng các công nghệ mới một cách có ý nghĩa.
Hiệu suất sử dụng xi măng và bê tông, không kể tới hàm lượng clinker, đang đặt ra thách thức ở những khu vực quan trọng trên thế giới (ví dụ, Đông Nam Á), những nơi mà thường chủ yếu sử dụng xi măng bao. Thông thường tỷ lệ nước/xi măng cao, hàm lượng xi măng cao, và dưỡng hộ không đúng cách có liên quan tới các quy trình sử dụng xi măng bao, tất cả đều ảnh hưởng tới độ bền và tính bền vững của sản phẩm sử dụng cuối cùng.
Những nỗ lực cố gắng khác hướng tới trung hòa carbon
Bên cạnh việc phát triển các loại xi măng thấp carbon, vai trò quản lý của CalPortland hướng tới sự bền vững được công nhận thông qua việc bảo toàn và hiệu quả năng lượng bền vững. CalPortland sử dụngnawng lượng gió tại nhà máy xi măng Mojave của mình bằng cách sử dụng 8 tua-bin gió có thể sản xuất ra 24 MW điện để hỗ trợ cho các hoạt động vận hành.
Các chương trình khử carbon khác bao gồm chuyển sang sử dụng các vật liệu gốc nhiên liệu phi hóa thạch. California đang phải gánh chịu tình trạng dư thừa rất nhiều các vật liệu sinh chất đến mức độ mà CalFire phải thực hiện đốt có kiểm soát trong rừng để giảm bớt nguy cơ cháy rộng hơn. Sự thối rữa và tạo thành khí metan là hậu quả của việc chất đống sinh chất, có tác động lớn hơn nhiều tới sự ấm lên toàn cầu, so với CO₂. Trong một dự án quy mô thử nghiệm, CalPortland sẽ khai thác hiện tượng nhiệt phân để chuyển đổi sinh chất thành nhiên liệu sinh học, giảm thêm 20% lượng CO₂ tương đương, nếu thực hiện đầy đủ ở các nhà máy của công ty ở Nam California.
Thu gom, sử dụng và tồn trữ carbon (CCUS) có thể hoàn thành việc khử carbon hoàn toàn, tuy nhiên, các công nghệ này vẫn chưa được thiết lập hiệu quả. Để thu gom CO₂ với hàm lượng phù hợp đủ cho vận chuyển, nhằm mục đích lưu trữ dưới lòng đất, các công nghệ khác nhau đang được các ngành công nghiệp và các trung tâm nghiên cứu phát triển. Nhu cầu đối với tính sẵn sàng của đường ống là bước quan trọng và là điều kiện tiên quyết để khi được các cơ quan pháp luật và của chính phủ làm rõ, có thể hỗ trợ xúc tiến nhanh giải pháp này.
Sử dụng CO₂ bao gồm các dạng thức và các định nghĩa khác nhau. Các ví dụ bao gồm khoáng hóa CO₂ trong vật liệu kết dính tái chế, như bê tông phá dỡ hoặc được trả về. Các vật liệu phế thải từ công trình xây dựng tháo dỡ như vậy là rất nhiều và cung cấp một tiềm năng duy nhất trong nền kinh tế tuần hoàn và thấp carbon. Xi măng đã được hydrat hóa và các anhydrate rất giàu trong các pha mà có thể phản ứng với dòng khí CO₂ để cung cấp các sản phẩm rắn với khả năng hoạt hóa cao.
Các sản phẩm âm tính với CO₂ và khi được sử dụng trong quá trình chuẩn bị xi măng hỗn hợp có thể có đóng góp đáng kể vào việc giảm lượng khí CO₂ tương đương trong các vật liệu xi măng và bê tông. CalPortland hiện đang triển khai các dự án thử nghiệm tại nhà máy xi măng Mojave của mình, ở đây bê tông mịn tái chế sẽ được sử dụng để khoáng hóa CO₂ từ dòng khí thải ống khói. Nghiên cứu mở rộng trong phòng  thí nghiệm đã chứng minh được rằng các sản phẩm được carbonat hóa, không chỉ âm tính với carbon, mà còn mang lại độ hoạt tính và do đó có thể sử dụng làm thành phần trong quá trình sản xuất xi măng hỗn hợp.
Cam kết của CalPortland hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn và bền vững đã được chương trình Giải thưởng ENERGY STAR^® và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) công nhận trong 20 năm liên tiếp. CalPortland mong muốn tiếp tục đóng góp vào quá trình trung hòa carbon bằng cách theo đuổi việc phát triển và thực hiện các giải pháp khoa học hiệu quả.
Tài liệu tham khảo

1. DOWNEY, CAMERON, and KOHLER, S., ‘Mineral Land Classification of the Long Valley Pozzolan Deposits, Lassen County, California.’, 2003, Special Report 177. Sacramento, CA: Department of Conservation, California Geological Survey – https://www.conservation.ca.gov/cgs/Documents/Publications/Special-Reports/SR_177-MLC-Report.pdf.
2. ‘Los Angeles Aqueduct,’ 2019 – https://www.history.com/topics/landmarks/los-angeles-aqueduct.