» Giảm tỷ lệ clinker đang trở thành một trong những hướng quan trọng để ngành xi măng cắt giảm phát thải CO₂. Tuy nhiên, bài toán không chỉ là tìm vật liệu có thể thay thế clinker mà còn phải bảo đảm nguồn cung đủ lớn, chất lượng ổn định và khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Sản xuất xi măng đóng góp hơn 8% lượng phát thải CO₂ toàn cầu, trong khi nhu cầu xi măng được dự báo tăng khoảng 25% vào năm 2050. Gần một nửa lượng phát thải đến từ quá trình hóa học khi đá vôi phân hủy thành vôi trong quá trình nung. Vì vậy, giảm phát thải không thể chỉ dựa vào nâng cao hiệu suất lò nung và thay đổi nhiên liệu, mà còn phải giảm tỷ lệ clinker trong xi măng và tìm kiếm những chất kết dính có hàm lượng carbon thấp hơn.
Giảm clinker nhưng nguồn vật liệu thay thế còn hạn chế
Clinker giữ vai trò quyết định đối với khả năng tạo cường độ của xi măng portland, nhưng quá trình sản xuất clinker đồng thời tạo ra lượng phát thải CO₂ lớn. Một phần phát thải đến từ nhiên liệu sử dụng trong quá trình nung, trong khi phần còn lại phát sinh từ phản ứng hóa học khi đá vôi phân hủy thành CaO và CO₂. Phần phát thải này không thể được loại bỏ chỉ bằng các biện pháp tiết kiệm năng lượng.
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), tỷ lệ clinker trên xi măng toàn cầu ở mức 0,71 vào năm 2022, tương đương trung bình khoảng 710 kg clinker/tấn xi măng. Trong kịch bản phát thải ròng bằng 0, tỷ lệ này được kỳ vọng giảm xuống khoảng 0,57 vào năm 2050.
Để đạt được mức giảm này, ngành xi măng cần thay thế một phần clinker bằng những vật liệu khác có khả năng tạo hoặc hỗ trợ tạo chất kết dính. Tuy nhiên, đây không phải bài toán đơn giản về công thức phối trộn. Vật liệu thay thế phải có nguồn cung đủ lớn, chất lượng ổn định và có thể được đưa vào sản xuất với quy mô tương xứng với nhu cầu xi măng toàn cầu.
Xỉ hạt lò cao nghiền mịn và tro bay là những vật liệu đã được sử dụng rộng rãi cho mục đích này. Cả 2 đều có đặc tính về cường độ và độ bền đã được nghiên cứu trong thời gian dài, giúp chúng trở thành lựa chọn quen thuộc để giảm lượng clinker trong xi măng và bê tông.
Nhưng chính nguồn gốc của chúng cũng tạo ra giới hạn.
Nguồn cung xỉ trên toàn cầu chỉ tương đương khoảng 5 - 10% sản lượng xi măng, trong khi tro bay cũng nằm trong khoảng tương tự theo nội dung nghiên cứu được sử dụng trong bài. Nguồn cung của hai vật liệu này còn có xu hướng giảm khi nhiệt điện than thu hẹp và ngành thép ngày càng sử dụng nhiều thép phế liệu.
Tại Anh, gần như toàn bộ lượng xỉ phát sinh đã được sử dụng cho bê tông. Điều này cho thấy việc tăng sử dụng xỉ không đồng nghĩa với việc tạo ra thêm nguồn cung. Trong một số trường hợp, lượng vật liệu hiện có chỉ được phân bổ lại giữa các dự án.
Sự phân bố không đồng đều giữa các khu vực cũng là một trở ngại. Xỉ tập trung chủ yếu tại những quốc gia có sản lượng thép lớn, trong khi nhu cầu xi măng phân bố trên hầu hết các thị trường. Một vật liệu có hiệu quả giảm phát thải tốt nhưng chỉ xuất hiện ở một số khu vực sẽ khó đáp ứng nhu cầu thay thế clinker trên quy mô toàn cầu.
Đây là lý do cuộc đua giảm clinker đang chuyển dần từ câu hỏi vật liệu nào có khả năng giảm phát thải sang câu hỏi vật liệu nào có thể cung cấp đủ lớn và ổn định cho sản xuất công nghiệp.
LC3 nổi lên trong cuộc đua tìm vật liệu thay thế clinker
Trong số các hướng đang được nghiên cứu và triển khai, xi măng đá vôi đất sét nung (LC3) đang có vị trí đáng chú ý. LC3 sử dụng đất sét giàu cao lanh, được nung hoạt hóa ở khoảng 700 - 850°C. Nhiệt độ này thấp hơn đáng kể so với quá trình nung clinker. Việc sử dụng đất sét nung hoạt tính cũng giúp giảm lượng clinker cần thiết trong xi măng.
Một cấp phối được nghiên cứu rộng rãi gồm khoảng 50% clinker, 30% đất sét nung hoạt tính, 15% đá vôi và 5% thạch cao. Các nghiên cứu về hệ vật liệu này cho thấy có thể đạt đặc tính cơ học tương đương xi măng portland thông thường từ khoảng bảy ngày trong những điều kiện phù hợp.
LC3 cũng nhận được sự quan tâm ngày càng lớn từ cộng đồng nghiên cứu. Một tổng quan được công bố trên tạp chí Heliyon năm 2024 cho thấy số lượng công trình nghiên cứu về LC3 tăng đáng kể theo thời gian, đồng thời mức độ hợp tác giữa các nhóm nghiên cứu ở nhiều quốc gia cũng gia tăng. Nghiên cứu này đánh giá LC3 là một hướng có tiềm năng giảm lượng clinker và giảm dấu chân carbon của ngành xi măng.
Các dự án trình diễn tại Cuba và Ấn Độ đã đưa LC3 ra ngoài phạm vi phòng thí nghiệm. Theo nguồn thông tin gốc, một công trình nhà ở tại Jhansi, Ấn Độ đã tiết kiệm khoảng 15,5 tấn carbon.
Một hướng nghiên cứu khác là kết hợp LC3 với cốt liệu tái chế. Nghiên cứu được công bố trên Scientific Reports năm 2025 cho thấy việc kết hợp 2 giải pháp này có thể mang lại những lợi ích về cơ học, chi phí và môi trường. Tuy nhiên, hiệu quả giảm tác động môi trường của cốt liệu tái chế phụ thuộc đáng kể vào chất lượng cốt liệu và khoảng cách vận chuyển.
LC3 có lợi thế ở chỗ không nhất thiết đòi hỏi ngành xi măng phải xây dựng một hệ thống sản xuất hoàn toàn mới. Công nghệ nung đất sét có thể được bổ sung vào hệ thống sản xuất hiện có, sau đó đất sét nung hoạt tính được phối trộn với clinker, đá vôi và thạch cao.
Tuy nhiên, khả năng mở rộng của LC3 vẫn phụ thuộc vào chất lượng nguồn đất sét. Có đất sét trên thị trường không đồng nghĩa tất cả đều phù hợp để sản xuất đất sét nung hoạt tính. Hàm lượng cao lanh, đặc tính khoáng vật, vị trí mỏ, khả năng khai thác, vận chuyển và chi phí xử lý đều ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của giải pháp.
Điều này cho thấy sự khác biệt giữa tài nguyên có sẵn về mặt địa chất và nguồn nguyên liệu có thể đưa trực tiếp vào sản xuất xi măng.
Bên cạnh LC3, vật liệu hoạt hóa kiềm và chất kết dính geopolymer cũng đang được nghiên cứu như những hướng giảm hoặc loại bỏ clinker.
Các vật liệu này sử dụng nguyên liệu giàu silica và alumina, kết hợp với chất hoạt hóa kiềm để tạo thành chất kết dính. Khi nguyên liệu ban đầu chứa ít canxi, sản phẩm thường được gọi là geopolymer.
Nguồn nguyên liệu có thể khá đa dạng, từ đá núi lửa, đất laterit đến đất sét giàu cao lanh. Meta cao lanh, một sản phẩm thu được từ đất sét giàu cao lanh sau khi nung hoạt hóa, là một trong những nguyên liệu được nghiên cứu nhiều nhất cho nhóm vật liệu này.
Các nghiên cứu cho thấy vật liệu hoạt hóa kiềm và geopolymer trên nền meta cao lanh có thể đạt cường độ nén cạnh tranh và có cấu trúc lỗ rỗng được cải thiện. Tuy nhiên, việc kiểm soát tính công tác của hỗn hợp, xử lý chất hoạt hóa và duy trì chất lượng ổn định giữa các nguồn nguyên liệu khác nhau vẫn là những vấn đề cần tiếp tục giải quyết.
Một số hướng công nghệ mới còn đi xa hơn khi tìm cách thay đổi chính quá trình tạo chất kết dính.
Sublime Systems phát triển công nghệ điện hóa để tạo ra canxi hoạt tính ở điều kiện nhiệt độ môi trường, qua đó giảm sự phụ thuộc vào lò nung truyền thống. Brimstone lại sử dụng đá silicat canxi thay cho đá vôi nhằm tránh phát thải từ quá trình phân hủy carbonate, đồng thời tạo ra alumina như một sản phẩm phụ.
Các công nghệ này có tiềm năng giảm phát thải lớn, nhưng khác biệt đáng kể về mức độ phát triển và khả năng mở rộng so với những giải pháp đã được sử dụng rộng rãi. Chi phí đầu tư, nguồn vốn, quy mô nhà máy và khả năng duy trì sản xuất ổn định sẽ quyết định liệu các công nghệ mới có thể tiến tới sản xuất thương mại hay không.
Vì vậy, một vật liệu có khả năng giảm phát thải cao vẫn chưa đủ để trở thành lựa chọn thay thế clinker. Điều quan trọng hơn là khả năng cung cấp nguyên liệu, kiểm soát chất lượng và mở rộng sản xuất.
Nguồn nguyên liệu và khả năng sản xuất sẽ quyết định hướng đi
Sau nguồn nguyên liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật là một trong những yếu tố quyết định vật liệu thay thế clinker có thể được sử dụng rộng rãi hay không.
Các tiêu chuẩn châu Âu đã cho phép một số loại xi măng hỗn hợp có tỷ lệ clinker thấp hơn xi măng portland truyền thống. Trong đó, một số loại xi măng thuộc nhóm CEM II có thể sử dụng tỷ lệ clinker thấp hơn đáng kể. Nguồn thông tin gốc cũng đề cập một đề xuất tiếp tục hạ tỷ lệ clinker xuống khoảng 50%, trong khi đất sét nung chưa được đưa vào danh mục thành phần được phê duyệt trong phiên bản sửa đổi được đề cập.
Những thay đổi này cho thấy việc giảm clinker không chỉ phụ thuộc vào khả năng sản xuất vật liệu. Các tiêu chuẩn cần có đủ dữ liệu về cường độ, độ bền và tính ổn định để xác định phạm vi ứng dụng phù hợp.
Năng lực sản xuất cũng là một giới hạn quan trọng.
Đất sét có thể có trữ lượng lớn, nhưng ngành xi măng vẫn cần đầu tư vào khai thác, chuẩn bị nguyên liệu và dây chuyền nung đất sét để biến nguồn tài nguyên đó thành vật liệu có thể sử dụng trong sản xuất. Việc cải tạo nhà máy hoặc xây dựng dây chuyền mới cần thời gian và vốn đầu tư.
Do đó, tốc độ giảm tỷ lệ clinker sẽ phụ thuộc đồng thời vào chất lượng vật liệu thay thế, nguồn cung, khả năng đầu tư, tiêu chuẩn kỹ thuật và mức độ chấp nhận của thị trường.
IEA cũng chỉ ra rằng giảm tỷ lệ clinker sẽ không đủ để đáp ứng toàn bộ yêu cầu của lộ trình phát thải ròng bằng 0. Các giải pháp khác như thu giữ CO₂ và phát triển clinker từ nguyên liệu không chứa carbonate vẫn cần được triển khai song song. Theo lộ trình của IEA, tỷ lệ clinker trên xi măng cần giảm từ 0,71 năm 2022 xuống 0,65 vào năm 2030, 0,61 vào năm 2035 và 0,57 vào năm 2050.
Điều này cho thấy giảm clinker không phải một giải pháp riêng lẻ mà là một phần trong hệ thống các giải pháp giảm phát thải của ngành xi măng.
LC3 hiện có lợi thế tương đối rõ nhờ khả năng giảm tỷ lệ clinker, sử dụng nguồn đất sét tiềm năng và có thể kết hợp với một phần cơ sở sản xuất hiện hữu. Tuy nhiên, tốc độ phát triển vẫn phụ thuộc vào khả năng tìm được nguồn đất sét phù hợp và đầu tư dây chuyền nung.
Vật liệu hoạt hóa kiềm và geopolymer có lợi thế về sự đa dạng của nguyên liệu, nhưng còn phải giải quyết các vấn đề về chất hoạt hóa, tính ổn định, kiểm soát chất lượng và tiêu chuẩn.
Trong khi đó, các công nghệ điện hóa và sử dụng đá silicat canxi có thể tạo ra mức giảm phát thải lớn hơn nhưng cũng đòi hỏi mức đầu tư và khả năng mở rộng cao hơn.
Cuộc đua vì vậy không đơn giản là tìm ra một vật liệu có thể thay thế clinker. Vấn đề quan trọng hơn là xác định vật liệu nào có thể đáp ứng đồng thời 4 yêu cầu: nguồn cung đủ lớn, chất lượng ổn định, sản xuất được ở quy mô công nghiệp và được thị trường chấp nhận.
Trong dài hạn, ngành xi măng nhiều khả năng sẽ không dựa vào một vật liệu duy nhất để giảm tỷ lệ clinker. Mỗi khu vực có thể hình thành những lựa chọn khác nhau dựa trên nguồn tài nguyên, điều kiện sản xuất, tiêu chuẩn kỹ thuật và nhu cầu xây dựng.
Khả năng kết hợp giữa nguồn nguyên liệu sẵn có, công nghệ sản xuất và yêu cầu chất lượng sẽ quyết định vật liệu nào có thể đi từ quy mô thử nghiệm đến sản xuất hàng triệu tấn mỗi năm. Đây cũng là yếu tố then chốt để biến mục tiêu giảm phụ thuộc clinker từ một định hướng công nghệ thành thay đổi thực tế trong sản xuất xi măng.
Cem.Info (TH/ Azobuild)
