Khả năng hấp thụ CO₂ của xi măng trong công trình xây dựng qua nghiên cứu của MIT

Khi nói đến phát thải carbon của ngành xi măng, phần lớn sự chú ý thường tập trung vào lượng CO₂ phát sinh trong quá trình sản xuất clinker. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới từ Trung tâm bê tông bền vững thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho thấy, bản thân xi măng trong các công trình xây dựng và hạ tầng đang âm thầm hấp thụ CO₂ từ khí quyển với quy mô đáng kể, tạo nên một bức tranh toàn diện hơn về tác động môi trường của vật liệu này.

Xi măng, với vai trò là chất kết dính chính trong bê tông, có một đặc tính ít được chú ý đó là theo thời gian, nó dần hấp thụ khí carbon dioxide từ không khí và lưu trữ dưới dạng khoáng chất ổn định. Quá trình này diễn ra trong suốt vòng đời của các tòa nhà và công trình hạ tầng, giúp cố định hàng triệu tấn CO₂ mỗi năm.

Theo nghiên cứu mới của Trung tâm bê tông bền vững MIT, lần đầu tiên khả năng hấp thụ carbon của xi măng đã được định lượng ở quy mô quốc gia bằng phương pháp ước tính chi tiết dựa trên từng loại công trình và cấu kiện cụ thể. Kết quả cho thấy, lượng xi măng đang tồn tại trong các công trình xây dựng và hạ tầng tại Mỹ có thể hấp thụ hơn 6,5 triệu tấn CO₂ mỗi năm. Con số này tương đương khoảng 13% lượng phát thải CO₂ phát sinh từ quá trình sản xuất xi măng tại Mỹ. Với Mexico, lượng CO₂ được hấp thụ hàng năm ước đạt khoảng 5 triệu tấn do quy mô ngành xi măng của nước này nhỏ hơn.

Cơ chế hấp thụ carbon của xi măng đã được giới khoa học biết đến từ nhiều thập kỷ trước. CO₂ xâm nhập vào bê tông hoặc vữa xây thông qua các lỗ rỗng li ti, sau đó phản ứng với các sản phẩm giàu canxi trong xi măng để tạo thành canxi cacbonat hay đá vôi là một dạng khoáng ổn định và bền vững. Dù phản ứng hóa học này khá rõ ràng, việc xác định quy mô hấp thụ carbon trên diện rộng lại là thách thức lớn.

Mỗi công trình hấp thụ CO₂ theo cách khác nhau, phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng, hình dạng cấu kiện, điều kiện khí hậu và môi trường tiếp xúc. Một tuyến cao tốc bê tông tại Dallas (Mỹ) có đặc điểm Hấp thụ carbon không giống với các khu căn hộ xây bằng block bê tông tại Mexico. Tương tự, một tấm móng bê tông chôn dưới tuyết ở Fairbanks, Alaska, sẽ có tốc độ và mức độ hấp thụ CO₂ khác nhau.

Theo ông Hessam AzariJafari, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà khoa học thuộc Khoa Kỹ thuật dân dụng và Môi trường MIT, khả năng hấp thụ carbon của xi măng phụ thuộc rất lớn vào bối cảnh sử dụng. Bốn yếu tố chính chi phối quá trình này gồm: loại xi măng, sản phẩm sử dụng (bê tông, block bê tông hay vữa xây), hình học của cấu kiện và điều kiện khí hậu, môi trường xung quanh. Ngay trong cùng một công trình, mức độ hấp thụ CO₂ giữa các khu vực khác nhau cũng có thể chênh lệch tới 5 lần.

Để giải quyết sự phức tạp này, nhóm nghiên cứu đã xây dựng hàng trăm mô hình công trình điển hình đại diện cho các dạng nhà ở và hạ tầng phổ biến. Các mô hình này được sử dụng để mô phỏng khả năng hấp thụ CO₂ trong những điều kiện khí hậu khác nhau, đồng thời kết hợp với dữ liệu về mức độ phổ biến của từng loại công trình tại các bang của Mỹ và trên toàn Mexico. Cách tiếp cận này cho phép ước tính không chỉ tổng lượng CO₂ được hấp thụ mà còn lý giải sự khác biệt giữa các khu vực.

Kết quả phân tích cho thấy 2 yếu tố có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến mức độ hấp thụ carbon. Thứ nhất là xu hướng xây dựng trong giai đoạn 5 năm gần đây, phản ánh tốc độ gia tăng của các công trình mới và lượng xi măng được đưa vào sử dụng. Thứ hai là tỷ lệ sử dụng vữa so với bê tông do vữa xây có độ rỗng cao hơn và khả năng hấp thụ CO₂ nhanh hơn đáng kể so với bê tông đặc chắc.

Tại những khu vực có tỷ lệ sử dụng vữa cao, mức hấp thụ CO₂ so với phát thải từ sản xuất xi măng cũng cao hơn rõ rệt. Ông AzariJafari cho biết, Mexico là một trường hợp điển hình khi chỉ tiêu thụ khoảng ½ lượng xi măng so với Mỹ nhưng quốc gia này lại đạt tới khoảng ¾ tổng lượng CO₂ hấp thụ. Nguyên nhân chủ yếu đến từ việc sử dụng nhiều vữa xây, bê tông cường độ thấp và xi măng đóng bao trộn tại công trường. Nhờ đó, lượng CO₂ được hấp thụ tại Mexico tương đương khoảng 25% phát thải từ hoạt động sản xuất xi măng của nước này.

Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng, với những cấu kiện có cốt thép, việc gia tăng hấp thụ CO₂ cần được kiểm soát nhằm tránh nguy cơ ăn mòn thép. Tuy nhiên, đối với nhiều hạng mục không chịu lực chính, hoàn toàn có thể thúc đẩy quá trình này thông qua các giải pháp thiết kế phù hợp. Theo ông Randolph Kirchain, Giám đốc Trung tâm bê tông bền vững MIT và là tác giả cao cấp của nghiên cứu, việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí, lựa chọn các dạng kết cấu có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn hoặc tránh sử dụng các cấp bê tông có cường độ và độ đặc chắc vượt nhu cầu thực tế đều có thể giúp tăng khả năng hấp thụ CO₂, đồng thời giảm lượng tiêu thụ xi măng.

Theo các tác giả, cần có sự điều chỉnh trong cách phản ánh khả năng hấp thụ CO₂ của xi măng trong các hệ thống kiểm kê phát thải quốc gia và quốc tế. Việc cập nhật các kết quả nghiên cứu mới vào những hướng dẫn như của Ủy ban liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) sẽ giúp số liệu báo cáo sát với thực tế hơn, phản ánh đúng đặc thù vật liệu và vòng đời công trình của ngành xi măng.

Nghiên cứu được công bố ngày 15/12 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, với sự tham gia của các nhà khoa học tại MIT và Trung tâm Đổi mới Holcim tại Pháp.

Cem.Info