Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy việc kết hợp tro bay, xỉ hạt lò cao nghiền mịn và công nghệ đóng rắn CO₂ tăng tốc có thể cải thiện cường độ cơ học, độ bền và hiệu quả môi trường của bê tông geopolymer tự lèn. Một cấp phối trong nghiên cứu đạt cường độ nén 68,4 MPa sau 56 ngày, với lượng phát thải khí nhà kính được đánh giá ở mức 148,8 kg CO₂ tương đương/m³ bê tông.
Bê tông geopolymer từ phụ phẩm công nghiệp đang được nghiên cứu như một hướng phát triển chất kết dính thay thế xi măng portland thông thường. Đáng chú ý, việc ứng dụng công nghệ đóng rắn CO₂ có thể góp phần làm đặc chắc cấu trúc vật liệu, nâng cao khả năng chịu lực và mở ra tiềm năng giảm tác động môi trường trong sản xuất bê tông.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đóng rắn CO₂ trong sản xuất bê tông geopolymer từ tro bay và xỉ hạt lò cao, cho thấy tiềm năng cải thiện cường độ, độ bền và giảm phát thải.
Phát triển bê tông geopolymer từ tro bay và xỉ hạt lò cao
Bê tông geopolymer được hình thành thông qua quá trình hoạt hóa kiềm các nguyên liệu giàu aluminosilicate, trong đó tro bay và xỉ hạt lò cao nghiền mịn là những nguồn nguyên liệu được quan tâm. Việc sử dụng các phụ phẩm công nghiệp này góp phần tận dụng nguồn nguyên liệu thứ cấp và giảm nhu cầu sử dụng chất kết dính xi măng portland thông thường.
Trong nghiên cứu, nhóm tác giả phát triển bê tông geopolymer tự lèn từ tro bay và xỉ hạt lò cao, kết hợp 2 phương pháp đóng rắn gồm điều kiện môi trường thông thường và đóng rắn CO₂ tăng tốc. 5 thành phần chất kết dính với tỷ lệ tro bay và xỉ khác nhau được sử dụng để xây dựng 10 cấp phối thử nghiệm.
Chất kết dính được hoạt hóa bằng dung dịch natri hydroxit nồng độ 10M kết hợp với natri silicat theo tỷ lệ cố định. Các cấp phối được đánh giá về khả năng tự lèn, cường độ nén, cường độ kéo khi ép chẻ, cường độ uốn và khả năng chống chịu nước, axit, sunfat tại các thời điểm 7, 28 và 56 ngày.
Đóng rắn CO₂ tăng tốc cải thiện cường độ và độ bền bê tông
Kết quả thực nghiệm cho thấy tất cả các cấp phối đều duy trì được đặc tính tự lèn. Cường độ cơ học nhìn chung tăng theo tuổi đóng rắn, trong đó cấp phối M3 chứa 40% xỉ hạt lò cao cho kết quả tốt nhất khi kết hợp với phương pháp đóng rắn CO₂ tăng tốc, được ký hiệu là M3-C.
Sau 56 ngày, cấp phối M3-C đạt cường độ nén 68,4 MPa, cao hơn đáng kể so với cấp phối tương ứng được đóng rắn trong điều kiện môi trường thông thường. Cường độ kéo khi ép chẻ và cường độ uốn cũng có xu hướng cải thiện, cho thấy khả năng chịu kéo và chịu uốn của vật liệu được nâng cao.
Theo nhóm nghiên cứu, sự cải thiện này liên quan đến phản ứng giữa CO₂ và các pha chứa canxi trong xỉ hạt lò cao, hình thành canxi cacbonat. Sản phẩm phản ứng góp phần lấp đầy lỗ rỗng, làm đặc chắc cấu trúc nền và cải thiện tính chất cơ học của bê tông.
Kết quả đánh giá độ bền cũng cho thấy cấp phối M3-C có độ hút nước và độ hút nước mao dẫn thấp hơn, đồng thời cải thiện khả năng chống chịu trong môi trường axit và sunfat. Các phương pháp phân tích vi cấu trúc như kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác nhận sự đặc chắc của nền vật liệu và sự hình thành các pha cacbonat, phù hợp với kết quả thử nghiệm cơ học.
Đối với khả năng hấp thụ CO₂, nhóm nghiên cứu ước tính thông qua sự gia tăng khối lượng mẫu sau quá trình cacbonat hóa tăng tốc. Tuy nhiên, đây là phương pháp đánh giá gián tiếp, chưa xác định chính xác lượng CO₂ được lưu giữ lâu dài trong bê tông.
Đánh giá môi trường cho thấy tiềm năng giảm phát thải
Bên cạnh tính chất kỹ thuật, nghiên cứu sử dụng phương pháp đánh giá vòng đời (LCA) trong phạm vi từ khai thác nguyên liệu đến khi hoàn thành sản phẩm tại nhà máy để xác định tác động môi trường, bao gồm tiềm năng nóng lên toàn cầu và năng lượng hàm chứa.
Kết quả cho thấy cấp phối M3-C có lượng phát thải khí nhà kính thấp nhất trong các cấp phối được đánh giá, ở mức 148,8 kg CO₂e/m³ bê tông. Năng lượng hàm chứa đạt 2.384 MJ/m³, trong khi cường độ carbon ở mức 2,38 kg CO₂/MPa·m³. Các chỉ tiêu này cho thấy tiềm năng cải thiện hiệu quả môi trường khi kết hợp hàm lượng xỉ phù hợp với phương pháp đóng rắn CO₂ tăng tốc.
Nghiên cứu cũng sử dụng 3 thuật toán học máy gồm mạng nơ ron nhân tạo (ANN), Random Forest và XGBoost để dự đoán cường độ nén. Trong đó, XGBoost đạt hệ số xác định R² là 0,983. Phân tích cho thấy tuổi đóng rắn, hàm lượng xỉ hạt lò cao và phương pháp đóng rắn CO₂ là những yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển cường độ.
Nhìn chung, nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa tro bay, xỉ hạt lò cao và công nghệ đóng rắn CO₂ tăng tốc có thể đồng thời cải thiện cường độ, độ bền và một số chỉ tiêu môi trường của bê tông geopolymer tự lèn. Tuy nhiên, khả năng lưu giữ CO₂ lâu dài, tính ổn định của nguồn nguyên liệu và hiệu quả kinh tế vẫn cần được đánh giá thêm trước khi xem xét ứng dụng ở quy mô thực tế.
Nguồn tham khảo: Scientific Reports, Azobuild.
Cem.Info
