» Nghiên cứu mới từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho thấy CO₂ không chỉ được lưu giữ trong vật liệu xây dựng mà còn có khả năng làm thay đổi cơ chế đóng rắn của xi măng. Phát hiện này mở ra hướng đi mới cho các công nghệ sản xuất xi măng phát thải thấp, đồng thời giúp cải thiện cường độ vật liệu ngay trong giai đoạn đầu.
Quá trình thủy hóa xi măng đóng vai trò quyết định đến sự hình thành cấu trúc liên kết và khả năng phát triển cường độ của vật liệu trong giai đoạn đầu. Việc tìm hiểu những yếu tố có thể tác động đến cơ chế phản ứng này đang trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhằm phát triển các công nghệ xi măng thế hệ mới.
Nghiên cứu mới do các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) thực hiện, vừa công bố trên Tạp chí khoa học vật liệu Journal of the American Ceramic Society, đã lần đầu tiên ghi nhận trực tiếp chuỗi phản ứng hóa học xảy ra khi CO₂ tiếp xúc với hỗn hợp xi măng, qua đó lý giải nguyên nhân vì sao công nghệ này có thể giúp vật liệu phát triển cường độ sớm cao hơn.
Lần đầu ghi nhận trực tiếp phản ứng của CO₂ trong quá trình thủy hóa xi măng
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ quang phổ Raman thời gian thực để theo dõi liên tục các phản ứng xảy ra trong vòng 24 giờ sau khi đưa CO₂ vào hỗn hợp xi măng.
Trong quá trình thí nghiệm, CO₂ dạng lỏng được giảm áp để tạo thành các hạt đông lạnh, sau đó trộn trực tiếp vào hỗn hợp xi măng và theo dõi sự biến đổi hóa học khi vật liệu bắt đầu đóng rắn.
Trước đây, các nghiên cứu chủ yếu chỉ có thể suy đoán tác động của CO₂ đối với quá trình thủy hóa thông qua mô hình lý thuyết hoặc các dữ liệu gián tiếp do phản ứng xảy ra quá nhanh và các pha trung gian chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn.
Nhờ công nghệ quang phổ Raman, các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát được toàn bộ chuỗi phản ứng này theo thời gian thực.
Kết quả cho thấy ngay khi được đưa vào hỗn hợp xi măng, CO₂ nhanh chóng hòa tan trong dung dịch lỗ rỗng và phản ứng với canxi được giải phóng từ clinker để tạo thành các dạng canxi cacbonat chỉ trong vòng chưa đầy một giờ đầu tiên.
Quá trình này làm giảm lượng canxi tự do vốn cần thiết cho phản ứng thủy hóa thông thường, từ đó tạm thời làm chậm quá trình đóng rắn tự nhiên của xi măng.
Xuất hiện pha gel silica trung gian chưa từng được quan sát trước đây
Do lượng canxi ban đầu bị giữ lại trong phản ứng với CO₂, các silicat giải phóng từ clinker không thể tiếp tục phản ứng theo cơ chế thông thường mà bắt đầu liên kết với nhau trong dung dịch để hình thành một mạng gel silica vô định hình phân bố trong toàn bộ ma trận xi măng.
Phân tích Raman cho thấy sự chuyển biến các pha vật liệu trong mẫu xi măng bổ sung CO₂ khi quá trình đóng rắn diễn ra.
Đây là pha trung gian đặc biệt mà trước đây chưa từng được ghi nhận trực tiếp trong các nghiên cứu liên quan đến công nghệ bơm CO₂ vào vật liệu xi măng.
Sau khoảng 4 đến 5 giờ, khi toàn bộ CO₂ đã được khoáng hóa hoàn toàn, phản ứng thủy hóa bắt đầu quay trở lại trạng thái bình thường. Lúc này canxi hydroxit bắt đầu kết tủa và phản ứng với mạng gel silica đã hình thành trước đó.
Phản ứng giữa hai pha này tạo ra calcium silicate hydrate hay C-S-H, hợp chất quyết định khả năng liên kết và phát triển cường độ của xi măng.
Điểm khác biệt quan trọng là C-S-H không còn hình thành tập trung quanh các hạt clinker như trong quá trình thủy hóa thông thường mà được tạo ra đồng đều hơn trong toàn bộ ma trận xi măng.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện mạng gel silica này chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn. Sau khoảng 8 giờ đầu tiên, phần lớn gel đã biến mất khi được chuyển hóa thành C S H bổ sung trong hệ vật liệu.
Cấu trúc vi mô thay đổi giúp tăng cường độ sớm và mở ra hướng giảm phát thải mới
Sau khi pha gel silica trung gian biến mất, hỗn hợp xi măng tiếp tục quá trình thủy hóa bình thường nhưng cấu trúc vật liệu bên trong đã thay đổi đáng kể.
Do C-S-H được hình thành đồng đều hơn trong toàn bộ ma trận xi măng nên cấu trúc vi mô của vật liệu có độ đồng nhất cao hơn so với xi măng thông thường.
Kết quả thử nghiệm cho thấy mẫu xi măng được bổ sung lượng CO₂ tương đương 1% khối lượng xi măng đạt cường độ nén cao hơn trung bình 13% sau 24 giờ so với mẫu đối chứng không sử dụng CO₂.
Một phát hiện đáng chú ý khác là các tinh thể canxi cacbonat vốn từng được cho là tác nhân trực tiếp thúc đẩy sự hình thành C-S-H thực tế không tham gia tích cực vào phản ứng như giả thuyết trước đây. Thay vào đó, chúng tồn tại như các pha thụ động nằm bên trong mạng gel silica.
Theo nhóm nghiên cứu, phát hiện mới này giúp làm sáng tỏ cơ chế giúp công nghệ bơm CO₂ cải thiện tính năng vật liệu, đồng thời mở ra khả năng kiểm soát tốt hơn quá trình phản ứng trong tương lai.
Nếu được tối ưu hóa, công nghệ này về mặt lý thuyết có thể giúp bù đắp tới khoảng 40% lượng phát thải carbon phát sinh từ quá trình sản xuất xi măng, chưa bao gồm lượng phát thải liên quan đến nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong sản xuất.
Dù vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, đặc biệt liên quan đến đặc tính cơ học của pha gel silica trung gian cũng như giới hạn tối ưu của lượng CO₂ đưa vào hệ vật liệu, nghiên cứu lần này đã tạo ra bước tiến quan trọng trong việc hiểu rõ hơn cách CO₂ có thể tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành cấu trúc xi măng.
Kết quả nghiên cứu được xem là nền tảng khoa học quan trọng cho các công nghệ khoáng hóa carbon mà ngành xi măng toàn cầu đang theo đuổi nhằm phát triển thế hệ vật liệu xây dựng phát thải thấp trong những năm tới.
Cùng với xu hướng phát triển xi măng carbon thấp đang gia tăng trên toàn cầu, những nghiên cứu giúp làm rõ cơ chế tương tác giữa CO₂ và vật liệu xi măng được kỳ vọng sẽ tạo nền tảng cho thế hệ công nghệ mới, cho phép ngành xi măng không chỉ giảm phát thải trong quá trình sản xuất mà còn chủ động biến carbon thành một thành phần tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành vật liệu.
Cem.Info
