» Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy bùn đỏ Bayer (BRM) của Tập đoàn Shandong Xinfa có thể được sử dụng làm chất thay thế một phần xi măng trong bê tông. Kết quả cho thấy việc sử dụng với hàm lượng phù hợp có thể giúp cải thiện cường độ và giảm tác động môi trường.
Bùn đỏ là chất thải rắn lớn nhất trong quá trình sản xuất alumin, đặc biệt đáng chú ý tại Trung Quốc là nơi chiếm 55% sản lượng alumin toàn cầu và tạo ra hàng triệu tấn bùn đỏ mỗi năm. Tuy nhiên, chỉ khoảng 9,8% lượng chất thải này được tái sử dụng như một phụ gia tiềm năng thay thế một phần xi măng trong bê tông, phần còn lại tồn trữ trong các bãi chứa có nguy cơ gây ảnh hưởng môi trường. Việc tìm kiếm lời giải công nghệ để tái sử dụng bùn đỏ Bayer đang trở thành yêu cầu cấp thiết của ngành vật liệu xây dựng và sản xuất xi măng.
Bùn đỏ Bayer dạng mẫu thí nghiệm dùng để đánh giá khả năng thay thế một phần xi măng trong vật liệu bê tông.
Đặc tính bùn đỏ và những thách thức trong tái sử dụng
Bùn đỏ là chất thải rắn sinh ra trong quy trình Bayer sản xuất alumin, trong đó bùn đỏ Bayer chiếm khoảng 70%. Đây là vật liệu có độ kiềm rất cao, hàm lượng sắt lớn, ít canxi và chứa nhiều natri, gây khó khăn trong việc ứng dụng an toàn vào các sản phẩm công nghiệp. Thành phần hóa học phức tạp khiến bùn đỏ trở thành vấn đề môi trường lâu dài, đồng thời thúc đẩy nhu cầu tìm giải pháp tái chế hiệu quả.
Một số nghiên cứu trước đây đã thử nghiệm tích hợp bùn đỏ vào các hệ chất kết dính xi măng, ví dụ sử dụng làm chất kích hoạt kiềm, nguyên liệu phối liệu sản xuất clinker hoặc phụ gia khoáng bổ sung. Tuy nhiên, khi lượng bùn đỏ vượt quá 20%, bê tông thường xuất hiện nhiều nhược điểm như tăng độ hút nước, giảm cường độ cơ học và giảm nhiệt độ phản ứng thủy hóa. Một số nghiên cứu khác cho thấy có thể sử dụng đến 15% bùn đỏ (dạng khô hoặc nung) mà vẫn giữ được cấu trúc vi mô và cường độ phù hợp cho mục đích xây dựng, nhưng điều này phụ thuộc đáng kể vào nguồn nguyên liệu và kỹ thuật xử lý.
Thử nghiệm với bùn đỏ Bayer Xinfa và kết quả nổi bật
Trong nghiên cứu mới, nhóm tác giả thử nghiệm sử dụng bùn đỏ Bayer Xinfa làm phụ gia xi măng bằng cách thay thế một phần xi măng theo các tỷ lệ 15%, 10%, 5%, 1% và 0,5% khối lượng. Mẫu đối chứng là 100% xi măng nguyên chất. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm cường độ nén 3 ngày và 28 ngày, thời gian đông kết, đặc điểm vi cấu trúc và khả năng rò rỉ kim loại nặng.
Bùn đỏ dùng trong nghiên cứu được sấy khô và nghiền mịn bằng máy nghiền tốc độ cao FII-1000C, cho kích thước hạt trung bình (D50) chỉ 1,06 µm, nhỏ hơn đáng kể so với xi măng (19,5 µm). Nhờ kích thước siêu mịn và dạng hạt hình cầu, bùn đỏ đóng vai trò chất độn vi mô, tạo điểm nhân kết tinh và giúp gia tăng mật độ cấu trúc. Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ đạt 689,7 m²/kg, cao hơn nhiều so với xi măng (393,1 m²/kg), đồng thời làm tăng nhu cầu nước trong quá trình thủy hóa.
Các thử nghiệm cường độ nén tuân thủ ASTM C109, với mẫu bê tông được đánh giá tại 3 và 28 ngày, trong khi thời gian đông kết được xác định bằng thiết bị Vicat. Phân tích XRD, TG/DTG và hiển vi điện tử SEM được sử dụng để đánh giá sản phẩm thủy hóa và cấu trúc vi mô. Khả năng rò rỉ kim loại nặng được kiểm tra theo quy trình TCLP, đây là quy trình kiểm tra theo chuẩn EPA của Hoa Kỳ nhằm đánh giá khả năng rò rỉ các kim loại nặng và xác định mức độ an toàn môi trường của vật liệu.
Kết quả cho thấy:
• Thời gian đông kết tăng khi thêm bùn đỏ nhưng vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn GB 175-2007 của Trung Quốc.
• Cường độ nén 3 ngày và 28 ngày tương đương mẫu đối chứng khi hàm lượng bùn đỏ dưới 5%.
• Mẫu có 1% bùn đỏ đạt cường độ nén 28 ngày cao nhất nhờ cấu trúc đặc chắc và hiệu ứng vi độn.
• Cường độ giảm rõ rệt khi hàm lượng vượt quá 10%.
• Cấu trúc thủy hóa sau 28 ngày tương đồng giữa các mẫu, xuất hiện các pha C-S-H, ettringite, monosulfoaluminate, Ca(OH)₂ và CaCO₃.
• Ảnh SEM cho thấy cấu trúc đặc hơn ở hàm lượng thấp và rỗ tăng lên ở hàm lượng cao.
• Kiểm tra TCLP chứng minh lượng rò rỉ kim loại nặng thấp hơn đáng kể so với ngưỡng an toàn theo TCLP và GB 5085.3-2007.
Kết luận
Các thử nghiệm bước đầu cho thấy bùn đỏ Bayer có thể trở thành phụ gia thay thế một phần xi măng trong bê tông và hiệu quả khi sử dụng với hàm lượng thích hợp. Tỷ lệ tối ưu được xác định chỉ khoảng 1% khối lượng, vừa tăng cường độ cơ học vừa đảm bảo an toàn môi trường.
Tuy nhiên, để ứng dụng quy mô lớn, cần tiếp tục nghiên cứu về độ bền lâu dài, đánh giá vòng đời và tác động môi trường tổng thể. Việc hoàn thiện cơ sở dữ liệu kỹ thuật sẽ đóng vai trò quan trọng trong khả năng thương mại hóa và đưa bùn đỏ vào chuỗi sản xuất vật liệu xây dựng bền vững.
Cem.Info
