» Một nghiên cứu mới cho thấy bụi thạch anh từ hoạt động khai thác đá có thể thay thế một phần cát tự nhiên trong vữa xi măng sử dụng cốt liệu mịn, giúp tăng cường độ nén tới 71%, giảm độ rỗng và góp phần hạn chế khai thác tài nguyên cát.
Giải pháp sử dụng bụi thạch anh thay thế cát tự nhiên trong sản xuất vữa xi măng cát đang mở ra hướng đi mới cho ngành vật liệu xây dựng theo hướng bền vững, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Scientific Reports đã đánh giá khả năng sử dụng bụi thạch anh từ quá trình nghiền đá thạch anh làm vật liệu thay thế một phần cát tự nhiên trong vữa xi măng cát. Kết quả cho thấy vật liệu tưởng chừng là chất thải này không chỉ giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vữa mà còn mang lại lợi ích môi trường rõ rệt.
Ngành xây dựng hiện tiêu thụ khoảng 50 tỷ tấn cát mỗi năm. Việc khai thác cát quá mức đã gây xói mòn lòng sông, suy giảm hệ sinh thái thủy sinh và làm gia tăng áp lực lên tài nguyên thiên nhiên. Tìm kiếm nguồn vật liệu thay thế cát tự nhiên vì vậy trở thành yêu cầu cấp thiết đối với lĩnh vực xi măng và bê tông.
Bụi thạch anh phát sinh trong quá trình nghiền và xử lý đá thạch anh thường bị xem là phế thải. Tuy nhiên, loại vật liệu này có hàm lượng silica rất cao, khoảng 99,6% SiO₂, kích thước hạt mịn và tính chất hóa học ổn định. Những đặc điểm này cho thấy tiềm năng ứng dụng của bụi thạch anh trong vật liệu gốc xi măng.
Bụi thạch anh từ mỏ đá được sử dụng làm vật liệu thay thế một phần cát tự nhiên trong vữa xi măng cát.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế thí nghiệm thay thế cát tự nhiên bằng bụi thạch anh theo các tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15% và 20% tính theo khối lượng cốt liệu mịn. Tỷ lệ xi măng so với cốt liệu được giữ cố định ở mức 1:3 và tỷ lệ nước trên xi măng là 0,5. Cát sông tự nhiên được làm sạch trước khi sử dụng nhằm loại bỏ tạp chất, còn bụi thạch anh được thu thập từ mỏ Handeni Quarry tại Tanga, Tanzania.
Vật liệu được phân tích thành phần hạt bằng phương pháp sàng, xác định thành phần hóa học bằng phân tích huỳnh quang tia X và khảo sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X. Các mẫu vữa xi măng cát được đúc thành khối lập phương, bảo dưỡng trong điều kiện phòng thí nghiệm và kiểm tra ở tuổi 7 ngày và 28 ngày để đánh giá độ lưu động, khối lượng thể tích, độ hút nước và cường độ nén.
Kết quả cho thấy cường độ nén đạt giá trị cao nhất ở mức thay thế 10% bụi thạch anh. Tại thời điểm 28 ngày, cường độ nén đạt 18,5 MPa so với 10,8 MPa của mẫu đối chứng không sử dụng bụi thạch anh, tương đương mức tăng 71%. Khi tăng tỷ lệ thay thế lên trên 10%, cường độ có xu hướng giảm nhẹ do xuất hiện nhiều lỗ rỗng hơn và sự phân bố hạt kém chặt chẽ.
Cường độ uốn cũng được cải thiện ở mức thay thế 10%, cho thấy khả năng chống nứt và chịu uốn của vữa xi măng cát được nâng cao. Độ lưu động giảm dần khi tăng hàm lượng bụi thạch anh do hình dạng hạt góc cạnh làm tăng ma sát nội bộ, tuy nhiên các cấp phối đến 15% vẫn đảm bảo khả năng thi công thực tế.
Độ hút nước của mẫu vữa xi măng cát giảm từ 6,4% ở mẫu đối chứng xuống còn 5,7% ở mức thay thế 10%, phản ánh cấu trúc đặc chắc hơn và độ rỗng giảm. Ở các tỷ lệ thay thế cao hơn, độ hút nước lại tăng do hiện tượng kết tụ hạt mịn và giảm mức độ bao phủ của hồ xi măng. Khối lượng thể tích giảm khi tăng hàm lượng bụi thạch anh, nguyên nhân chủ yếu do sự sắp xếp hạt kém chặt chẽ hơn chứ không phải do khác biệt lớn về khối lượng riêng vật liệu.
Phân tích vi cấu trúc cho thấy ở mức thay thế tối ưu, các hạt bụi thạch anh mịn đóng vai trò lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cát và xi măng, tạo hiệu ứng vi lấp đầy và cải thiện sự liên kết cơ học trong hệ vật liệu. Mạng lưới gel C-S-H hình thành liên tục và đồng đều hơn, góp phần nâng cao cường độ và giảm độ thấm. Mặc dù bụi thạch anh không có hoạt tính pozzolan mạnh, vai trò như một chất độn siêu mịn đã giúp cải thiện đáng kể cấu trúc bên trong của vữa.
Việc tích hợp bụi thạch anh vào sản xuất vữa xi măng cát mang lại nhiều lợi ích cho ngành vật liệu xây dựng. Giải pháp này giúp giảm phụ thuộc vào cát tự nhiên, tận dụng chất thải công nghiệp và kéo dài tuổi thọ công trình nhờ cấu trúc đặc chắc hơn. Đây cũng là hướng tiếp cận phù hợp với xu thế kinh tế tuần hoàn, biến phụ phẩm khai thác đá thành đầu vào có giá trị cho chuỗi sản xuất xi măng và bê tông.
Kết quả nghiên cứu cho thấy mức thay thế khoảng 10% bụi thạch anh là tối ưu về mặt kỹ thuật. Trong thời gian tới, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung đánh giá độ bền lâu dài, khả năng làm việc trong điều kiện thực tế và mở rộng ứng dụng sang bê tông và các hệ vật liệu composite khác.
Việc phát triển và ứng dụng các vật liệu thay thế bền vững như bụi thạch anh không chỉ góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm xi măng, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường xây dựng hiện đại.
Cem.Info
