Ứng dụng graphene trong xi măng hàm lượng clinker thấp

Các thử nghiệm gần đây tại châu Âu cho thấy việc bổ sung graphene với hàm lượng clinker thấp có thể cải thiện đáng kể cường độ nén của xi măng và cho phép giảm tỷ lệ clinker trong thành phần phối liệu. Nếu được triển khai ở quy mô công nghiệp, hướng tiếp cận này có thể góp phần cắt giảm phát thải CO₂ mà không đòi hỏi thay đổi lớn trong dây chuyền sản xuất hiện hữu.

Bột graphene.

Ứng dụng graphene tối ưu hóa thành phần xi măng hàm lượng clinker thấp

Theo lộ trình phát triển bền vững của Hiệp hội xi măng và bê tông toàn cầu (GCCA), cường độ phát thải CO₂/tấn vật liệu xi măng toàn cầu đã giảm khoảng 25% kể từ năm 1990. Tuy nhiên, do nhu cầu xây dựng tiếp tục tăng, tổng phát thải tuyệt đối của ngành vẫn ở mức cao. Điều này đặt ra yêu cầu phải tìm kiếm các giải pháp có khả năng tạo ra thay đổi đáng kể trong cấu trúc sản phẩm thay vì chỉ tối ưu hóa cục bộ.

Graphene là một lớp carbon đơn nguyên tử có cấu trúc mạng lục giác. Với độ bền kéo cao và diện tích bề mặt lớn, vật liệu này có thể ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa và sự hình thành cấu trúc vi mô của hồ xi măng khi được phân tán đúng cách trong hệ.

Tại Anh, First Graphene đã hợp tác với Breedon Group để phát triển xi măng có bổ sung graphene dạng nanoplatelet. Kết quả thử nghiệm cho thấy có thể giảm tới 16% phát thải trong quá trình sản xuất xi măng, chủ yếu nhờ giảm hàm lượng clinker mà vẫn duy trì hoặc cải thiện tính năng cơ học.

Các thử nghiệm cũng ghi nhận mức tăng cường độ nén lên tới 35%. Việc cải thiện cường độ này mở ra khả năng thiết kế cấp phối với hệ số clinker thấp hơn hoặc tối ưu hóa lượng xi măng sử dụng trong bê tông mà vẫn đạt yêu cầu kỹ thuật.

Một yếu tố quan trọng đối với các nhà sản xuất là việc bổ sung graphene không yêu cầu thay đổi đáng kể dây chuyền sản xuất hiện hữu. Điều này giúp giảm rủi ro đầu tư và hạn chế gián đoạn vận hành khi triển khai thử nghiệm ở quy mô công nghiệp.

Triển khai ở quy mô công nghiệp và sản phẩm bê tông đúc sẵn

Công nghệ bổ sung graphene đã được đưa vào sản xuất thương mại thay vì chỉ dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Tại nhà máy của Breedon ở Anh, hơn 600 tấn xi măng có bổ sung graphene đã được sản xuất trong một ngày. Vật liệu này được sử dụng cho các hạng mục như sân ga đường sắt, ngói bê tông và trạm sạc xe điện.

Hoạt động sản xuất tại nhà máy của Breedon Group.

Một dự án trị giá 100.000 bảng Anh được triển khai với FP McCann nhằm thúc đẩy ứng dụng xi măng có bổ sung graphene trong sản xuất ngói bê tông cho nhà ở giảm phát thải. Khoảng 40 tấn xi măng có bổ sung graphene được sử dụng để sản xuất khoảng 12.000 viên ngói tại nhà máy Cadeby (Leicestershire). Công tác đánh giá tính năng được thực hiện tại trung tâm nghiên cứu và phát triển của doanh nghiệp ở Knockloughrim.

Sản xuất ngói bê tông có bổ sung graphene.

Trong dự án này, xi măng portland có cường độ phát thải cao được thay thế bằng công thức có bổ sung graphene, hướng tới giảm carbon hàm chứa trong sản phẩm ngói bê tông. Với công suất hơn 120.000 viên/ngày và tốc độ sản xuất đạt 140 viên/phút, dây chuyền hiện hữu có thể vận hành mà không cần bổ sung thiết bị mới khi sử dụng loại xi măng này. Điều đó cho thấy tính tương thích cao với hệ thống sản xuất bê tông đúc sẵn quy mô lớn.

Khả năng nhân rộng và tác động ở quy mô thị trường

Bên cạnh ngói bê tông, xi măng có bổ sung graphene đang được đánh giá cho các sản phẩm có sản lượng lớn như block bê tông, bó vỉa, tấm tường và hàng rào bê tông. Đây là những cấu kiện phổ biến trong các dự án hạ tầng và nhà ở. Khi sản lượng tiêu thụ ở mức cao, chỉ cần giảm một tỷ lệ nhỏ phát thải trên mỗi đơn vị sản phẩm cũng có thể tạo ra tác động đáng kể ở quy mô thị trường.

Thời gian triển khai dự án cũng đang rút ngắn. Dự án đầu tiên liên quan đến xi măng graphene mất khoảng 2 năm từ giai đoạn ý tưởng đến thử nghiệm. Dự án hiện tại với FP McCann chỉ mất khoảng 2 tháng để chuyển từ xây dựng công thức sang sản xuất tại nhà máy. Diễn biến này phản ánh mức độ tin cậy ngày càng tăng đối với công nghệ.

Về hiệu quả sử dụng vật liệu, tỷ lệ graphene trong xi măng ở mức rất thấp. Khoảng một tấn graphene có thể tạo ra 1.600 tấn xi măng có bổ sung graphene. Khi kết hợp với việc giảm clinker, yếu tố này tạo nền tảng cho bài toán kinh tế có thể chấp nhận được, đặc biệt trong bối cảnh chi phí phát thải carbon và yêu cầu báo cáo phát thải ngày càng chặt chẽ.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa trên diện rộng vẫn cần được đánh giá thêm về chi phí phụ gia tính trên mỗi tấn xi măng, khả năng đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật tại từng quốc gia và sự ổn định của nguồn cung graphene ở quy mô lớn. Đồng thời, công nghệ này cần được so sánh toàn diện với các giải pháp giảm clinker khác như xi măng hỗn hợp hàm lượng clinker thấp, tro bay hoặc xỉ lò cao để xác định vai trò phù hợp trong chiến lược giảm phát thải tổng thể.

Định vị graphene trong lộ trình giảm carbon ngành xi măng

Graphene đại diện cho hướng tiếp cận dựa trên khoa học vật liệu tiên tiến, tập trung vào việc điều chỉnh vi cấu trúc nhằm cải thiện hiệu năng cơ học và hỗ trợ giảm hệ số clinker. Nếu mức giảm phát thải khoảng 16% được xác nhận rộng rãi ở quy mô công nghiệp, tác động tiềm năng đối với ngành xi măng sẽ đáng kể.

Triển vọng dài hạn của công nghệ phụ thuộc vào 3 yếu tố chính gồm chi phí, khung tiêu chuẩn kỹ thuật và khả năng tích hợp vào hệ thống sản xuất hiện hữu. Nếu các điều kiện này được đáp ứng, graphene có thể trở thành một công cụ bổ sung trong danh mục giải pháp giảm carbon của ngành, bên cạnh tối ưu hóa lò nung, sử dụng nhiên liệu thay thế và phát triển các dòng xi măng hàm lượng clinker thấp.

Xu hướng phát triển xi măng thế hệ mới đang cho thấy sự dịch chuyển từ các cải tiến gia tăng sang những giải pháp dựa trên công nghệ vật liệu tiên tiến. Ứng dụng graphene trong xi măng là một ví dụ điển hình cho cách tiếp cận này khi mục tiêu giảm phát thải được gắn chặt với yêu cầu nâng cao hiệu năng kỹ thuật và khả năng triển khai ở quy mô công nghiệp.

Theo World cement