Việt Nam hàng năm có hơn 25 triệu tấn tro, xỉ được thải ra chủ yếu từ các nhà máy nhiệt điện trên cả nước. Hầu hết lượng tro, xỉ này được vận chuyển ra ngoài bãi thải. Nếu lượng tro xỉ không được tái chế sử dụng, đến năm 2030 ước tính tồn trữ cả nước lên đến 422 triệu tấn. Về lâu dài, tro bay sẽ tác động xấu đến môi trường, chiếm diện tích đất để tồn chứa lớn, lãng phí nguồn tài nguyên. Trong khi đó, tro bay có thể thay thế xi măng trong việc sản xuất bê tông.

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng bền vững nhất về mặt sản xuất và bảo trì so với các vật liệu xây dựng khác. Tuy nhiên, thành phần chính trong bê tông là xi măng (chiếm 5-20% khối lượng bê tông). Đây là vật liệu chiếm hơn 74-81% lượng phát khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

Trên thế giới, một số nước đã nghiên cứu dùng tro bay thay thế xi măng làm vật liệu đúc bê tông “xanh” (thân thiện môi trường) với tỷ lệ khuyến cáo thay thế 35% tổng khối lượng xi măng Portland (ACI 211, ACI 232). Tuy nhiên, nhiều nhà nghiên cứu cho rằng việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể lên đến 50% hoặc lớn hơn. Loại bê tông này thậm chí còn có một số tính chất vượt trội, được gọi là HVFC (High Volume Fly Ash Concrete).

Chính vì vậy, Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng) triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho các kết cấu công trình xây dựng", với hàm lượng tro bay thay thế xi măng lên đến 80%. Nhiệm vụ nhằm giảm phát thải GHG của xi măng và giảm ô nhiễm do để bay tro lưu trữ trong đất và nước.

Ngoài ra, nhiệm vụ cũng hướng đến mục tiêu sử dụng hàm lượng tro bay thay thế đến 80 % xi măng Portland để chế tạo bê tông sử dụng cho mục đích kết cấu trong công trình xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế ô nhiễm môi trường; và quan trọng hơn hết là làm chủ công nghệ chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao sử dụng cho kết cấu trong công trình xây dựng.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thử nghiệm nhiều vật liệu từ bê tông hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng.

Sử dụng bê tông HVFC cho mục đích kết cấu buộc phải cải thiện cường độ tuổi sớm. Một số các phương pháp được cho là có hiệu quả cao như sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính thấp, bổ sung thêm vôi Ca(OH)₂, bổ sung silica fume, sử dụng hóa chất tăng tốc, hay kích hoạt tro bay trước khi nhào trộn bê tông.

Do đó, ngoài mục đích sử dụng hàm lượng tro bay cao thay thế xi măng Portland đến 80% để chế tạo bê tông cho mục đích kết cấu, nhóm nghiên cứu còn nghiên cứu để thúc đẩy sự phát triển cường độ sớm cho loại bê tông này, ngoài những biện pháp truyền thống sử dụng xi măng OPC có hàm lượng C3A cao, hạ thấp tỷ lệ nước/bột”.

Bê tông hàm lượng tro bay cao được sản xuất thử nghiệm

Để chế tạo bê tông HVFC, nhóm sử dụng nguyên vật liệu gồm xi măng OPC40 Nghi Sơn, tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, cốt liệu nhỏ (cát sông, cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), nước, vôi. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các phụ gia siêu dẻo; Silica fume; và hỗn hợp hóa chất làm đông kết sớm là sodium thiocyanate (NaSCN), diethanolamine (DEA) và glycerol (Gly).

Phần lớn tro, xỉ của Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải (tỉnh Trà Vinh) vẫn đang chờ được khai thác sử dụng, thay vì chôn lấp, che chắn như hiện nay.

Vì hàm lượng xi măng Portland sử dụng trong bê tông HVFC rất ít, nên sẽ thiếu lượng vôi Ca(OH)₂ (sản phẩm thủy hóa của xi măng) để tham gia vào phản ứng puzolanic với tro bay cũng như đảm bảo tính kiềm để bảo vệ cốt thép. Vì vậy, để chế tạo bê tông HVFC đáp ứng các mục tiêu đã đề ra, nhóm đã nghiên cứu bổ sung lượng vôi Ca(OH)₂ hợp lý vào trong bê tông. Đồng thời, sử dụng phụ gia tăng tốc đóng rắn nhanh silica fume, phụ gia tăng tốc 3 thành phần.

Mẫu bê tông cốt thép sử dụng vật liệu HVFC

Kết quả, nhóm đã chế tạo được bê tông HVFC với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lên tới 80%, đáp ứng được các tính chất cơ học trong xây dựng như cường độ nén, uốn, nén chẻ, mô đun đàn hồi và độ co ngót khô. Trong đó, cường độ nén của bê tông HVFC có xu hướng tăng dần theo thời gian, ở 28 ngày đạt giá trị 59,47 - 70,13 MPa; ở tuổi 180 ngày đạt 73,51 – 80,12 Mpa. Với các kết quả này, bê tông HVFC hoàn toàn có thể sử dụng cho các kết cấu công trình xây dựng trong thực tế nhờ đã cải thiện được cường độ ở tuổi sớm và vẫn tiếp tục phát triển cường độ mạnh mẽ ở những tuổi muộn, vượt rất nhiều so với yêu cầu mục tiêu 40 MPa đề ra ở 28 ngày.

Thử nghiệm khả năng bảo vệ ăn mòn cốt thép của bê tông HVFC cho kết quả vượt trội hơn với bê tông thường, khi độ pH đạt khoảng 11,61 đến 11,82 cao, hơn mẫu đối chứng (pH 10,66) ở tuổi 180 ngày. Hàm lượng ion hòa tan trong axít của bê tông HVFC đều có giá trị thấp khoảng từ 0,020-0,025 % và nằm trong giới hạn cho phép về ngưỡng ăn mòn theo các tiêu chuẩn thế giới hiện hành. Kết quả về điện thế ăn mòn đo được theo phương pháp gia tốc chu kỳ khô + nhiệt - ẩm đều cho giá trị thấp < -350 mV, nằm dưới ngưỡng xác suất 90% cốt thép có thể bị ăn mòn.

Các kết quả thử nghiệm nói trên hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của các tiêu chuẩn trong xây dựng như MS, NT Build 357, TCVN 3120:1993,...

Các kết cấu bê tông hàm lượng tro bay cao đạt các tiêu chuẩn về cơ lý hóa, có tính ứng dụng cao trong thực tế.

Nhóm nghiên cứu cũng đã ứng dụng bê tông HVFC tỷ lệ 80% tro bay thay thế xi măng vào sản xuất cọc vuông bê tông cốt thép. Sản phẩm dùng tốt trong ép móng cọc công trình.

Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật, nhóm chuyên gia Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam khẳng định, bê tông HVFC có giá thành tương đương với bê tông thương phẩm thông thường nên về cơ bản có thể có tính khả thi cao.

Hơn nữa việc sử dụng lên đến 80% tro bay thay thế xi măng có thể giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường đối với chất thải tro xỉ nhiệt điện, tiết kiệm tài nguyên, cũng như giảm phát thải khí nhà kính. Không những thế, hoàn toàn có thể sử dụng các dây chuyền, thiết bị sản xuất bê tông chất lượng cao để sản xuất bê tông HVFC, do công nghệ trộn hỗn hợp bê tông hoàn toàn tương tự.