Từ một loại phụ phẩm vốn có nguy cơ trở thành chất thải công nghiệp, các nhà nghiên cứu tại Brazil đang mở ra một hướng tiếp cận đáng chú ý cho ngành vật liệu xây dựng: sử dụng chất thải từ công nghiệp cellulose để thay thế một phần clinker trong xi măng.

Điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở ý tưởng tái sử dụng chất thải. Theo thông tin được công bố, một trong các công thức nghiên cứu có tỷ lệ chất thải lên tới 50%, qua đó giảm đáng kể lượng clinker cần sử dụng trong thành phần xi măng. Nghiên cứu được phát triển bởi kỹ sư xây dựng, giảng viên Marco Antônio Oliveira tại Viện Liên bang Pará - IFPA, Brazil.

Trong bối cảnh ngành xây dựng đang chịu áp lực ngày càng lớn về phát thải carbon, hiệu quả sử dụng tài nguyên và xử lý chất thải, nghiên cứu này cho thấy một hướng chuyển dịch quan trọng: chất thải của ngành sản xuất này có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho ngành sản xuất khác.

Vì sao giảm clinker trở thành bài toán lớn của ngành xi măng?

Xi măng là vật liệu nền tảng của hầu hết các công trình hiện đại, nhưng quá trình sản xuất clinker, thành phần quan trọng trong xi măng Portland. Đồng thời là một nguồn phát thải CO₂ đáng kể. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) từng ước tính ngành xi măng tạo ra khoảng 7% lượng CO₂ của hệ thống năng lượng toàn cầu. Một phần lớn phát thải không chỉ đến từ nhiên liệu dùng để nung mà còn phát sinh trực tiếp trong quá trình phân hủy đá vôi để sản xuất clinker.

Ở phạm vi rộng hơn, chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) cho biết lĩnh vực tòa nhà và xây dựng chiếm khoảng 37% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu khi tính cả vận hành công trình và sản xuất vật liệu như xi măng, thép và nhôm. Vì vậy, giảm lượng vật liệu nguyên sinh và giảm carbon trong những vật liệu truyền thống đang trở thành một trong các hướng quan trọng của quá trình khử carbon ngành xây dựng.

Đây cũng là lý do tỷ lệ clinker trong xi măng ngày càng được chú ý. IEA xác định việc tăng sử dụng các vật liệu bổ sung cho xi măng, nâng cao hiệu quả vật liệu và giảm tỷ lệ clinker là những giải pháp quan trọng trong lộ trình giảm phát thải của ngành xi măng và bê tông.

Biến phụ phẩm ngành cellulose thành nguyên liệu cho xi măng

Nghiên cứu tại IFPA tập trung vào hai loại phụ phẩm phát sinh từ ngành công nghiệp cellulose:

• Tro bay sinh khối - Biomass Fly Ash

• Filler đá vôi sinh khối - Biomass Limestone Filler

Theo Marco Antônio Oliveira, các vật liệu này được lấy từ hoạt động sản xuất cellulose tại khu vực Amazon thuộc bang Maranhão, Brazil. Nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều tỷ lệ phối trộn khác nhau, sử dụng riêng từng loại phụ phẩm hoặc kết hợp cả hai. Trong một công thức, lượng chất thải được đưa vào đạt 50%, với mục tiêu giảm lượng clinker cần sử dụng.

Đây là điểm cần hiểu chính xác. Nghiên cứu không nói rằng 50% toàn bộ nguyên liệu xây dựng có thể được loại bỏ, cũng không có nghĩa mọi loại xi măng hiện nay đều có thể ngay lập tức thay một nửa thành phần bằng chất thải. Con số 50% liên quan đến một công thức cụ thể trong chương trình nghiên cứu nhằm thay thế một phần clinker bằng các phụ phẩm đã được xử lý và đánh giá. Sự khác biệt này rất quan trọng khi nhìn nhận một công nghệ vật liệu mới.

Hơn 30 công thức được nghiên cứu và thử nghiệm

Theo thông tin được công bố về dự án, hơn 30 công thức phối trộn khác nhau đã được phát triển và đánh giá cho nhiều ứng dụng trong xây dựng. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu có tiềm năng sử dụng trong các ứng dụng như vữa xây, lớp trát và hệ thống xây masonry, đồng thời các mẫu thử được đánh giá theo yêu cầu kỹ thuật của Brazil.

Trong cuộc trao đổi được O Liberal đăng tải, Marco Antônio Oliveira cho biết các loại xi măng trong nghiên cứu đã trải qua nhiều thử nghiệm và đáp ứng các yêu cầu hiện hành, trong đó có yêu cầu về cường độ nén.

Nhóm nghiên cứu cũng đề cập khả năng vật liệu hấp thụ và cố định CO₂. Tuy nhiên, các thông tin công khai hiện được dẫn lại chưa đưa ra một con số định lượng đủ để kết luận mức CO₂ có thể được lưu giữ trên mỗi đơn vị sản phẩm. Vì vậy, đây nên được xem là một đặc tính đang được nghiên cứu, thay vì diễn giải thành tuyên bố rằng vật liệu đã đạt trạng thái “không phát thải”.

Cách tiếp cận thận trọng này đặc biệt cần thiết với các công nghệ vật liệu mới, bởi hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu, quy trình xử lý, tỷ lệ phối trộn, yêu cầu cường độ, độ bền lâu và điều kiện ứng dụng.

Từ chất thải đến kinh tế tuần hoàn trong ngành xây dựng

Giá trị đáng chú ý của nghiên cứu IFPA nằm ở cách nhìn chất thải như một nguồn tài nguyên. Trong mô hình sản xuất tuyến tính truyền thống, nguyên liệu được khai thác, đưa vào sản xuất, sử dụng rồi cuối cùng trở thành chất thải. Kinh tế tuần hoàn tìm cách kéo dài vòng đời của vật liệu bằng tái sử dụng, tái chế hoặc đưa phụ phẩm trở lại một chuỗi sản xuất khác.

Với nghiên cứu tại Brazil, phụ phẩm của ngành cellulose được nghiên cứu để trở thành thành phần của vật liệu xi măng. Nếu có thể triển khai ở quy mô phù hợp, cách tiếp cận này có khả năng đồng thời giảm nhu cầu clinker nguyên sinh và tạo thêm đầu ra cho một dòng chất thải công nghiệp. Theo Marco Antônio Oliveira, nguồn phụ phẩm cellulose tương đối dồi dào tại Brazil là một trong những yếu tố khiến giải pháp có triển vọng về khả năng mở rộng. Ông cũng nhận định chi phí có thể cạnh tranh với những sản phẩm đang có trên thị trường. Đây hiện là đánh giá của nhà nghiên cứu; để xác định hiệu quả kinh tế ở quy mô thương mại vẫn cần dữ liệu sản xuất thực tế ở từng thị trường.

Không chỉ xi măng: chất thải còn được đưa vào nghiên cứu bê tông

Các nghiên cứu tại IFPA không dừng lại ở phụ phẩm ngành cellulose. Một hướng khác sử dụng cao su từ hoạt động tái chế, tái chế lốp để thay thế một phần cát trong bê tông. Cao su được xử lý thành các hạt có kích thước khác nhau rồi phối trộn với xi măng, nước và các thành phần khác. Theo thông tin được công bố, vật liệu này đã được ứng dụng thử cho các tấm lát xúc giác trong khuôn viên IFPA và đáp ứng yêu cầu về độ bền theo quy định được áp dụng tại Brazil. Nhà nghiên cứu Laércio Gouvêa Gomes cho rằng việc sử dụng hạt cao su còn giúp tăng tính linh hoạt của vật liệu và giảm tác động khi người đi bộ di chuyển trên bề mặt.

Song song đó, các nghiên cứu liên quan đến phụ phẩm từ quả açaí cũng được thực hiện tại khu vực Amazon, từ sử dụng hạt açaí trong vật liệu xây dựng đến các sản phẩm gạch sinh thái và bề mặt thoát nước.

Nhìn rộng hơn, những dự án này cho thấy đổi mới vật liệu không nhất thiết bắt đầu từ việc tìm ra một nguyên liệu hoàn toàn mới. Một hướng quan trọng khác là tìm giá trị mới cho những vật liệu đang bị bỏ đi. Những thay đổi về vật liệu đầu vào cũng có thể tạo ra tác động đến các sản phẩm sử dụng trong công trình. Để hiểu thêm về bê tông tươi, từ quy trình sản xuất đến các ứng dụng phổ biến, bạn có thể tham khảo Bê tông tươi là gì? Quy trình sản xuất, ưu điểm và cách lựa chọn

Có thể áp dụng ngay công nghệ này cho bê tông tại Việt Nam?

Đặc tính hóa học và vật lý của tro sinh khối, filler, phụ phẩm công nghiệp hay bất kỳ vật liệu thay thế nào phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ sản xuất và phương pháp xử lý. Một tỷ lệ phối trộn đạt kết quả tại Brazil không thể được mặc nhiên chuyển nguyên trạng sang Việt Nam.

Để một vật liệu mới được ứng dụng trong sản xuất xi măng hoặc bê tông thương phẩm, cần tiếp tục đánh giá nhiều yếu tố như thành phần hóa học, độ ổn định của nguyên liệu, ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa, cường độ ở các độ tuổi, tính công tác, độ bền lâu, khả năng chống xâm thực và sự phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn áp dụng.

Đây cũng chính là khoảng cách quan trọng giữa một kết quả nghiên cứu có triển vọng và một giải pháp đủ điều kiện triển khai đại trà. Nhưng nghiên cứu đang gửi một tín hiệu rất rõ cho ngành bê tông, điều đáng chú ý nhất không nằm ở việc một công thức cụ thể có thay thế được chính xác 30%, 40% hay 50% clinker.

Giá trị lớn hơn là sự dịch chuyển trong tư duy nghiên cứu vật liệu: giảm clinker, tận dụng phụ phẩm, sử dụng vật liệu bổ sung, tăng hiệu quả tài nguyên và xem xét phát thải trong toàn bộ vòng đời công trình.

Các định hướng này cũng phù hợp với những giải pháp mà IEA đang xem là cần thiết để giảm phát thải trong ngành xi măng và bê tông, bao gồm nâng cao hiệu quả vật liệu, tăng tỷ lệ vật liệu bổ sung cho xi măng, sử dụng nhiên liệu thay thế và tiếp tục phát triển các giải pháp thu giữ carbon.

Với ngành bê tông Việt Nam, đây là một gợi mở đáng chú ý. Việt Nam không nhất thiết phải sử dụng chính những phụ phẩm giống Brazil, nhưng nguyên lý phía sau nghiên cứu hoàn toàn đáng để quan tâm: mỗi dòng phụ phẩm công nghiệp hoặc nông nghiệp có thể trở thành một bài toán vật liệu mới nếu được nghiên cứu, kiểm chứng và tiêu chuẩn hóa đúng cách.

Từ vật liệu xanh đến yêu cầu kiểm soát chất lượng

Trong quá trình hướng đến xây dựng bền vững, “xanh” không thể tách khỏi “chất lượng”. Một vật liệu sử dụng nhiều chất tái chế hơn nhưng không đảm bảo yêu cầu cơ học, độ bền lâu hoặc tính ổn định sẽ khó tạo ra giá trị bền vững thực sự cho công trình. Vì vậy, đổi mới bê tông trong tương lai sẽ không đơn thuần là cuộc đua giảm một thành phần hay bổ sung một loại chất thải. Đó phải là quá trình kết hợp giữa nghiên cứu vật liệu - thiết kế cấp phối - thử nghiệm - sản xuất - kiểm soát chất lượng - đánh giá vòng đời.

Đối với Bê tông Mê Kông, việc cập nhật những hướng nghiên cứu mới của ngành trên thế giới góp phần mở rộng góc nhìn về vật liệu xanh, sản xuất xanh và công nghệ bê tông, đồng thời nhấn mạnh một nguyên tắc xuyên suốt: mọi giải pháp mới chỉ thực sự có giá trị khi hiệu quả kỹ thuật được kiểm chứng và phù hợp với điều kiện ứng dụng thực tế.

Tương lai của bê tông có thể bắt đầu từ những thứ từng bị xem là chất thải

Nghiên cứu tại IFPA chưa phải lời giải cuối cùng cho bài toán phát thải của ngành xi măng. Con đường từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp còn đòi hỏi đánh giá về quy mô, nguồn nguyên liệu, tiêu chuẩn, độ bền, kinh tế và chuỗi cung ứng. Nhưng việc một công thức nghiên cứu có thể chứa tới 50% phụ phẩm thay cho phần clinker tương ứng vẫn là một tín hiệu đáng chú ý về tiềm năng đổi mới của vật liệu xây dựng.

Trong bối cảnh ngành xây dựng toàn cầu đang hướng tới sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn và giảm phát thải carbon, tương lai của bê tông và xi măng có thể không chỉ nằm ở việc tạo ra nhiều vật liệu hơn, mà còn ở khả năng tạo ra giá trị cao hơn từ ít tài nguyên nguyên sinh hơn. Và đôi khi, nguyên liệu cho thế hệ vật liệu tiếp theo lại bắt đầu từ chính những thứ từng được xem là chất thải. Trong thực tế, chất lượng bê tông thương phẩm còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong quá trình sản xuất và kiểm soát vật liệu. Bạn có thể tìm hiểu thêm về bê tông thương phẩm, tiêu chuẩn, ứng dụng và quy trình đặt hàng.

Xi măng mới của IFPA có thay thế 50% xi măng truyền thống không?

Không nên hiểu như vậy. Thông tin được công bố cho biết một công thức nghiên cứu sử dụng lượng phụ phẩm tương đương tới 50% thành phần được dùng nhằm giảm clinker. Điều này không đồng nghĩa 50% toàn bộ xi măng hoặc toàn bộ nguyên liệu xây dựng có thể được thay thế trong mọi ứng dụng.

Loại chất thải nào được sử dụng trong nghiên cứu?

Nghiên cứu của Marco Antônio Oliveira sử dụng tro bay sinh khối và filler đá vôi sinh khối phát sinh từ ngành công nghiệp cellulose.

Vật liệu này đã được thương mại hóa đại trà chưa?

Các nguồn được kiểm tra mô tả đây là công nghệ nghiên cứu có tiềm năng mở rộng quy mô. Chưa có dữ liệu trong các nguồn này đủ để kết luận vật liệu đã được thương mại hóa đại trà trên thị trường xi măng.

Giảm clinker có ý nghĩa gì đối với phát thải CO₂?

Sản xuất clinker tạo phát thải từ cả sử dụng năng lượng và quá trình phân hủy đá vôi. Vì vậy, giảm tỷ lệ clinker thông qua các vật liệu bổ sung phù hợp là một trong những giải pháp được IEA xác định trong lộ trình giảm phát thải của ngành xi măng.

Trang Nguyễn - Gu Digital