Các giải pháp thúc đẩy phát triển VLXD mới, thân thiện môi trường nhằm hướng tới phát triển bền vững

Bê tông là vật liệu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng trên toàn thế giới. Trong danh sách vật liệu được dùng nhiều nhất Trái đất, bê tông chỉ xếp ngay sau nước. Bê tông là lớp giáp bảo vệ nhân loại khỏi những tác động cực đoan của thiên nhiên nhưng chính bê tông cũng là thứ phủ lên lớp đất màu mỡ đã có thể trở thành đất canh tác, bịt những con sông đã có thể là nguồn sống vô tận cho sinh vật. Bê tông sớm trở thành nhân tố chặn đứng đường phát triển của tự nhiên, chúng rắn lại trở thành một lớp vảy xám xịt phủ lên bề mặt hành tinh Xanh.

Theo nghiên cứu của tổ chức Chatham House, nơi tập trung nghiên cứu những vấn đề quốc tế đáng lo ngại, quá trình sản xuất bê tông tạo ra từ 4 - 8% lượng CO2 toàn cầu. Chỉ có ba thứ vượt mặt bê tông trong bảng xếp hạng này là: than, dầu đốt và xăng. Một nửa số CO2 thải ra trong lượng 4 - 8% kể trên tới từ quá trình sản xuất clinker (Việt Nam ta còn gọi là clanhke), đây là giai đoạn tốn năng lượng nhất trong quy trình làm xi măng. Bên cạnh việc phát thải CO2, quá trình sản xuất xi măng còn tiêu tốn một lượng nước không lồ, chiếm 1/10 lượng nước sử dụng của ngành công nghiệp toàn cầu.

Theo thống kê của Bộ Xây dựng, trong năm 2019, Việt Nam sử dụng khoảng 140 triệu tấn m3 bê tông, sản lượng xi măng đã tăng từ 17 triệu tấn/năm lên 98 triệu tấn/năm. TS. Nguyễn Quang Hiệp - Phó Vụ trưởng Vụ Vật liệu xây dựng, Bộ Xây dựng cho biết: để sản xuất 140 triệu m3 bê tông cần tiêu tốn 50 triệu tấn xi măng, 110 triệu tấn cát, khoảng 150 triệu tấn đá dăm, sỏi.

Viện Các vấn đề quốc tế Hoàng gia (Chatham House) đưa ra ước tính: với tốc độ đô thị hóa, mức tăng trưởng dân số và mức phát triển kinh tế như hiện nay, sản lượng xi măng toàn cầu sẽ tăng tới mức 4 -5 tỷ tấn/năm. Theo số liệu của Ủy ban Kinh tế và Khí hậu Toàn cầu, nếu những nước đang phát triển tiếp tục đầu tư cho các dự án xây dựng lớn để bằng với mức phát triển trung bình thế giới, ngành Xây dựng sẽ thải ra thêm 470 giga-tấn carbon dioxide vào năm 2050. Hành động xả thải này sẽ vi phạm hiệp ước khí hậu Paris mà một loạt nước đã chung tay ký kết, đã đều hứa hẹn khí thải carbon hàng năm của ngành công nghiệp xi măng phải xuống 16% vào năm 2030.

Để giảm những tác động tiêu cực của xi măng, điều cần thiết phải làm chính là cải tiến quá trình sản xuất bằng các giải pháp như giảm khí thải, sử dụng vật liệu tái tạo, sử dụng năng lượng hiệu quả, tìm ra vật liệu thay thế clanhke. Đặc biệt, ngành sản xuất bê tông trong giai đoạn tới phải sử dụng cốt liệu từ nguyên liệu tái chế, phế thải để thay thế đến 60% nguyên liệu thiên nhiên, phát triển các loại phụ gia khoáng và hóa học để đưa vào làm thành phần bắt buộc trong sản xuất bê tông, nâng cao chất lượng; giảm tỷ lệ trộn bê tông thủ công xuống 25% tổng sản lượng bê tông; phát triển nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông tiền chế, lắp ghép theo mô-đun và các trạm trộn bê tông thương phẩm.

Sử dụng nhựa tái chế làm cốt liệu trong sản xuất xi măng giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của xi măng và rác thải nhựa

Các chuyên gia đã phát hiện ra rằng, nhựa có thể là một chất thay thế hiệu quả cho các cốt liệu truyền thống như cát, khi kết hợp với xi măng sẽ tạo ra một loại bê tông nhẹ và bền. Nhựa có các đặc tính khác nhau như bền, chống ăn mòn, cách nhiệt và cách âm tốt, tiết kiệm năng lượng và có tuổi thọ cao.

Trong nghiên cứu của Jassim (2017), chất thải nhựa polyethylene mật độ cao được trộn với xi măng Portland để kiểm tra khả năng sản xuất xi măng nhựa và nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế cát bằng chất thải polyetylen mịn với tỷ lệ phần trăm khác nhau. Polyetylen là một vật liệu bán tinh thể có khả năng chống hóa chất và chống ăn mòn cao. Nó cung cấp khả năng chống chịu tốt với dung môi hữu cơ, là vật liệu có trọng lượng nhẹ, không độc hại. Bên cạnh đó, Polyetylen còn có khả năng chống ố và chịu lực cao. Đó là lý do nó được chọn là đối tượng được sử dụng để làm cốt liệu trong sản xuất xi măng. Hộp hoặc thùng nhựa polyetylen được thu gom từ các bãi rác thành phố, sau đó đem rửa sạch và cắt nhỏ bằng cách sử dụng máy cắt và mài chuyên dụng để tạo thành các hạt mịn. Sau khi mài, các hạt polyetylen được sàng để tách hạt mịn ra khỏi hạt thô, trộn với xi măng Portland và nước theo các tỷ lệ thể tích khác nhau.

Thùng nhựa chứa polyethylene được thu nhặt từ bãi rác và nhựa polyethylene được cắt nhỏ.

Tỉ lệ thể tích polyethylene, xi măng Portland và nước.

Xi măng Portland và polyethylene được trộn với nước để tạo thành một loại bê tông đồng nhất, hỗn hợp được đựng trong khuôn cho đến khi khô. Sau đó, cho bê tông đã khô vào nước từ 3 - 4 ngày để đông đặc và đóng rắn, tăng độ gắn kết. Bước tiếp theo, các mẫu được lấy ra làm khô và kiểm tra các đặc tính. Cuối cùng, đặt các mẫu một lần nữa trong nước từ 7 - 8 ngày để nghiên cứu độ ổn định và ảnh hưởng của nước đến các đặc tính của chúng.

Phế liệu polyethylene và xi măng Portland sau khi trộn.

Phế liệu polyethylene mịn và xi măng Portland sau khi đúc và sấy khô với tỷ lệ HDPE (a) 30% HDPE khác nhau; (b) 35% HDPE; (c) 40% HDPE; (d) 50% HDPE; (e) 60% HDPE; và (f) 80% HDPE.

Kết quả cho thấy với tỷ lệ trộn là 60% phế liệu polyetylene và 40% xi măng Portland sẽ có khả năng sản xuất ra xi măng nhựa có độ bền và tính chịu lực cao, ứng dụng được trong các công trình xây dựng.

(Tài liệu tham khảo: Jassim, A. K. (2017). Recycling of Polyethylene Waste to Produce Plastic Cement. Procedia Manufacturing, 8, 635–642. doi:10.1016/j.promfg.2017.02.081).

Sử dụng vi khuẩn để làm gạch xi măng sinh học giúp giảm thiểu 800 triệu tấn khí thải carbon mỗi năm

Một công ty trẻ ở Bắc Carolina, bioMASON đã đạt được những bước tiến lớn bằng cách đưa ra những viên gạch được sản xuất sinh học để bán thương mại. Lấy cảm hứng từ quá trình khoáng hóa sinh học canxi cacbonat của san hô, quy trình đơn giản, tiết kiệm và thân thiện với môi trường. Phương pháp sản xuất gạch của bioMASON được thực hiện bằng cách lấp đầy một khuôn hình chữ nhật bằng cát xếp xen kẽ với dung dịch chứa urê, canxi clorua và vi khuẩn không gây bệnh Sporosarcina pasteurii. Sau vài ngày, vi khuẩn tạo ra một chuỗi phản ứng hóa học tạo ra một khoáng chất kết dính cát với nhau và tạo thành một viên gạch. Vì quá trình này không liên quan đến việc nung gạch trong lò nung như trong cách làm gạch thông thường phương pháp này có thể giảm 800 triệu tấn khí thải carbon mỗi năm.

Gạch xi măng sinh học.

Thay thế Clinker bằng phế liệu như tro núi lửa, xỉ hạt lò cao hoặc tro bay

Tỷ lệ clinker/xi măng trung bình trên thế giới là khoảng 0,81. Vì sản xuất clinker là công đoạn sử dụng nhiều năng lượng và thải canxi dioxide nhiều nhất trong quá trình sản xuất xi măng, nên việc giảm tỷ lệ clinker/xi măng thông qua việc sử dụng các chất thay thế clinker như tro núi lửa, xỉ hạt lò cao từ sản xuất sắt, hoặc tro bay từ sản xuất nhiệt điện than sẽ làm giảm năng lượng sử dụng và giảm lượng CO2 phát thải. Các nhà khoa học Mỹ đã tìm cách sử dụng tro bay để tạo nên hợp chất kết dính thay cho vai trò của xi măng trong các khối bê tông phục vụ mục đích xây dựng. Trong nghiên cứu này, nhóm chuyên gia tại Đại học Rice đã sử dụng phương pháp Taguchi để xác định công thức tối ưu để tạo ra hỗn hợp kết dính thay thế vai trò của xi măng Portland bao gồm khoảng 80% tro bay, 5% chất kích hoạt gốc natri và còn lại là nanosilica (nS) và canxi oxit (CaO). Kết quả thử nghiệm sau 7 ngày cho thấy, loại bê tông chứa chất kết dính mới làm từ tro bay có cường độ chịu nén là 16,18 MPa, tương đương với bê tông thông thường làm bằng xi măng Portland.

Trên đây là một số giải pháp tạo ra vật liệu xây dựng mới thân thiện với môi trường, tận dụng tối đa nguồn phế thải, biến chúng thành sản phẩm có giá trị và hướng tới phát triển bền vững. Đây cũng chính là một trong những mục tiêu trong Chiến lược phát triển vật liệu xây dựng của Chính phủ.

Thiên Cường