Chế tạo bê tông nhẹ có khả năng cách nhiệt và chịu lực

PGS.TS. Nguyễn Hùng Phong, Trường Đại học Xây dựng (bìa trái) và các đồng nghiệp của Viện IAB Weimar chế tạo hạt cốt liệu tại phòng thí nghiệm. Nguồn: NVCC

Tái chế phế thải xây dựng theo cách mới

Mỗi ngày, Hà Nội đang phải tìm cách xử lý hơn 2.500-3.000 tấn chất thải rắn xây dựng, trong khi Tp.HCM cũng khó khăn trong việc giải quyết trên 1.500 tấn rác thải xây dựng thu gom mỗi ngày. Đó mới chỉ là con số chính thức, chưa kể đến lượng phế thải xây dựng (PTXD) bị đổ trộm ở đường phố hoặc khu đất trống, gây ô nhiễm môi trường, mất mỹ quan đô thị và cản trở sự phát triển của thành phố. Trong thập kỷ tới, con số này được dự báo sẽ còn tăng lên nhanh chóng bởi tốc độ đô thị hóa cao ở các thành phố lớn, dẫn đến nhu cầu xây mới nhà cửa, cầu đường và phá dỡ, cải tạo các công trình đã xuống cấp.

Theo Ngân hàng Thế giới, mỗi năm Việt Nam bị thiệt hại tới 5% GDP vì môi trường ô nhiễm, chủ yếu do chất thải ngày một nhiều hơn nhưng không được thu gom, xử lý tốt, trong đó rác thải xây dựng chiếm từ 25-30%. Tuy nhiên, phần lớn các khu xử lý chất thải rắn hiện nay đều bị quá tải và chủ yếu sử dụng biện pháp chôn lấp. Hiện nay ở một số lĩnh vực, đầu tư cho xử lý chất thải đã trở nên tốn kém gấp vài lần so với đầu tư cho sản xuất mới.

Đó là lý do khiến ngành xây dựng đang nghĩ đến cách tiếp cận mới: Tái chế chất thải xây dựng. Việc đưa nguyên liệu thô thứ cấp trở lại quy trình sản xuất mới là một trong những thách thức lớn của thế kỷ 21, đòi hỏi một quy trình kinh tế tuần hoàn khép kín và nhiều đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực công nghệ tái chế.

Một số chuyên gia đã đề xuất áp dụng các công nghệ nghiền tái chế được nhập khẩu từ nước ngoài, chẳng hạn như máy nghiền lắp đặt ngay tại chân công trình, cho phép nghiền tại chỗ các khối bê tông, vật liệu rắn thành các hạt nhỏ 3x4cm và cát mịn mà không cần tập kết ra bãi phế liệu. Điều này giúp chủ đầu tư có khả năng tận dụng được 70-100% phế thải xây dựng. Những hạt thành phẩm này có thể dùng làm cấp phối san lấp nền đường, sản xuất gạch lát vỉa hè, đê chắn sóng, thậm chí có thể dùng để chế tạo bê tông tươi.

Một trong những ý tưởng mới được các nhà khoa học ở Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Xây dựng IAB Weimar, Đức tìm ra là tái chế những hạt nghiền này ở cấp độ cao hơn, biến chúng thành những hạt cốt liệu nung rỗng có khối lượng nhẹ, và nhiều tính năng vượt trội. Ý tưởng này đã tiếp tục phát triển và thực hiện thành công khi các nhà khoa học ở Trường ĐH Xây dựng sử dụng vật liệu phá dỡ phế thải xây dựng ở Việt Nam để tạo ra các hạt cốt liệu nung tương tự.

Hạt cốt liệu nung nhẹ sau khi ra lò. Nguồn: NVCC

Nghiên cứu hợp tác giữa Trường ĐH Xây dựng và Viện IAB Weimar được thực hiện trong khuôn khổ chương trình Nghị định thư do Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam tài trợ từ năm 2016, với sự tham gia của Công ty CP Thương mại Dịch vụ và Khoa học kỹ thuật Phúc Tiến là đơn vị nhận chuyển giao công nghệ. Nhiệm vụ này cũng nằm trong định hướng phát triển của Trường ĐH Xây dựng trong việc phát triển các nhóm nghiên cứu mạnh liên ngành và hợp tác với các đối tác chiến lược để đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng và chuyển giao công nghệ hiện đại cho ngành Xây dựng.

“Khi dùng hạt cốt liệu này để chế tạo ra những loại bê tông nhẹ cách âm cách nhiệt có khối lượng nhỏ hơn 30-60% so với gạch xây thông thường, ta có thể giảm chi phí đáng kể trong các công trình xây dựng do giảm được tải trọng tác dụng, qua đó giảm kích thước các kết cấu chịu lực và móng công trình” –Trưởng nhóm nghiên cứu PGS.TS. Nguyễn Hùng Phong, Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, cho biết. Theo thống kê của Viện Vật liệu xây dựng (Bộ Xây dựng), hiện nay đầu tư xây dựng chiếm khoảng 70% đầu tư xã hội của Việt Nam, trong đó vật liệu xây dựng chiếm từ 30-50% tổng đầu tư xây dựng.

“Việc dùng phế thải xây dựng làm đầu vào để sản xuất hạt cốt liệu cũng giúp giảm gánh nặng chôn lấp phế thải và bảo vệ môi trường, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu để chế tạo vật liệu bê tông mà không cần sử dụng, khai thác mới các nguồn tài nguyên tự nhiên như đá, cát, sỏi.” PGS.TS. Phong nói thêm.

Từ hạt cốt liệu nung đến bê tông nhẹ

Mặc dù công nghệ chế tạo các loại hạt cốt liệu nhẹ không quá mới mẻ, nhưng ở Việt Nam đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên sử dụng công nghệ nung và sử dụng đầu vào là phế thải xây dựng. Để làm được điều đó, họ đã tập hợp các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa silicat, vật liệu và kết cấu xây dựng.

Nhóm nghiên cứu đã thu thập các loại vật liệu thô, phân loại và nghiền hỗn hợp đến độ mịn nhỏ hơn 100 µm, cấp phối theo tỷ lệ nhất định, sau đó trộn với các phụ gia phồng nở; vê viên tạo hạt nhỏ dưới 10 mm, sau đó sấy khô và nung đến nhiệt độ khoảng 1200^oC trong thời gian lý tưởng từ 6-9 phút. Kết quả tạo ra các hạt cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 800 kg/m³.

“Do các hạt cốt liệu nhẹ chế tạo từ phế thải xây dựng nên chúng tôi không kì vọng chúng có khả năng chịu lực quá cao.” PGS.TS Phong chia sẻ.“Bù lại, các hạt cốt liệu nhẹ có thể có nhiều ứng dụng khác nhau: các hạt loại thấp có thể dùng làm đất trồng cây để giữ ẩm cùng các chất dinh dưỡng trong các lỗ rỗng của chúng, các hạt chất lượng tốt hơn có thể làm vật liệu cách âm cách nhiệt như gạch chống nóng, tấm vách ngăn; và những hạt có cường độ tốt nhất có thể được sử dụng làm vật liệu chịu lực như tấm sàn bê tông nhẹ. Ngoài ra, các hạt này có thể làm vật liệu lọc trong ngành công nghiệp”.

Từ những hạt vật liệu này, họ đã chế tạo ra 2 loại thành phẩm – một dạng bê tông cách nhiệt có khối lượng thể tích 600-900 kg/m³, và một dạng bê tông nhẹ chịu lực có cường độ chịu nén từ 20-25 Mpa.

Xếp khối mẫu bê tông làm từ hạt cốt liệu nung nhẹ. Nguồn: NVCC

Về mặt công nghệ, mặc dù nắm được quy trình để tạo ra các hạt vật liệu nhẹ, nhưng các chuyên gia cũng thừa nhận rằng việc nung trên cơ sở lò quay vẫn là khâu thách thức nhất hiện nay. Đây là mấu chốt của cả dây chuyền sản xuất cho công suất lớn. Hiện công nghệ chế tạo lò vẫn chưa thể nội địa hóa mà phải nhập khẩu, do vậy chi phí vẫn còn cao. Hơn thế nữa, quy trình đòi hỏi nhiệt độ nung phải trên 1200^oC – tức nhiệt lượng sử dụng khá lớn và có thể khiến tổng chi phí tăng lên. Một số ý kiến phản hồi cũng cho rằng công nghệ nung vẫn có thể tạo ra khí thải nên chưa đủ “xanh” cho môi trường.

Trước những vấn đề đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một số hướng khắc phục, kết hợp với công nghệ môi trường – chẳng hạn tận dụng khí gas từ chất thải hữu cơ làm năng lượng đốt lò – để giảm thiểu tác động, hoặc tạo ra một quá trình sản xuất liên tục để giảm hao phí năng lượng và chi phí vận hành. Trong tương lai, họ cũng xem xét nghiên cứu thêm cách hạ thấp nhiệt độ nung để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm hạt nhẹ này.

Đầu vào cho dây chuyền sản xuất

Hiện nay, nhóm nghiên cứu và Viện IAB Weimar cùng với các đối tác chế tạo máy phía CHLB Đức đã đề xuất một thiết kế dây chuyền thử nghiệm công nghệ sản xuất hạt cốt liệu nhẹ với công suất 2 tấn phế thải đầu vào một giờ, chi phí ước tính khoảng 3 triệu Euro. Công suất này tương đối nhỏ so với quy mô sản xuất đại trà nói chung, nhưng vẫn có khả năng đáp ứng nhu cầu hạt cốt liệu trong nước hoặc xuất khẩu bởi thị trường sản phẩm này còn khá mới mẻ và ít cạnh tranh. Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang tìm kiếm các nhà đầu tư quan tâm nhằm chuyển giao công nghệ và xây dựng nhà máy.

Thực tế, dây chuyền của Viện IAB Weimar và các đối tác tại CHLB Đức đã sản xuất được những hạt cốt liệu thủy tinh có chất lượng cao, từ đó chế tạo ra các tấm nhẹ với nhiều ưu điểm vượt trội, đến mức được một số công ty đóng tàu hoàng gia của Anh sử dụng làm vách ngăn trên tàu. Trong những năm đầu, nhà máy của họ gần như không có sản phẩm bởi thiếu vắng thị trường, nhưng từ trong những năm trở lại đây các đơn đặt hàng liên tục được chuyển tới.

Tuy nhiên, để công nghệ được thực sự ứng dụng hiệu quả ở Việt Nam, nguồn phế liệu đầu vào phải ổn định và có hiệu quả về mặt kinh tế. Điều này liên quan chặt chẽ đến các quy định về quản lý phế thải xây dựng. Đức và nhiều nước châu Âu đã có quy định rõ ràng về phân loại sản phẩm ngay khi phá dỡ ban đầu, bao gồm gạch, vữa, bê tông, sắt, thép, gỗ, kính, nhựa… Tỷ lệ tái chế vật liệu xây dựng của họ đạt mức từ 50-90%. Thậm chí giá thành vật liệu tái chế đã thấp hơn so với chi phí chôn lấp. Do vậy, họ có nhiều điều kiện để nghiên cứu và phát triển ngành công nghiệp tái chế.

Ngược lại ở Việt Nam, các quy định và cơ sở hạ tầng cho việc phân loại, xử lý bước đầu phế thải xây dựng vẫn còn chưa được chú trọng. Đó cũng là một trong những điểm yếu khiến việc tái chế vật liệu xây dựng nói chungtrong nước chưa thu hút được sự quan tâm của các nhà đầu tư.

Với xu hướng kinh tế tuần hoàn, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng thì những biện pháp tái chế là một trong những chìa khóa không chỉ giúp xử lý các vấn đề hiện tại mà còn đem lại lợi ích phát triển bền vững cho tương lai.