Cách tạo ra xi măng tốt hơn, “xanh” hơn

Bởi David L. Chandler | phòng tin tức MIT

25/9/2014

Bê tông là loại vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, và cũng là yếu tố đóng góp hàng đầu cho việc nóng lên toàn cầu, tạo ra khoảng 1/10 lượng khí thải công nghiệp gây hiệu ứng nhà kính. Một nghiên cứu mới đưa ra phương án để có thể giảm hơn một nửa lượng khí thải – và cho ra sản phẩm khoẻ hơn, bền hơn.

Khám phá này đến từ bản thống kê chi tiết nhất về cấu trúc phức tạp của xi măng – hỗn hợp của cát, sỏi, nước và xi măng. Xi măng được chế tạo bằng cách nung những vật liệu giàu canxi – thường là đá vôi – với những vật liệu giàu silíc – chủ yếu là đất sét - ở 1500 độ C, tạo ra một khối cứng gọi là “clinker”. Clinker sau đó được nghiền thành bột. Việc loại bỏ Cacbonic khỏi đá vôi, và việc nung xi măng, tạo ra phần lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính của quá trình chế tạo xi măng. Thống kê mới đề xuất việc giảm tỉ lệ của canxi so với silíc không chỉ giảm lượng khí thải, mà còn tạo ra bê tông tốt hơn, khoẻ hơn. Khám phá này được mô tả trong bài viết Nature Communications (Giao tiếp với thiên nhiên) của chuyên gia nghiên cứu Roland Pellenq, giáo sư Krystyn Van Vliet, Franz-Jose Ulm, Sidney Yip và Markus Buehler, và 8 đồng tác giả đến từ MIT và CNRS – Marseille, Pháp.

“Xi măng là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trên trái đất”, Pellenq nói, lưu ý là lượng xi măng được sử dụng hiện nay ước tính gấp 3 lần so với thép. “Không có giải pháp lâu bền nào khác để che chở con người – dễ dàng chuyển từ dạng lỏng thành cứng như đá chỉ trong vòng 10 tiếng ở nhiệt độ phòng. Đó là điều kì diệu của xi măng”. Với xi măng thông thường – Pellenq giải thích – tỉ lệ canxi so với silíc nằm trong khoảng 1,2 tới 2,2, lý tưởng là 1,7. Nhưng cấu trúc phân tử của thành phẩm chưa bao giờ được so sánh chi tiết. Pellenq và đồng sự xâu dựng một cơ sở dữ liệu về tất cả các công thức hoá học, và tìm ra loại hỗn hợp tối ưu lại không phải là loại được sử dụng phổ biến hiện nay, mà là loại có tỉ lệ canxi so với silíc là 1,5. Khi tỉ lệ này thay đổi, ông nói, cấu trúc phân tử của bê tông đã khô sẽ chuyển từ dạng tinh thể được sắp xếp có trật tự sang dạng không có trật tự như thuỷ tinh. Họ tìm ra tỉ lệ 1,5 phần canxi cho mỗi phần silíc là “tỉ lệ kì diệu”, Pellenq nói, bởi với tỉ lệ đó vật liệu có thể đạt được “gấp đôi độ bền của xi măng thông thường, về phương diện cơ học, với một vài thiết kế ở cấp độ phân tử”.

Khám phá này, Pellenq nói thêm, đã “được chứng thực bởi một lượng lớn dữ liệu từ thử nghiệm”. Vì khí thải liên quan đến việc sản xuất bê tông ước tính chiếm 5 đến 10% lượng khí thải công nghiệp gây hiệu ứng nhà kính, ông nói, “bất cứ sự cắt giảm nào về thành phần canxi trong xi măng đều có tác động tới lượng cacbonic”. Trong thực tế, sự giảm thiểu lượng cacbon thải ra có thể lên tới 60%. Ngoài việc tăng cường độ bền cơ học, do vật liệu sẽ giống thuỷ tinh và ít giống tinh thể hơn, sẽ “không còn phần áp lực còn lại trên vật liệu, vì thế nó sẽ bền hơn”.

Thành quả này là kết quả sau 5 năm nghiên cứu của sự hợp tác giữa MIT và CNRS, với Pellenq là người đứng đầu. 2 học viện có một phòng thí nghiệm chung ở MIT với tên gọi khoa học vật liệu đa cấp độ phục vụ năng lượng và môi trường, điều hành bởi Pellenq và Ulm, giám đốc trung tâm nghiên cứu độ bền bê tông của MIT, và tổ chức bởi viện tiên phong năng lượng MIT.

Do sự cải thiện về độ chịu lực, Pellenq cho rằng công thức hoàn chỉnh này sẽ gây hứng thứ với ngành công nghiệp ga và dầu hoả, nơi mà xi măng dùng để bao quanh giếng dầu đóng vai trò quyết định trong việc ngăn ngừa rò rỉ và bục. “Một loại xi măng bền hơn chắc chắn sẽ được họ cân nhắc” Pellenq nói.

Cho tới giờ, công việc mới đang ở bước nghiên cứu cấp độ phân tử. “Tiếp theo, chúng tôi phải chắc chắn rằng những đặc điểm này sẽ đúng với cấp độ cao hơn” – đó là ứng dụng cho thi công, xây nhà và các mục đích khác.

Zdeněk Bažant, giáo sư về xây dựng và môi trường, cơ khí và khoa học vật liệu của đại học Northwestern, người không tham gia nghiên cứu này, nói “Roland Pellenq với nhóm của ông ở MIT đang thực hiện một nghiên cứu mang tính tiên phong, làm sáng tỏ cấu trúc  siêu nhỏ và đặc tính của xi măng ngậm nước”.

Trung tâm nghiên cứu độ bền bê tông được hỗ trợ bởi Hội liên hiệp xi măng Portland và Tổ chức nghiên cứu và đào tạo về bê tông trộn sẵn.

Cập nhật bởi Cost Solutions