Tái chế tro than thay xi măng làm ra bê tông xanh

Hơn 1,2 tỷ tấn tro than được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện than vào năm 2022. Ở Úc, nó chiếm gần 1/5 tổng lượng chất thải và sẽ vẫn còn dồi dào trong nhiều thập kỷ tới, ngay cả khi chúng ta chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo.

Trong khi đó, sản xuất xi măng tạo ra 8% lượng khí thải carbon toàn cầu và nhu cầu về bê tông - sử dụng xi măng làm thành phần chính - đang tăng nhanh.

Để giải quyết trực tiếp cả hai thách thức này, các kỹ sư tại RMIT (Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne - Úc) đã hợp tác với Nhà máy điện Loy Yang và Hiệp hội Phát triển Tro xỉ Úc để thay thế 80% xi măng trong bê tông bằng tro than.

Lượng tro than khổng lồ khoảng 1,2 tỷ tấn thải ra từ các nhà máy nhiệt điện tại nước Úc.

Trưởng dự án RMIT, Tiến sĩ Chamila Gunasekara cho biết điều này thể hiện một bước tiến đáng kể vì các loại bê tông có hàm lượng carbon thấp hiện tại thường có không quá 40% xi măng được thay thế bằng tro.

Gunasekara, từ Trường Kỹ thuật của RMIT, cho biết: “Việc bổ sung các chất phụ gia nano của chúng tôi để thay đổi tính chất hóa học của bê tông cho phép bổ sung nhiều tro hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất kỹ thuật”.

Tìm cơ hội mới ở bể tro thải

Các nghiên cứu toàn diện trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng phương pháp tiếp cận của nhóm cũng có khả năng thu hoạch và tái sử dụng tro thải cấp thấp hơn thường bị bỏ đi được lấy từ các bể chứa bùn than tại các nhà máy điện - với quy trình xử lý trước tối thiểu.

Các nguyên mẫu dầm bê tông lớn đã được tạo ra bằng cách sử dụng cả tro bay và tro ao hồ và cho thấy đáp ứng Tiêu chuẩn Úc về hiệu suất kỹ thuật và các yêu cầu về môi trường.

Gunasekara cho biết: “Thật thú vị khi các kết quả sơ bộ cho thấy hiệu suất tương tự với tro lắng đọng ở bể có chất lượng thấp hơn, có khả năng mở ra một nguồn tài nguyên hoàn toàn mới chưa được sử dụng đúng mức để thay thế xi măng”.

Một khối bê tông thành phẩm tạo ra với chỉ lượng xi măng rất ít, 80% được thay thế bởi tro than.

"So với tro bay, tro ao hồ ít được khai thác trong xây dựng do các đặc tính khác nhau của nó. Có hàng trăm megaton chất thải tro nằm trong các con đập trên khắp Australia và còn nhiều hơn thế nữa trên toàn cầu. Những ao tro này có nguy cơ trở thành mối nguy hiểm cho môi trường và khả năng tái sử dụng tro này làm vật liệu xây dựng ở quy mô lớn sẽ là một thắng lợi lớn."

Công nghệ mô hình mới cho thấy độ bền lâu dài của bê tông carbon thấp

Một chương trình mô hình hóa máy tính thí điểm do RMIT hợp tác với Tiến sĩ Yogarajah Elakneswaran của Đại học Hokkaido phát triển hiện đã được sử dụng để dự báo hiệu suất phụ thuộc vào thời gian của các hỗn hợp bê tông mới này.

Theo Tiến sĩ Yuguo Yu, một chuyên gia về cơ học tính toán ảo tại RMIT, thách thức lâu dài trong lĩnh vực này là tìm hiểu xem các vật liệu mới được phát triển sẽ đứng vững trước thử thách của thời gian như thế nào.

Nhóm các nhà khoa học Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne - Úc (RMIT) tham gia nghiên cứu.

Yu giải thích: “Bây giờ chúng tôi đã tạo ra một mô hình dựa trên vật lý để dự đoán bê tông có hàm lượng carbon thấp sẽ hoạt động như thế nào theo thời gian, điều này mang đến cho chúng tôi cơ hội thiết kế ngược và tối ưu hóa hỗn hợp từ những hiểu biết về số lượng”.

Cách tiếp cận tiên phong này - gần đây đã được công bố trên tạp chí Nghiên cứu Xi măng và Bê tông - cho thấy các thành phần khác nhau trong loại bê tông mới có hàm lượng carbon thấp tương tác như thế nào theo thời gian.

"Ví dụ, chúng tôi có thể thấy các chất phụ gia nano đông kết nhanh trong hỗn hợp hoạt động như một chất tăng cường hiệu suất trong giai đoạn đầu đông kết, bù đắp cho lượng lớn tro bay và tro ao (bùn) đông kết chậm hơn trong hỗn hợp của chúng tôi. ", Gunasekara nói.

"Việc đưa vào các chất phụ gia nano siêu mịn giúp tăng cường đáng kể vật liệu bằng cách tăng mật độ và độ nén."

Mô hình này, với khả năng ứng dụng rộng rãi cho các vật liệu khác nhau, đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới mô phỏng được hỗ trợ kỹ thuật số trong thiết kế và xây dựng cơ sở hạ tầng.

Bằng cách tận dụng công nghệ này, nhóm nghiên cứu hướng tới việc tạo niềm tin cho các hội đồng và cộng đồng địa phương trong việc sử dụng loại bê tông có hàm lượng carbon thấp mới cho các ứng dụng khác nhau.

Nghiên cứu này được thực hiện bởi Trung tâm nghiên cứu chuyển đổi công nghiệp ARC để chuyển đổi tài nguyên chất thải tái chế thành vật liệu kỹ thuật và giải pháp cho nền kinh tế tuần hoàn (TREMS). Được dẫn dắt bởi Giáo sư Sujeeva Setunge của RMIT, TREMS quy tụ các nhà khoa học, nhà nghiên cứu và chuyên gia đầu ngành từ 9 trường đại học Úc và 36 đối tác tiểu bang, ngành và quốc tế để giảm thiểu rác thải chôn lấp và tái sử dụng các vật liệu tái chế cho xây dựng và sản xuất tiên tiến.