04/12/2013

Ngành công nghiệp xi măng trên thế giới đang phải đối mặt với những thách thức ngày càng nhiều liên quan đến việc tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng cũng như việc giảm lượng phát thải CO2. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency) đã chỉ rõ trên ‘Bản đồ đường bộ cho Ngành công nghiệp Xi măng’ với các giải pháp chủ yếu cho các nhà sản xuất xi măng chính là việc sử dụng các nhiên liệu thay thế làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu thô và hơn nữa là việc giảm lượng clinker/xi măng sử dụng bằng cách tận dụng các nguyên liệu đã qua thử nghiệm và đã được chứng minh như xỉ, tro bay, puzolan hoặc đá vôi mịn. Điều này cho thấy rằng trong những năm tới xi măng vẫn sẽ phụ thuộc nhiều vào clinker OPC. Các loại xi măng mới do đó ban đầu sẽ gần như chắc chắn phải tính đến các thành phần chính với số lượng lớn hơn bên cạnh clinker mà có các đặc tính puzolan hoặc chịu nhiệt.
Các vật liệu nhân tạo có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên hoặc tài nguyên công nghiệp nhưng lại cần phải được xử lý nhiệt thêm và/hoặc phải có quá trình hoạt hóa. Vấn đề đặt ra ở đây là các loại xi măng dựa vào magiê cacbonat sẽ có vai trò đến mức nào. Mặt khác, các xi măng alumin sunfat liệu có thể có được một vai trò quan trọng không. Đáng tiếc là, do các nguyên liệu riêng cũng như hiệu quả của chúng trong bê tông nên chúng sẽ gần như không thể thay thế thỏa đáng cho xi măng trên các thị trường xi măng hiện nay.
Sản xuất xi măng đã trải qua một quá trình phát triển mạnh mẽ từ cách đây khoảng 2000 năm. Trong khi việc sử dụng xi măng trong bê tông có một lịch sử từ rất lâu rồi, thì sản xuất xi măng mang tính công nghiệp mới được bắt đầu hồi giữa thế kỷ 19, đầu tiên là với các lò đứng. Các lò này sau đó được thay thế bằng các lò quay là thiết bị tiêu chuẩn trên thế giới. Sản lượng xi măng toàn cầu hàng năm đã đạt được khoảng 2,8 tỷ tấn/năm và được dự kiến sẽ vẫn tiếp tục tăng lên tới khoảng 4 tỷ tấn/năm. Mức tăng trưởng chủ yếu được dự báo ở các quốc gia như Trung Quốc và Ấn Độ cũng như ở Trung Đông và Châu Phi (MENA). Đồng thời, ngành công nghiệp xi măng đang phải đối mặt với nhiều thách thức khó khăn như chi phí năng lượng tăng cao, các yêu cầu về giảm lượng phát thải CO2 và các vấn đề về khai thác nguồn nguyên liệu thô đạt yêu cầu chất lượng và khối lượng.
Hội đồng Kinh doanh Thế giới vì sự Phát triển Bền vững và Sáng kiến Phát triển Xi măng Bền vững (CSI), bao gồm các nhà sản xuất xi măng trên toàn thế giới, đã triển khai dự án có tên là “Getting the Numbers Right”, mà lần đầu tiên cung cấp một cơ sở dữ liệu đáng tin cậy cho hầu hết ngành công nghiệp xi măng trên toàn cầu về các vấn đề liên quan đến CO2 và hiệu quả năng lượng.
Quá trình phát triển
Trong khi xi măng sản xuất theo phương pháp truyền thống tập trung chủ yếu vào OPC, các xi măng hỗn hợp và xi măng xỉ lò cao đã được sản xuất và hiện là thành phần chính trong danh mục tài sản xi măng của các nhà sản xuất. Đồng thời, các xi măng đá vôi Portland và puzolan Portland đã chiếm một ưu thế quan trọng, đặc biệt là ở các vùng không có sẵn xỉ hoặc tro bay. Trong bối cảnh mang tính toàn cầu hiện nay liên quan đến việc giảm chi phí và hạn chế lượng phát thải CO2, các nhà sản xuất xi măng đang cố gắng giảm hàm lượng clinker trong các sản phẩm xi măng của họ. Các giới hạn được quy định bởi chất lượng xi măng, do vậy, chất lượng sản phẩm của bê tông hoàn thiện có thể không bị suy giảm.  
Việc giảm lượng clinker trong xi măng chủ yếu là phải tính toán để đưa các thành phần chính đã qua thử nghiệm và thí nghiệm hiệu quả vào sử dụng. Khi mà tính sẵn có của các vật liệu có tính puzolan và thủy lực trong nguồn tài nguyên công nghiệp trên thế giới bị hạn chế thì sự quan tâm đặc biệt sẽ hướng vào các loại xi măng có hàm lượng đá vôi cao.
Đây chính là sự mở rộng cơ bản các tiêu chuẩn xi măng đã được thiết lập hiện có trên thế giới và chắc chắn sẽ tạo ra nhiều cơ hội trong tương lai. Ví dụ, một nghiên cứu được thực hiện theo tiêu chuẩn Châu Âu với tiêu điểm chính nhằm vào sự phát triển cường độ và độ bền của bê tông được sản xuất.
Trong bất cứ trường hợp nào, việc sản xuất các loại xi măng có sử dụng thêm các thành phần đã qua thử nghiệm và thực nghiệm hiệu quả chắc chắn sẽ yêu cầu các biện pháp đảm bảo chất lượng tuyệt hảo khi chúng được thực hiện thành công trong ngành công nghiệp xi măng. Ngoài ra, các đặc tính vốn có của xi măng sản xuất đảm bảo mức lưu lượng khối lớn và tính đồng nhất cao dẫn đến việc tạo ra sản phẩm có chất lượng ổn định.
Thành phần tự nhiên
Toàn bộ các loại xi măng trong tương lai sẽ chắc chắn phải dựa vào các vật liệu sẵn có và đủ cho sử dụng ở trên thế giới. Cụ thể là, CaO, SiO2 cũng như Fe2O3 và Al2O3 chắc chắn là những vật liệu chính xét về khía cạnh này. Magiê oxit có vẻ như sẵn có, kể cả khi các trầm tích có thể không tồn tại ngay sát bề mặt vì các vật liệu này hiện đang được ngành xi măng khai thác. Dựa vào canxi, silic, alumin và sắt, có thể thấy trước được các loại xi măng mới, đầu tiên là xi măng Portland cho đến các xi măng alumin silicat nguyên chất mà chắc chắn sẽ không có đá vôi. Theo quan điểm đối với CO2, đây có thể là một giải pháp hữu ích. Tuy nhiên, các alumin silicat hoặc các geopolymer đã được biết đến đều yêu cầu các chất hoạt hóa để bắt đầu quá trình đóng rắn. Hoạt hóa kiềm cũng là một lựa chọn tiềm tàng. Tuy nhiên, các yêu cầu về năng lượng để tạo ra các chất hoạt hóa này cũng rất có ý nghĩa.
Các yêu cầu đối với các công nghệ kỹ thuật mới
Toàn bộ các loại xi măng đều phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, sự phát triển cường độ, sự phát triển cường độ sớm, tính dễ thi công, chi phí và môi trường. Căn cứ vào thành phần của xi măng, các tiêu chí này có thể đáp ứng được ở các mức độ khác nhau. Nó nằm trong tầm quản lý của nhà sản xuất để tối ưu hóa các loại xi măng khác nhau theo các tiêu chí này. Người tiêu dùng sẽ lựa chọn loại xi măng phù hợp cho thi công chuyên dụng. Đặc biệt đối với các loại xi măng mới sẽ được hình thành trong tương lai, độ bền là một trong số các yêu cầu thiết yếu. Ví dụ như, vấn đề về độ bền cacbonat hóa, khả năng chống thấm chất clorua (chloride) sẽ phải đạt được. Khả năng chịu được nhiệt độ môi trường cao cũng được xác định theo khả năng chịu được băng giá – tan giá.
Trong số các thành phần mà không thể phát triển hết hoàn toàn thành các thành phần xi măng, thì các loại đất sét nung có khả năng đóng một vai trò rất quan trọng. Được biết rằng các vật liệu này mang các đặc tính của puzolan. Tuy nhiên, quá trình nung được xác định chủ yếu bởi nguồn gốc và thành phần của các loại đất sét này. Điển hình là, nhiệt độ nung nằm trong dải từ 7000C  đến 8500C. Tính sẵn có trên quy mô toàn cầu là tốt, cho dù ở một vài quốc gia đất sét không hề có sẵn.
Các puzolan trong tương lai
Mặt khác, các vật liệu puzolan hoặc các vật liệu chịu nước trong tương lai có thể có nguồn gốc từ các phế thải. Người ta biết rằng, các xỉ dạng hạt từ quá trình sản xuất gang đều có tính chịu nước rất cao. Đồng thời, các phế thải thủy tinh với thành phần thích hợp có thể tạo ra các vật liệu chịu nước. Một vài trong số các phế thải này, như các tro than nâu (lignite ash), ở một số quốc gia có đủ hàm lượng can-xi. Một số khác có chứa hàm lượng can-xi thấp có thể sẽ hữu ích cho việc sản xuất ra các puzolan khác.
Các loại xi măng mới trong tương lai
Trong các tài liệu lưu trữ, chỉ thấy một vài báo cáo đề cập đến các loại xi măng mới trên phạm vi nghiên cứu. Ví dụ như, Celitement dựa vào các pha hỗn hợp hiđrosilicat canxi. Quá trình sản xuất diễn ra nhờ quá trình tổng hợp nhiệt thủy và nhờ quá trình nghiền phản ứng đá vôi với thành phần silic. Tỷ lệ Ca/Si thấp hơn so với clinker OPC, dẫn đến lượng phát thải CO2 và các yêu cầu về năng lượng có thể sẽ thấp hơn. Tuy nhiên, hiện vẫn còn quá sớm để đưa ra bất kỳ dự đoán nào về tiềm năng của loại vật liệu kết dính này trong tương lai liên quan đến độ bền, chi phí sản xuất hoặc thậm chí là tiềm năng kỹ thuật đối với việc thay thế thích hợp các loại xi măng hiện có.
Trong khí đó, Novacem đã giới thiệu một loại xi măng dựa vào magiê oxit và các magiê cacbonat thủy lực. Theo Novacem, nguyên liệu thô sẽ phụ thuộc vào các magiê silicat mà sẽ được gia nhiệt và sau đó được cacbonat hóa ở nhiệt độ và áp suất cao. Trong khi các xi măng phụ thuộc vào magiê cacbonat được biết đến trong một thời gian dài, thì vấn đề gợi mở đặt ra ở đây là liệu cuối cùng Novacem có tạo ra được độ bền ổn định để thay thế thỏa đáng xi măng hiện nay không. Novacem cho biết sẽ tiến hành nghiên cứu quan trọng này, tuy nhiên đến nay đã tạo ra được một quá trình rất có ý nghĩa.
Tóm lại, vì những lý do xác đáng, thế giới hiện nay đang chủ yếu dựa vào OPC. Các sản phẩm mới trong tương lai chắc chắn sẽ cân nhắc tới các thành phần chính đã qua thử nghiệm và đã được chứng minh hiệu quả và sẽ tạo ra một hệ số clinker thấp hơn so với hệ số clinker hiện nay.
Các sản phẩm hình thành mới đây nhìn chung đều chưa vượt qua phạm vi nghiên cứu. Ngành công nghiệp xi măng và nhóm nghiên cứu khoa học chắc chắn sẽ rất quan tâm theo đuổi các sản phẩm hình thành mới này. Theo quan điểm hiện nay, một vấn đề gợi mở đặt ra ở đây là liệu các vật liệu mới này có khả năng thay thế cho xi măng đang sử dụng với một số lượng đáng kể không?
  Nguyễn Trung