Thế hệ bê tông chịu lửa (BTCL) truyền thống sử dụng chất kết dính thủy hóa (xi măng alumin, alphabond) bộc lộ nhiều nhược điểm. Chúng đòi hỏi quy trình thi công, sấy và nung chặt chẽ về lượng nước trộn, phụ gia điều chỉnh, thời gian đóng rắn cũng như tốc độ gia nhiệt. Đặc biệt, BTCL sử dụng chất kết dính xi măng có độ bền hóa không cao do các sản phẩm sau thủy hóa của xi măng chịu nhiệt kém bền trong môi trường kiềm, khí sulphur hay chlorine. Những năm gần đây, vấn đề tái chế và xử lý rác thải nhằm bảo vệ môi trường đang được Chính phủ, các Bộ, Ngành đặc biệt quan tâm. Xu hướng của ngành công nghiệp xi măng gần đây là thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch bằng các loại nhiên liệu từ rác thải công, nông nghiệp (nhựa, lốp cao su, xơ dừa, vỏ hạt điều, trấu, bã mía, rác thải sinh hoạt...). Điều này không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, vật liệu chịu lửa truyền thống dùng để xây lò quay nung clinker xi măng sử dụng nhiên liệu thay thế, lò đốt rác thải (sinh hoạt, y tế) và lò hỏa táng nhanh chóng bị phá hủy bởi môi trường kiềm, khí sulphur, phốt pho hay chlorine. Để khắc phục những nhược điểm trên, bê tông chịu lửa sử dụng chất kết dính nano silica đang là lựa chọn thích hợp và được tập trung nghiên cứu ứng dụng nhằm thay thế BTCL truyền thống. Ngành công nghiệp xi măng và luyện kim là những ngành tiêu thụ vật liệu chịu lửa lớn nhất, với hàng chục nghìn tấn BTCL cao cấp mỗi năm. Con số này dự kiến sẽ tăng nhanh do xu hướng đầu tư chuyển đổi công nghệ, ưu tiên sử dụng BTCL cao cấp thay thế gạch chịu lửa nhờ những ưu điểm vượt trội: rút ngắn thời gian, linh hoạt trong thi công sửa chữa lò nung; sử dụng được cho các vị trí, cấu kiện dị hình; và tạo ra một thể vật liệu toàn khối vững chắc giúp tăng tuổi thọ cho lò nung. Điều này cho thấy nhu cầu thực tế về BTCL lên tới hàng nghìn tấn/năm.

 

Từ nhu cầu thực tế cùng những ưu điểm trên, việc nghiên cứu chế tạo và đa dạng hóa các chủng loại BTCL là vô cùng cần thiết. Chính vì vậy, TS. Vũ Văn Dũng và các cộng sự tại Viện Vật Liệu Xây Dựng - Bộ Xây dựng đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nano silica (SiO2) làm chất kết dính chế tạo bê tông chịu lửa bền hóa cao cấp”.

BTCL sử dụng chất kết dính nano silica thay thế xi măng, với khoảng 30-50% khối lượng là các hạt nano SiO2 vô định hình có kích thước nano mét (8-30nm). Điều này giúp loại bỏ sự có mặt của ôxít CaO trong thành phần xi măng chịu lửa cao alumin, vốn có xu hướng tạo thành các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp, làm giảm các tính chất quan trọng của BTCL như độ chịu lửa, cường độ chịu uốn, độ bền hóa học và bền sốc nhiệt. Khi kết hợp với tác nhân gel hóa (phụ gia gel hóa), huyền phù nano silica sẽ bị gel hóa, tạo thành chuỗi các mạch nhánh gắn kết với nhau và giải phóng nước. Trong giai đoạn sấy, các nhóm silanol (-Si-OH) trên bề mặt các hạt nano silica sẽ tạo liên kết siloxan (Si-O-Si) với mạng không gian ba chiều, tạo cường độ cơ học cho bê tông sau sấy. BTCL sử dụng chất kết dính nano silica có tính thẩm thấu cao, dễ sấy, không chỉ giảm thiểu các vết nứt, nổ do giãn nở nhiệt mà còn có khả năng kết khối và tạo mulít ở nhiệt độ thấp, cải thiện đáng kể độ bền hóa, bền cơ học và có nhiệt độ sử dụng cao hơn so với BTCL truyền thống.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài đã thu được những kết quả nổi bật sau:

Đề tài đã lựa chọn được các nguyên liệu phù hợp cho bê tông chịu lửa sử dụng chất kết dính nano silica, bao gồm: bô xít lò quay 80% Al2O3, bột chịu lửa hoạt tính (bột ôxit nhôm hoạt tính RA, microsilica), keo nano silica (SiO2 40%) và một số phụ gia (phụ gia phân tán, phụ gia gel hóa).

Cấp phối tối ưu đảm bảo độ chảy cho phối liệu và mật độ cấu trúc tối đa cho bê tông chịu lửa, với tỷ lệ cụ thể: cốt liệu chịu lửa cỡ hạt 1-6 mm: 44%, cốt liệu chịu lửa 0-1 mm: 22%, cốt liệu chịu lửa mịn: 20%, bột chịu lửa hoạt tính: 14%, keo silica: 8%.

Sản phẩm sản xuất thử nghiệm đạt chất lượng tương đương với mẫu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và đáp ứng các chỉ tiêu: cường độ nén sau sấy 110 độ C: 78,5 MPa; cường độ nén sau nung 1000 độ C: 138,0 MPa.

Đề tài đã chế tạo 02 tấn bê tông chịu lửa (BTCL) sử dụng keo silica và ứng dụng vào lò đốt rác thải y tế của Công ty CP Môi trường Đô thị và Công nghiệp 11, cho kết quả thử nghiệm khả quan: sản phẩm không bị mài mòn, bong tróc, nứt vỡ, không bị ăn mòn.

Qua tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm cho thấy bê tông chịu lửa sử dụng keo silica khi được triển khai sản xuất sẽ có ý nghĩa lớn cả về kinh tế lẫn kỹ thuật. Sản phẩm này không chỉ thay thế hàng nhập khẩu, giúp chủ động trong sản xuất mà còn tạo ra một sản phẩm mới với tính năng kỹ thuật cao, có thể ứng dụng cho lò quay nung clinker xi măng (sử dụng nhiên liệu thay thế), lò đốt rác thải (rác sinh hoạt, y tế) và lò hỏa táng.

Dựa trên kết quả nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm tại hiện trường, đề tài nhận thấy tiềm năng lớn của sản phẩm nhưng cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và nâng cao chất lượng để đạt quy mô sản xuất công nghiệp.

Vì vậy, đề tài kiến nghị Bộ Xây dựng cho phép triển khai dự án sản xuất thử nghiệm nhằm hoàn thiện công nghệ. Đồng thời, cần khảo sát thêm các nguồn nguyên liệu trong nước tiềm năng như sạn cao nhôm điện chảy của Công ty Đá Mài Hải Dương và xi măng CA70 của Nhà máy Xi măng Hữu Nghị. Bên cạnh đó, hỗ trợ phổ biến rộng rãi sản phẩm và công nghệ mới này tới các nhà sản xuất và nhà đầu tư. Điều này sẽ thúc đẩy mạnh mẽ sản xuất trong nước, góp phần hạn chế nhập khẩu từ nước ngoài.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21201/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)