Xỉ hạt lò cao nghiền mịn là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Định nghĩa xỉ hạt lò cao nghiền mịn

Xỉ hạt lò cao nghiền mịn (Ground Granulated Blast Furnace Slag – GGBFS) là sản phẩm thu được từ quá trình làm nguội nhanh xỉ lò cao trong trạng thái nóng chảy, sau đó được sấy khô và nghiền mịn đến độ mịn tương đương hoặc cao hơn xi măng Portland thông thường. Đây là một vật liệu dạng bột mịn, màu trắng xám đến xám nhạt, có hoạt tính pozzolanic và thủy hoạt cao, được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng như một loại phụ gia khoáng trong sản xuất bê tông và xi măng.

Xỉ lò cao là sản phẩm phụ phát sinh trong quá trình luyện gang trong lò cao, chiếm khoảng 250–300 kg xỉ cho mỗi tấn gang sản xuất. Khi được xử lý và nghiền mịn đúng cách, xỉ này không chỉ có giá trị sử dụng cao mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường đáng kể. Theo ASTM C989, GGBFS được phân loại theo chỉ số hoạt tính thủy lực, gồm các cấp độ 80, 100 và 120 tương ứng với mức cường độ phát triển so với mẫu xi măng đối chứng.

Việc sử dụng GGBFS giúp giảm hàm lượng clinker trong hỗn hợp xi măng, từ đó giảm đáng kể phát thải CO₂, tiêu hao năng lượng và chi phí sản xuất. GGBFS được công nhận là vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, đồng thời cải thiện đáng kể độ bền lâu dài, khả năng chống ăn mòn, kháng sunfat và giảm nhiệt hydrat hóa cho các khối bê tông lớn.

Quá trình sản xuất xỉ hạt lò cao nghiền mịn

GGBFS được sản xuất qua ba công đoạn chính: thu gom xỉ nóng chảy từ lò cao luyện gang, làm nguội nhanh bằng nước để tạo xỉ hạt dạng thủy tinh, và cuối cùng là nghiền mịn. Xỉ lò cao trong điều kiện thông thường là hỗn hợp nóng chảy gồm chủ yếu là silicat và alumino-silicat canxi, được tách khỏi gang và dẫn ra khỏi lò cao ở nhiệt độ khoảng 1400–1500°C.

Ngay sau khi ra khỏi lò, xỉ nóng được làm nguội nhanh bằng cách phun nước áp lực cao hoặc nhúng vào bể nước, quá trình này gọi là làm nguội “quench”. Việc làm nguội nhanh khiến xỉ không kịp kết tinh, tạo thành cấu trúc thủy tinh vô định hình, là yếu tố quan trọng tạo nên hoạt tính thủy lực của GGBFS. Sản phẩm sau làm nguội là các hạt xỉ dạng cát ẩm, được gọi là xỉ hạt lò cao.

Sau đó, xỉ hạt được tách nước, sấy khô và đưa vào hệ thống nghiền bằng máy nghiền bi hoặc máy nghiền đứng. Quá trình nghiền được kiểm soát để đảm bảo độ mịn bề mặt yêu cầu, thường từ 4000 đến 6000 cm²/g (theo phương pháp Blaine). Mức độ nghiền mịn ảnh hưởng lớn đến khả năng phản ứng và tốc độ phát triển cường độ của vật liệu trong các ứng dụng bê tông và xi măng.

Thành phần hóa học và khoáng vật

Thành phần hóa học của GGBFS phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu đầu vào và quy trình luyện gang, tuy nhiên các thành phần chính thường bao gồm: oxit canxi (CaO), oxit silic (SiO₂), oxit nhôm (Al₂O₃), oxit magiê (MgO), và oxit sắt (Fe₂O₃). Trong đó, hàm lượng CaO và SiO₂ đóng vai trò then chốt trong khả năng phản ứng của vật liệu. Tỷ lệ CaO/SiO₂ thường nằm trong khoảng 1.0–1.6 là lý tưởng cho sự phát triển của sản phẩm hydrat hóa bền vững.

Hầu hết GGBFS có cấu trúc khoáng vô định hình (amorphous), chiếm 85–95% khối lượng, phần còn lại là các khoáng kết tinh như gehlenite, merwinite hoặc mayenite. Chính cấu trúc vô định hình này tạo điều kiện cho phản ứng thủy hoạt khi GGBFS tiếp xúc với môi trường kiềm sinh ra từ quá trình hydrat hóa của xi măng Portland.

Bảng dưới đây thể hiện thành phần hóa học điển hình của GGBFS:

Thành phần	Hàm lượng trung bình (% khối lượng)
CaO	35–45
SiO₂	30–38
Al₂O₃	10–18
MgO	5–10
Fe₂O₃	< 1.0

Hàm lượng kiềm (Na₂O + 0.658 K₂O) và tỷ lệ lưu huỳnh cũng cần được kiểm soát để đảm bảo sự ổn định của sản phẩm bê tông sử dụng GGBFS trong môi trường có tính xâm thực cao như nước biển hoặc đất nhiễm mặn.

Tính chất cơ lý của xỉ hạt lò cao nghiền mịn

GGBFS là một loại bột mịn, có độ mịn tương đương hoặc cao hơn xi măng thông thường, với kích thước hạt nhỏ hơn 45 µm chiếm phần lớn. Đặc tính vật lý của GGBFS ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất công nghệ của bê tông như khả năng chảy, khả năng phát triển cường độ và độ bền lâu dài.

Một số chỉ tiêu kỹ thuật thường gặp của GGBFS bao gồm:

• Khối lượng riêng: 2.85–2.95 g/cm³
• Độ mịn (Blaine): 4000–6000 cm²/g
• Độ ẩm sau sấy: < 1%
• Hàm lượng mất khi nung (LOI): < 3%

Về cơ lý, GGBFS không có khả năng tự đóng rắn như xi măng Portland, mà cần một chất kích hoạt kiềm, thường là canxi hydroxit $Ca(OH)_2$ từ phản ứng thủy hóa của clinker xi măng. Khi được kích hoạt, GGBFS tạo ra các sản phẩm hydrat giống với xi măng, chủ yếu là C-S-H (canxi-silicat-hydrat), góp phần nâng cao độ đặc chắc, giảm thấm nước và tăng độ bền cho cấu kiện bê tông.

Cơ chế phản ứng trong xi măng và bê tông

Khi được sử dụng làm phụ gia khoáng trong bê tông, GGBFS tham gia vào quá trình phản ứng thông qua hai cơ chế chính: phản ứng thủy hoạt trực tiếp và phản ứng pozzolanic thứ cấp. GGBFS không có khả năng tự thủy hóa mạnh mẽ như clinker xi măng Portland, nhưng khi được kích hoạt bởi môi trường kiềm cao (đặc biệt là sự hiện diện của $Ca(OH)_2$ từ thủy hóa xi măng), nó bắt đầu tham gia vào các phản ứng tạo gel C-S-H.

Phản ứng thủy hóa chính của GGBFS trong bê tông là:

$\text{Ca(OH)}_2 + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{C-S-H}$

Trong đó, $C-S-H$ là sản phẩm chính chịu trách nhiệm tạo cường độ cho bê tông. Đồng thời, phản ứng này làm giảm lượng $Ca(OH)_2$ dư thừa, vốn là hợp chất dễ bị hòa tan và phản ứng với môi trường xâm thực như ion sunfat hoặc CO₂, dẫn đến hiện tượng giảm bền hóa học. Do đó, việc thay thế xi măng bằng GGBFS giúp tăng khả năng kháng sunfat, kháng clorua và hạn chế ăn mòn cốt thép.

Bên cạnh đó, GGBFS còn tạo ra các sản phẩm hydrat chứa aluminat như C-A-H và ettringite (trong môi trường sunfat), góp phần ổn định cấu trúc vi mô của bê tông và giảm hiện tượng nứt do biến dạng nhiệt hoặc co ngót. Phản ứng của GGBFS thường chậm hơn so với clinker, nhưng về lâu dài sẽ đóng góp đáng kể vào cường độ và độ bền của kết cấu bê tông.

Ưu điểm khi sử dụng trong xây dựng

Việc sử dụng xỉ hạt lò cao nghiền mịn trong ngành xây dựng mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với việc sử dụng xi măng Portland đơn thuần. Các ưu điểm có thể phân loại theo nhóm kỹ thuật, môi trường và kinh tế như sau:

• Ưu điểm kỹ thuật: GGBFS giúp cải thiện tính làm việc của hỗn hợp bê tông tươi, giảm nhiệt hydrat hóa trong bê tông khối lớn, tăng cường độ lâu dài và khả năng kháng hóa chất.
• Ưu điểm môi trường: Giảm phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất clinker, giảm nhu cầu khai thác nguyên liệu thiên nhiên, tận dụng chất thải công nghiệp.
• Ưu điểm kinh tế: GGBFS thường có giá thành thấp hơn clinker xi măng, kéo dài tuổi thọ công trình nên giảm chi phí bảo trì và sửa chữa.

Các đặc tính nổi bật khi GGBFS được sử dụng trong bê tông:

Thuộc tính	Ảnh hưởng của GGBFS
Khả năng kháng sunfat	Tăng đáng kể
Tính thấm ion Cl⁻	Giảm đến 50–70%
Độ bền hóa học	Cải thiện rõ rệt
Nhiệt sinh trong bê tông khối	Giảm 25–40%
Tuổi thọ công trình	Tăng từ 1.5 đến 2 lần

Những đặc tính trên khiến GGBFS được ưa chuộng trong xây dựng các công trình đập thủy điện, cầu cảng, tầng hầm, bê tông khối lớn và bê tông trong môi trường biển.

Ứng dụng thực tế trong công nghiệp xây dựng

Xỉ hạt lò cao nghiền mịn đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm xi măng và bê tông thương phẩm. Tại Việt Nam, các thương hiệu xi măng lớn như VICEM, INSEE và Xi măng Sông Gianh đã phát triển các dòng sản phẩm chứa GGBFS như xi măng pozzolanic, xi măng hỗn hợp dùng cho bê tông mác cao và bê tông bền sunfat.

GGBFS cũng được trộn trực tiếp vào bê tông thương phẩm với tỷ lệ thay thế xi măng từ 20% đến 50% tùy theo yêu cầu về thời gian đông kết và phát triển cường độ. Các công trình tiêu biểu ứng dụng GGBFS bao gồm nhà máy thủy điện Sơn La, hầm đường bộ Hải Vân, cảng biển Dung Quất, và hàng loạt cầu vượt và tuyến metro tại Hà Nội và TP.HCM.

Việc tích hợp GGBFS vào cấp phối không làm thay đổi quy trình thi công mà còn mang lại khả năng bơm tốt, giảm nứt nhiệt và tăng độ bền kết cấu – các yếu tố then chốt cho công trình hạ tầng hiện đại.

Tác động môi trường và phát triển bền vững

Sử dụng GGBFS là một trong những biện pháp giảm phát thải carbon hiệu quả trong ngành vật liệu xây dựng. Theo ước tính của Global Cement, việc thay thế 1 tấn clinker bằng GGBFS có thể giảm tới 800 kg CO₂ phát thải trực tiếp và gián tiếp. Điều này không chỉ có lợi về môi trường mà còn giúp doanh nghiệp đáp ứng các tiêu chí ESG và kiểm toán carbon.

Xỉ lò cao được xem là chất thải công nghiệp nếu không được xử lý hợp lý. Việc tái chế và sử dụng GGBFS góp phần giảm thiểu chôn lấp, tiết kiệm diện tích đất và hạn chế nguy cơ ô nhiễm nguồn nước. Đồng thời, năng lượng tiêu hao trong quá trình nghiền GGBFS thấp hơn so với sản xuất clinker, giảm áp lực lên tài nguyên năng lượng quốc gia.

GGBFS đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển xi măng carbon thấp của nhiều quốc gia, được khuyến khích bởi các tổ chức như IEA và WBCSD – Cement Sustainability Initiative.

Tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan

Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và trong nước đã được xây dựng để kiểm soát chất lượng GGBFS:

• ASTM C989: Tiêu chuẩn Hoa Kỳ cho xi măng xỉ dùng trong bê tông và vữa, phân loại GGBFS theo chỉ số hoạt tính.
• EN 15167: Tiêu chuẩn Châu Âu quy định yêu cầu về thành phần, độ mịn, thử nghiệm độ bền và sử dụng GGBFS trong bê tông.
• TCVN 11586:2016: Tiêu chuẩn Việt Nam cho xỉ hạt lò cao nghiền mịn dùng trong bê tông và vữa, bao gồm yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử.

Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này giúp đảm bảo tính nhất quán về chất lượng, khả năng tương thích với xi măng Portland và hiệu quả sử dụng trong xây dựng.

Tài liệu tham khảo

1. ASTM C989 – Slag Cement Specification
2. ISO 14021 – Environmental Labels and Declarations
3. Global Cement – Industry News and Insights
4. MDPI Materials – Journal of Construction Materials
5. ScienceDirect – Properties of GGBFS in Concrete
6. Tổng Công ty Xi măng Việt Nam (VICEM)
7. INSEE Vietnam
8. Xi măng Sông Gianh
9. IEA – Cement Technology Roadmap
10. WBCSD – Cement Sustainability Initiative