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

Định nghĩa và bản chất của xỉ lò cao nghiền mịn

Xỉ lò cao nghiền mịn (Ground Granulated Blast Furnace Slag – GGBFS) là vật liệu dạng bột mịn thu được bằng cách làm nguội nhanh xỉ lò cao ở trạng thái lỏng bằng nước hoặc hơi nước, sau đó sấy khô và nghiền đến độ mịn tương đương hoặc cao hơn xi măng Portland. Đây là một phụ gia khoáng hoạt tính được sử dụng phổ biến trong sản xuất xi măng hỗn hợp và bê tông chất lượng cao. Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện gang trong lò cao, khi quặng sắt, than cốc và đá vôi được nung ở nhiệt độ trên 1400°C.

Về bản chất hóa học, GGBFS là vật liệu có tính chất pozzolanic và hoạt tính thủy lực tiềm tàng, nghĩa là nó không tự phản ứng với nước nhưng có thể tham gia phản ứng tạo gel kết dính khi có mặt các chất kích hoạt kiềm như Ca(OH)₂ sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng Portland. Sản phẩm phản ứng chủ yếu là calcium silicate hydrate (C-S-H) – hợp chất chính tạo nên cường độ và độ bền của bê tông.

GGBFS thường có màu trắng xám hoặc xanh nhạt, mịn và đồng nhất. Nó có tỷ trọng khoảng 2,8–3,0 g/cm³ và độ mịn Blaine thường nằm trong khoảng 4000–6000 cm²/g. Nhờ đặc tính ổn định, không độc hại và không phát thải khí trong quá trình sử dụng, vật liệu này được đánh giá là thân thiện môi trường và là thành phần quan trọng trong vật liệu xây dựng bền vững.

Thành phần hóa học và khoáng vật

Xỉ lò cao nghiền mịn là hỗn hợp của các oxit vô cơ được hình thành trong quá trình luyện gang, chủ yếu bao gồm oxit canxi (CaO), oxit silic (SiO₂), oxit nhôm (Al₂O₃) và oxit magiê (MgO). Thành phần cụ thể phụ thuộc vào loại quặng, tỉ lệ phối liệu và điều kiện vận hành lò cao. Các oxit này kết hợp tạo nên cấu trúc thủy tinh vô định hình – yếu tố quyết định hoạt tính thủy lực của xỉ sau khi nghiền.

Thành phần hóa học trung bình của GGBFS được thể hiện trong bảng dưới đây:

Thành phần hóa học	Khoảng hàm lượng (% khối lượng)	Vai trò chính
CaO	30–45%	Tạo phản ứng thủy hóa và hình thành C-S-H
SiO₂	30–40%	Tham gia phản ứng pozzolanic với Ca(OH)₂
Al₂O₃	5–15%	Tăng khả năng kháng sunfat, cải thiện độ bền hóa
MgO	5–10%	Tăng độ bền thể tích và ổn định cấu trúc

Tỷ lệ giữa CaO, SiO₂ và Al₂O₃ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phản ứng của GGBFS. Để đánh giá mức độ hoạt tính, người ta sử dụng hệ số kiềm hóa (basicity index) theo công thức: $B = \frac{CaO + MgO}{SiO_2 + Al_2O_3}$ Trong đó, giá trị B nằm trong khoảng 1,0–1,8 thể hiện hoạt tính cao nhất. Khi B < 1,0, xỉ có tính axit và hoạt tính thủy lực thấp.

Về mặt khoáng vật học, phần lớn xỉ lò cao làm nguội nhanh ở dạng vô định hình, tạo nên cấu trúc thủy tinh hóa (vitreous structure) – điều kiện tiên quyết giúp nó phản ứng tốt trong môi trường kiềm. Ngược lại, nếu làm nguội chậm, xỉ sẽ kết tinh thành các pha như melilite, akermanite hoặc gehlenite, làm giảm đáng kể hoạt tính thủy lực.

Quy trình sản xuất xỉ lò cao nghiền mịn

Quy trình sản xuất GGBFS bao gồm ba giai đoạn chính: làm nguội xỉ lỏng, sấy khô và nghiền mịn. Xỉ lò cao dạng lỏng (nhiệt độ 1400–1500°C) được xả ra từ lò luyện gang và làm nguội nhanh bằng nước áp lực cao, tạo thành hạt xỉ nhỏ, xốp, có bề mặt thủy tinh. Quá trình này gọi là “làm nguội tạo hạt” (granulation), giúp bảo toàn cấu trúc vô định hình của vật liệu.

Sau đó, xỉ hạt được tách nước và đưa vào thiết bị sấy bằng khí nóng để loại bỏ độ ẩm còn lại (thường dưới 1%). Tiếp theo, xỉ khô được nghiền trong máy nghiền bi hoặc máy nghiền đứng (vertical roller mill) cho đến khi đạt độ mịn yêu cầu. Độ mịn cao làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, giúp GGBFS hoạt hóa tốt hơn trong quá trình thủy hóa.

Các công đoạn chính được tóm tắt trong bảng sau:

Công đoạn	Mục tiêu	Thiết bị sử dụng
Làm nguội tạo hạt	Bảo toàn pha vô định hình	Hệ thống phun nước áp lực
Sấy khô	Giảm độ ẩm xuống dưới 1%	Buồng sấy quay hoặc khí nóng
Nghiền mịn	Tăng hoạt tính thủy lực	Máy nghiền bi, máy nghiền đứng

Hiện nay, công nghệ nghiền xỉ tiên tiến của Loesche GmbH được áp dụng rộng rãi, giúp giảm tiêu hao điện năng 20–30% so với phương pháp truyền thống, đồng thời đảm bảo độ mịn đồng nhất và ổn định.

Tính chất vật lý và hoạt tính thủy lực

Xỉ lò cao nghiền mịn là vật liệu có bề ngoài tương tự xi măng nhưng cấu trúc hạt khác biệt. Hạt GGBFS có hình dạng không đều, bề mặt nhám và chứa nhiều lỗ rỗng vi mô, giúp tăng khả năng phản ứng trong môi trường kiềm. Tỷ trọng trung bình khoảng 2,9 g/cm³, khối lượng riêng xấp xỉ 1200 kg/m³ ở dạng bột rời.

Về hoạt tính, GGBFS không phản ứng mạnh với nước mà cần môi trường kiềm để kích hoạt. Trong quá trình thủy hóa xi măng Portland, Ca(OH)₂ sinh ra sẽ phản ứng với SiO₂ và Al₂O₃ trong xỉ, hình thành các sản phẩm hydrat hóa tương tự như trong phản ứng của xi măng Portland:

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

Phản ứng này giúp tăng mật độ gel, giảm lỗ rỗng và tăng cường độ bê tông. Ngoài ra, GGBFS còn có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa – đặc biệt hữu ích trong bê tông khối lớn như đập thủy điện hoặc móng công trình. Hoạt tính của xỉ được phân cấp theo tiêu chuẩn ASTM C989: Grade 80, 100 và 120, tương ứng với 75%, 95% và 115% cường độ so với xi măng Portland thông thường sau 28 ngày.

Một số tính chất vật lý cơ bản của GGBFS được thể hiện trong bảng dưới đây:

Tính chất	Giá trị điển hình	Đơn vị đo
Độ mịn (Blaine)	4000–6000	cm²/g
Tỷ trọng	2.8–3.0	g/cm³
Độ ẩm	<1.0	%
Hoạt tính thủy lực (ASTM C989)	Grade 80–120	–

Nhờ các đặc tính này, GGBFS được xem là một trong những vật liệu khoáng hoạt tính quan trọng nhất trong công nghiệp xi măng và bê tông hiện đại, góp phần giảm phát thải CO₂, tăng độ bền và tuổi thọ công trình.

Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

Xỉ lò cao nghiền mịn (GGBFS) là một trong những vật liệu thay thế xi măng Portland hiệu quả nhất hiện nay trong công nghiệp xây dựng. Khi được sử dụng làm phụ gia khoáng, GGBFS có thể thay thế từ 20% đến 70% khối lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông hoặc vữa, tùy vào yêu cầu kỹ thuật của công trình. Tỷ lệ thay thế càng cao, hiệu quả về môi trường và tính bền vững càng lớn, trong khi vẫn đảm bảo hoặc cải thiện chất lượng cơ học lâu dài.

GGBFS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại công trình, đặc biệt là những kết cấu yêu cầu độ bền cao và môi trường khắc nghiệt:

• Bê tông khối lớn: như đập thủy điện, móng cầu, tầng hầm – nhờ đặc tính giảm nhiệt thủy hóa, giảm nguy cơ nứt nhiệt.
• Công trình biển: cầu cảng, kè chắn sóng – nhờ khả năng kháng ion clorua và sunfat tốt, giúp tăng tuổi thọ công trình.
• Cầu đường và hạ tầng: GGBFS giúp cải thiện độ bền và giảm chi phí bảo trì dài hạn.
• Nhà dân dụng: dùng cho bê tông sàn, móng và các cấu kiện đúc sẵn nhằm nâng cao độ bền và hiệu quả kinh tế.

Ngoài ra, GGBFS còn được dùng trong sản xuất xi măng pozzolan hoặc xi măng hỗn hợp (blended cement), phù hợp với tiêu chuẩn EN 197-1 loại CEM II và CEM III. Sản phẩm này có thể tham khảo thêm tại Holcim GGBFS.

Ưu điểm và lợi ích bền vững

Việc sử dụng GGBFS mang lại nhiều lợi ích không chỉ về mặt kỹ thuật mà còn đóng góp đáng kể vào mục tiêu phát triển bền vững trong ngành xây dựng. Một trong những lợi ích nổi bật là giảm lượng phát thải khí CO₂ trong quá trình sản xuất vật liệu.

Theo nghiên cứu đăng trên Journal of Cleaner Production, việc thay thế 50% xi măng bằng GGBFS trong hỗn hợp bê tông có thể giảm tới 40–45% lượng phát thải CO₂ trên mỗi mét khối bê tông sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ngành vật liệu xây dựng là một trong những ngành phát thải carbon lớn nhất thế giới.

Các lợi ích cụ thể khi sử dụng GGBFS:

1. Giảm tác động môi trường: tận dụng phế thải công nghiệp, giảm khai thác nguyên liệu mới, giảm năng lượng sản xuất.
2. Nâng cao chất lượng công trình: tăng độ bền hóa học, giảm thấm nước, tăng tuổi thọ sử dụng.
3. Tối ưu chi phí lâu dài: giảm chi phí bảo trì, sửa chữa do giảm hư hỏng sớm và tăng ổn định cấu trúc.

Sự kết hợp giữa hiệu quả kinh tế và môi trường khiến GGBFS ngày càng được ưu tiên sử dụng trong các dự án đạt chuẩn xanh như công trình đạt chứng chỉ LEED, LOTUS hoặc EDGE.

So sánh với các loại phụ gia khoáng khác

Bên cạnh GGBFS, một số loại phụ gia khoáng khác cũng được sử dụng phổ biến trong sản xuất bê tông như tro bay (fly ash) và silica fume. Mỗi loại có đặc tính hóa học, kích thước hạt và hoạt tính pozzolanic khác nhau, dẫn đến ảnh hưởng khác biệt đến tính chất của bê tông.

Bảng dưới đây trình bày so sánh tổng quan giữa ba loại phụ gia chính:

Tiêu chí	Xỉ lò cao (GGBFS)	Tro bay (Fly ash)	Silica fume
Hàm lượng SiO₂	30–40%	40–60%	85–95%
Kích thước hạt	10–50 µm	20–100 µm	0.1–1 µm
Hoạt tính pozzolanic	Trung bình–cao	Trung bình	Rất cao
Ảnh hưởng đến màu bê tông	Ít	Trung bình	Cao
Khả năng kháng sunfat	Rất tốt	Khá	Tốt

Tùy vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện môi trường, việc lựa chọn loại phụ gia phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế bê tông hiệu quả và bền vững.

Tiêu chuẩn kỹ thuật và kiểm soát chất lượng

Để đảm bảo hiệu quả sử dụng và độ ổn định của bê tông, xỉ lò cao nghiền mịn cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Trên thế giới, các tiêu chuẩn phổ biến bao gồm:

• ASTM C989 (Hoa Kỳ): phân loại GGBFS thành ba cấp: Grade 80, 100, 120 dựa trên cường độ nén sau 28 ngày.
• EN 15167-1 (Châu Âu): yêu cầu về độ mịn, hàm lượng oxit, độ ẩm, clo và khả năng phản ứng kiềm.
• TCVN 11586:2016 (Việt Nam): quy định về yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử nghiệm GGBFS dùng trong vữa và bê tông.

Các thông số kiểm soát chất lượng quan trọng bao gồm: độ mịn Blaine, hàm lượng SO₃, độ ẩm, hàm lượng kiềm tự do và chỉ số hoạt tính thủy lực. Việc giám sát chặt chẽ các chỉ tiêu này giúp đảm bảo GGBFS tương thích tốt với xi măng Portland và các vật liệu khác trong hỗn hợp bê tông.

Thách thức và hướng nghiên cứu mới

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc sử dụng GGBFS trong thực tế vẫn gặp một số thách thức, như sự biến động về chất lượng nguồn xỉ, chi phí nghiền và vận chuyển cao, hoặc ảnh hưởng đến thời gian ninh kết của bê tông nếu không được phối trộn hợp lý. Ngoài ra, nguồn cung xỉ còn phụ thuộc nhiều vào ngành luyện kim, khiến khả năng mở rộng quy mô gặp giới hạn.

Hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào tối ưu hóa tính chất của GGBFS và mở rộng ứng dụng như:

• Kết hợp GGBFS với nano-silica, xỉ thép hoặc tro trấu để nâng cao hoạt tính và độ bền kết cấu.
• Ứng dụng GGBFS trong bê tông in 3D, vật liệu geopolymer và vữa tự lèn.
• Thực hiện đánh giá vòng đời (LCA) để xác định tác động môi trường toàn diện.

Những nỗ lực này không chỉ giúp mở rộng phạm vi ứng dụng mà còn góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm trong toàn chuỗi cung ứng vật liệu xây dựng.

Tài liệu tham khảo

1. Scrivener, K. et al. (2018). "Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO₂ cement-based materials industry." Cement and Concrete Research. DOI
2. Loesche GmbH. "Grinding of Mineral Materials." Link
3. Holcim. "Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS)." Link
4. ASTM International. "ASTM C989 / C989M – 18." Link
5. European Committee for Standardization (CEN). "EN 15167-1:2006." Link
6. Journal of Cleaner Production. "GGBFS in Sustainable Concrete." DOI
7. TCVN 11586:2016. "Xỉ hạt lò cao nghiền mịn dùng cho bê tông và vữa." Link