Bê tông carbon thấp là gì? Giải pháp giảm phát thải CO₂ trong bê tông

Bê tông carbon thấp (low-carbon concrete) không phải là một loại bê tông có công thức cố định. Đây là cách tiếp cận thiết kế và sản xuất bê tông nhằm giảm lượng phát thải khí nhà kính so với một mức tham chiếu phù hợp, đồng thời vẫn đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ bền, tính công tác và điều kiện thi công của công trình.

Điểm quan trọng nằm ở hai vế: giảm carbon nhưng không đánh đổi yêu cầu kỹ thuật. Vì vậy, bê tông carbon thấp không đơn giản là giảm thật nhiều xi măng hoặc thay một thành phần trong cấp phối. Bài toán thực tế liên quan đồng thời đến vật liệu kết dính, cấp phối, phụ gia, kiểm soát chất lượng, yêu cầu thiết kế và cả cách đo lường tác động môi trường.

Đây cũng là cách National Ready Mixed Concrete Association (NRMCA) tiếp cận vấn đề: giảm dấu chân carbon của bê tông cần được thực hiện thông qua nhiều nhóm giải pháp khác nhau nhưng vẫn phải bảo toàn các tiêu chí performance của bê tông.

Bê tông carbon thấp là gì?

Bê tông carbon thấp là bê tông được thiết kế hoặc sản xuất với mục tiêu làm giảm Global Warming Potential – GWP, hay tác động gây nóng lên toàn cầu, so với một mức baseline phù hợp.

Nói cách khác, “carbon thấp” là một khái niệm có tính so sánh.

Một hỗn hợp bê tông không thể được gọi là carbon thấp chỉ vì:

• sử dụng ít xi măng hơn;
• có tro bay hoặc xỉ trong cấp phối;
• sử dụng cốt liệu tái chế;
• hoặc được gắn nhãn “xanh”.

Muốn đánh giá mức giảm carbon một cách có cơ sở, cần biết hỗn hợp đó đang được so sánh với baseline nào, trong phạm vi đánh giá nào và bằng chỉ số nào.

Đồng thời, bê tông vẫn phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hạng mục. Một cấp phối có GWP thấp hơn nhưng không đạt cường độ, độ bền hoặc khả năng thi công cần thiết thì không thể xem là một giải pháp phù hợp.

Bê tông carbon thấp, bê tông xanh và bê tông bền vững có giống nhau không?

Ba khái niệm này có liên hệ chặt chẽ nhưng không hoàn toàn đồng nghĩa.

Có thể hiểu bê tông carbon thấp là một hướng cụ thể nằm trong bức tranh lớn hơn của bê tông xanh và xây dựng bền vững.

Nếu muốn tìm hiểu ở cấp độ rộng hơn về thiết kế, vật liệu, vòng đời công trình và các tác động môi trường, có thể xem thêm nội dung về xây dựng bền vững.

Trong khi đó, khi bàn riêng về carbon phát sinh từ khai thác nguyên liệu, sản xuất, vận chuyển, thi công và các giai đoạn vòng đời của vật liệu, cần phân biệt với khái niệm carbon tích lũy – embodied carbon.

Carbon của bê tông đến từ đâu?

Để giảm carbon, trước hết phải xác định carbon được tạo ra ở đâu.

Xi măng và clinker là một mắt xích quan trọng

Bê tông được tạo thành từ nhiều thành phần như chất kết dính, nước, cốt liệu và các loại phụ gia. Trong đó, sản xuất xi măng – đặc biệt là clinker – là một trong những nguồn phát thải quan trọng.

Quá trình này vừa cần nhiệt độ cao để sản xuất clinker, vừa phát sinh CO₂ từ các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa nguyên liệu.

Vì vậy, một trong những hướng lớn của bê tông carbon thấp là:

giảm lượng clinker cần thiết cho một đơn vị bê tông nhưng vẫn bảo đảm các đặc tính yêu cầu của hỗn hợp.

Ấn phẩm chuyên ngành của Bộ Xây dựng về “Bê tông carbon thấp” cũng đề cập đến các hướng như nâng cao hiệu quả sản xuất xi măng – clinker – bê tông, sử dụng vật liệu thay thế, ứng dụng công nghệ carbon và tối ưu thiết kế, thi công.

Carbon không chỉ đến từ xi măng

Nếu nhìn theo vòng đời, carbon của bê tông còn chịu ảnh hưởng bởi:

• nguồn và cách sản xuất nguyên vật liệu;
• năng lượng sử dụng;
• vận chuyển;
• thành phần cấp phối;
• tổng lượng bê tông sử dụng cho công trình;
• quá trình thi công;
• vòng đời sử dụng và xử lý cuối vòng đời.

Do đó, giảm carbon của bê tông không nên được hiểu đơn giản là “giảm xi măng”. Đây là bài toán tối ưu toàn hệ thống.

Những giải pháp chính giúp giảm carbon của bê tông

Không có một giải pháp duy nhất có thể áp dụng cho mọi cấp phối và mọi công trình. NRMCA đưa ra 10 nhóm biện pháp khác nhau, từ QC, thiết kế, xi măng, SCM, phụ gia đến đặt mục tiêu GWP và lưu giữ CO₂. [1]

Xét theo cách dễ áp dụng hơn, có thể nhóm các hướng này thành 5 nhóm chính.

1. Giảm nhu cầu clinker bằng xi măng hỗn hợp và vật liệu bổ sung

Một trong những hướng quan trọng nhất là sử dụng Supplementary Cementitious Materials – SCM, tức các vật liệu có thể tham gia vào hệ chất kết dính cùng với xi măng Portland.

Các SCM thường được nghiên cứu và sử dụng gồm:

• tro bay;
• xỉ lò cao nghiền mịn;
• silica fume;
• pozzolan;
• metakaolin;
• một số vật liệu khoáng khác tùy điều kiện nguồn cung.

Nguyên lý tổng quát là giảm tỷ lệ thành phần có footprint cao trong hệ chất kết dính bằng những vật liệu thay thế phù hợp, qua đó có khả năng giảm GWP của bê tông.

Trong một ví dụ của NRMCA, việc chuyển từ hệ chất kết dính 100% Portland cement sang cấp phối có 50% fly ash/slag có thể giảm carbon footprint khoảng 40%. Tuy nhiên, con số này chỉ là ví dụ trong bối cảnh nghiên cứu được tài liệu đưa ra, không phải tỷ lệ thiết kế hay mức giảm mặc định có thể áp dụng cho mọi bê tông.

Tỷ lệ SCM thực tế phải xem xét đồng thời:

• yêu cầu cường độ;
• tốc độ phát triển cường độ;
• độ bền;
• môi trường sử dụng;
• loại vật liệu;
• độ ổn định của nguồn cung;
• cấp phối cụ thể;
• tiến độ thi công.

Vì vậy, câu hỏi đúng không phải là “dùng càng nhiều tro bay/xỉ càng tốt”, mà là tỷ lệ nào phù hợp với performance yêu cầu và mang lại mức giảm GWP có thể xác minh.

2. Tối ưu cấp phối và sử dụng phụ gia phù hợp

Phụ gia hóa học cũng có thể đóng vai trò trong thiết kế bê tông carbon thấp.

Ví dụ, phụ gia giảm nước có thể giúp giảm lượng nước cần thiết để đạt một mức tính công tác nhất định. Khi điều kiện cấp phối cho phép, điều này có thể tạo cơ hội tối ưu lượng chất kết dính trong hỗn hợp mà vẫn duy trì cường độ và khả năng thi công.

Mối quan hệ có thể hình dung như sau:

phụ gia phù hợp → giảm nhu cầu nước → tối ưu hệ chất kết dính → duy trì tính công tác và cường độ → có khả năng giảm GWP.

Điều đó không có nghĩa mọi phụ gia đều mặc nhiên làm bê tông “xanh”. Hiệu quả phụ thuộc vào mục tiêu sử dụng, tính tương thích giữa các vật liệu và toàn bộ cấp phối.

Người đọc muốn tìm hiểu sâu hơn về vai trò, nhóm và cách lựa chọn có thể tham khảo bài phụ gia bê tông.

3. Kiểm soát chất lượng để hạn chế overdesign không cần thiết

Đây là một yếu tố rất dễ bị bỏ qua khi nói về giảm carbon của bê tông.

Bê tông không được thiết kế đúng bằng cường độ yêu cầu rồi kỳ vọng mọi mẻ đều cho kết quả hoàn toàn giống nhau. Trong thực tế luôn tồn tại biến động từ nguyên vật liệu, quá trình sản xuất, vận chuyển, lấy mẫu và thử nghiệm.

Vì vậy, nhà sản xuất cần thiết kế cường độ trung bình cao hơn cường độ yêu cầu với một mức dự phòng phù hợp. NRMCA gọi khoảng chênh này là overdesign.

Khi quá trình sản xuất có độ biến động lớn, mức dự phòng cần thiết có thể tăng lên. Khi đó, nhà sản xuất có thể phải sử dụng nhiều chất kết dính hơn để duy trì xác suất bê tông đạt yêu cầu.

Ngược lại, hệ thống QC ổn định giúp:

• kiểm soát nguyên vật liệu tốt hơn;
• duy trì độ chính xác của cân định lượng;
• theo dõi cấp phối và kết quả thử nghiệm;
• hạn chế biến động giữa các mẻ;
• sử dụng dữ liệu lịch sử để tối ưu thiết kế hỗn hợp.

NRMCA minh họa rằng khi overdesign được giảm nhờ kiểm soát chất lượng tốt, lượng chất kết dính cần thiết và GWP cũng có thể giảm.

Điểm đáng chú ý ở đây là:

Giảm carbon của bê tông không chỉ là bài toán vật liệu. Chất lượng và độ ổn định của quá trình sản xuất cũng có thể ảnh hưởng đến lượng vật liệu cần dùng.

4. Tối ưu yêu cầu thiết kế và lượng bê tông sử dụng

Giảm carbon cũng có thể bắt đầu trước khi bê tông được sản xuất.

Nếu một cấu kiện được thiết kế lớn hơn mức cần thiết, tổng lượng vật liệu sử dụng sẽ tăng. Ngược lại, tối ưu kết cấu có thể giảm tổng khối lượng bê tông mà vẫn đáp ứng yêu cầu an toàn và sử dụng.

Một vấn đề khác là yêu cầu performance cao hơn thực tế cần thiết.

Ví dụ, một cấp phối bị yêu cầu đạt cường độ rất sớm có thể cần phương án chất kết dính khác so với một cấu kiện chỉ cần đạt yêu cầu tại tuổi muộn hơn. Trong một số trường hợp, việc cho phép đánh giá cường độ ở tuổi lớn hơn có thể tạo thêm không gian sử dụng SCM.

Tuy nhiên, đây là điểm phải đặc biệt thận trọng:

Nhà sản xuất bê tông không tự ý thay đổi mác, cấp độ bền, tuổi kiểm tra hoặc yêu cầu thiết kế của kết cấu.

Mọi thay đổi phải được xem xét trong phạm vi hồ sơ thiết kế, yêu cầu dự án, tiêu chuẩn áp dụng và thẩm quyền của các bên liên quan.

Để hiểu rõ hơn vì sao cường độ không phải con số “càng cao càng tốt”, có thể tham khảo bài mác bê tông và cấp độ bền.

5. Tái sử dụng vật liệu và ứng dụng công nghệ lưu giữ CO₂

Một hướng khác là tận dụng cốt liệu từ bê tông cũ, tăng hiệu quả vòng đời vật liệu và nghiên cứu các công nghệ cố định CO₂.

Trong bê tông đã đóng rắn, carbonation – cacbonat hóa là quá trình CO₂ từ môi trường xâm nhập vào bê tông và phản ứng với một số sản phẩm thủy hóa của xi măng để tạo thành các carbonate.

Quá trình này cho thấy bê tông có khả năng hấp thụ một phần CO₂ trong vòng đời. Tuy nhiên, mức hấp thụ phụ thuộc nhiều yếu tố như:

• độ rỗng;
• độ ẩm;
• diện tích bề mặt tiếp xúc;
• thành phần chất kết dính;
• xử lý bề mặt;
• điều kiện môi trường;
• thời gian.

Do đó, không nên diễn giải thành “bê tông tự hấp thụ lại toàn bộ CO₂ đã phát thải”.

Ngoài carbonation tự nhiên, một hướng đang được nghiên cứu là carbon mineralization, dưỡng hộ bằng CO₂ hoặc đưa CO₂ vào quá trình sản xuất để cố định carbon dưới dạng khoáng.

Tại Việt Nam, Bộ Xây dựng đã nghiệm thu một nhiệm vụ nghiên cứu do Viện Vật liệu xây dựng thực hiện về sử dụng CO₂ trong sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn. Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ dưỡng hộ CO₂ có khả năng cố định một phần CO₂ và đồng thời cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu trong phạm vi nghiên cứu. [2]

Làm thế nào biết bê tông thực sự “carbon thấp”?

Một sản phẩm không nên được gọi là carbon thấp chỉ dựa trên mô tả marketing. Muốn so sánh có cơ sở cần có phương pháp đánh giá phù hợp.

Ba khái niệm thường xuất hiện là GWP, EPD và LCA.

GWP – Global Warming Potential

GWP là chỉ số biểu thị tác động gây nóng lên toàn cầu của lượng khí nhà kính phát sinh, quy đổi về CO₂ tương đương – CO₂e.

Đối với bê tông, GWP có thể được dùng để so sánh tác động carbon giữa các phương án khi:

• sử dụng cùng phạm vi đánh giá;
• cùng đơn vị khai báo;
• có baseline phù hợp;
• và dữ liệu được lập theo phương pháp tương thích.

Vì vậy câu hỏi “bê tông này phát thải bao nhiêu?” chưa đủ. Cần hỏi thêm:

Bao nhiêu kg CO₂e trên đơn vị nào và trong phạm vi vòng đời nào?

EPD – Environmental Product Declaration

EPD – Tuyên bố sản phẩm môi trường – là tài liệu cung cấp dữ liệu định lượng về tác động môi trường của một sản phẩm dựa trên phương pháp đánh giá vòng đời và các quy tắc công bố xác định.

EPD rất hữu ích để tăng tính minh bạch, nhưng có EPD không đồng nghĩa sản phẩm mặc nhiên là “xanh” hoặc carbon thấp.

Muốn so sánh các EPD vẫn phải xem:

• phạm vi;
• đơn vị khai báo;
• Product Category Rules;
• thời gian và nguồn dữ liệu;
• các module vòng đời được tính.

LCA – Life Cycle Assessment

LCA – đánh giá vòng đời – là phương pháp dùng để đánh giá các tác động môi trường của sản phẩm, vật liệu hoặc công trình trong một phạm vi vòng đời xác định.

Có thể phân biệt ngắn gọn: