Phát triển vật liệu SCMs hiệu suất cao từ xỉ thép lò hồ quang điện

1. Giới thiệu

Trong bối cảnh ngành xây dựng đang hướng tới phát triển bền vững và giảm phát thải khí CO2, việc sử dụng vật liệu khoáng thay thế (Supplementary Cementitious Materials – SCMs) đang trở nên ngày càng quan trọng. Trong đó, xỉ thép lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace – EAF slag) được xem là nguồn SCMs tiềm năng nhưng chưa được khai thác đúng mức.

Bài viết này tập trung phân tích khả năng phát triển vật liệu SCMs hiệu suất cao từ xỉ thép EAF, đánh giá các đặc tính vật liệu, khó khăn kỹ thuật, đề xuất hướng đi và ứng dụng thực tiễn trong ngành xi măng. Thông tin được tham khảo và đối chiếu từ các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM C618 (tro bay và pozzolan tự nhiên), ASTM C989 (xỉ hạt lò cao nghiền mịn), ASTM C1240 (silica fume), cùng các tiêu chuẩn TCVN như TCVN 4030:2003 (phương pháp xác định độ mịn xi măng), TCVN 6260:2009 (xi măng poóc lăng hỗn hợp) và TCVN 6882:2001 (phân tích hóa học).

2. Xỉ thép EAF và tiềm năng làm SCMs

Xỉ thép EAF là sản phẩm phụ sinh trong quá trình luyện lại thép phế liệu trong lò hồ quang điện. Tại Việt Nam, với xu hướng tăng cường tái chế thép, lượng xỉ thép EAF ngày càng nhiều, trung bình 120-150 kg xỉ/tấn thép. Tuy nhiên, phần lớn xỉ thép đang bị đắp để, chôn lấp hoặc chỉ dùng làm vật liệu làm đường, chưa tối ưu hóa về hiệu suất và giá trị gia tăng.

Xỉ thép có đặc tính khoáng học giàu CaO, SiO2, Fe2O3, Al2O3 – tương đương nhiều loại SCMs truyền thống như xỉ hạt lò cao (GGBFS) hay tro bay. Tuy nhiên, sự biến đổi khoáng và độ kiềm cao khiến xỉ thép chưa thể sử dụng ngay trong xi măng mà cần quy trình hoá già, nghiền mịn, điều chỉnh pha trước khi đưa vào công thức.

3. Các giải pháp xử lý xỉ thép làm SCMs hiệu suất cao

a) Nghiền mịn để tăng cường hoá hoạt động

Xỉ thép sau khi nguội rất cứng, do đó cần thiết bị nghiền chính xác cao (như nghiền bi hai ngăn, nghiền rung hoặc nghiền siêu mịn bằng tia điện). Kích thước hạt cần đạt dưới 45 µm, phù hợp với yêu cầu độ mịn theo TCVN 4030:2003 và ASTM C204. Việc giảm kích thước hạt giúp tăng diện tích bề mặt riêng, thúc đẩy phản ứng pozzolanic.

b) Hoá già để ổn định thành phần khoáng

Xỉ thép thường chứa CaO tự do và MgO chưa phản ứng, dễ gây trương nở trong môi trường kiềm. Quy trình hoá già (aging/curing) thường được thực hiện bằng cách ủ ẩm trong điều kiện được kiểm soát từ 28–90 ngày để giảm hoạt tính của các pha phản ứng mạnh. Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp tái nung (remelting) kết hợp làm nguội nhanh (quenching) bằng nước hoặc khí để tăng tỷ lệ pha vô định hình (glassy phase), qua đó cải thiện hoạt tính pozzolanic. Quá trình remelting giúp phá vỡ mạng lưới tinh thể ban đầu, trong khi quenching tạo điều kiện cho cấu trúc amorphous phát triển—đây là yếu tố then chốt để cải thiện độ hoạt tính của xỉ.

c) Granulation – Làm nguội tạo hạt nhanh

Thay vì làm nguội chậm (air cooling), có thể sử dụng công nghệ phun nước áp lực để tạo hạt xỉ (granulated slag), tương tự như xỉ hạt lò cao, giúp tăng độ phản ứng. Công nghệ granulation giúp tránh sự kết tinh quá mức, giữ lại pha vô định hình nhiều hơn. Tuy nhiên, EAF slag vốn có xu hướng kết tinh nhanh nên cần kiểm soát nhiệt độ và áp suất chặt chẽ trong quá trình này để đảm bảo hiệu quả.

d) Kết hợp với SCMs khác

Việc phối trộn xỉ thép với các vật liệu như tro bay (theo ASTM C618), xỉ hạt lò cao (ASTM C989) hoặc silica fume (ASTM C1240) giúp điều chỉnh độ kiềm tổng thể, giảm hàm lượng kim loại nặng và tăng độ bền lâu dài cho vật liệu xi măng/bê tông.

4. Đánh giá tính chất xi măng khi dùng xỉ thép làm SCMs

Cường độ sớm và dài hạn: Khi xử lý đúng quy trình, xi măng pha xỉ thép có thể đạt cường độ sớm đạt yêu cầu của TCVN 6260:2009 cho mác PCB40, và cường độ dài hạn tăng do sự phát triển thêm khoáng C-S-H.
Độ bền sulfat và clorua: Tính chống xâm thực cao hơn nhờ vi cấu trúc đặc và hàm lượng Ca(OH)2 tự do thấp.
Giảm phát thải CO2: Việc thay thế một phần clinker bằng xỉ thép giúp giảm đáng kể lượng phát thải CO2, phù hợp với mục tiêu Net Zero trong ngành xi măng.

5. Khó khăn và hướng xử lý

Tính đồng nhất nguồn nguyên liệu: Xỉ thép có thành phần dao động lớn tùy thuộc công nghệ luyện và tạp chất. Cần thiết lập hệ thống kiểm soát chất lượng khoáng/hóa định kỳ theo TCVN 6882:2001 hoặc tương đương ISO 13356.
Chi phí nghiền cao: Do xỉ rất cứng và mài mòn thiết bị nhanh, cần đầu tư máy nghiền chịu mài mòn cao và công nghệ tách từ (magnetic separation) để loại bỏ sắt dư.
Thiếu tiêu chuẩn đồng bộ: Hiện chưa có tiêu chuẩn TCVN chính thức cho việc sử dụng EAF slag làm SCMs trong xi măng. ASTM C618 và C989 chưa công nhận EAF slag trong danh mục SCMs tiêu chuẩn. Cần nghiên cứu xây dựng bộ tiêu chuẩn quốc gia mới cho EAF slag dựa trên đặc điểm khoáng học và hoá học đặc thù của loại vật liệu này.

6. Triển vọng và ứng dụng thực tiễn

Nhiều nghiên cứu quốc tế (vd. A. M. Rashad, 2018; S. Kumar et al., 2020) đã chứng minh xỉ thép sau xử lý đúng quy trình có thể thay thế 10–30% khối lượng xi măng trong vữa và bê tông mà không ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng. Các kết quả cho thấy khả năng cải thiện độ bền nén, giảm thấm ion clorua và tăng khả năng chống xâm thực trong môi trường biển hoặc nước thải. Tại Việt Nam, nếu thiết lập được mô hình hợp tác giữa nhà máy thép – doanh nghiệp xi măng – viện nghiên cứu, thì hoàn toàn có thể xây dựng chuỗi giá trị tuần hoàn, biến chất thải thành nguyên liệu SCMs hiệu quả.

7. Kết luận

Xỉ thép lò hồ quang điện, nếu được xử lý và ứng dụng đúng cách, có thể trở thành nguồn SCMs hiệu suất cao giúp giảm clinker, giảm phát thải và hướng đến nền sản xuất xi măng bền vững. Trong tương lai, cần xây dựng tiêu chuẩn quốc gia riêng, hoàn thiện quy trình xử lý phù hợp điều kiện Việt Nam, và tạo liên kết chuỗi cung ứng nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi vật liệu này trong ngành công nghiệp xây dựng.

Tham khảo từ nhiều nguồn.