EN
Lượng carbon hàm chứa và cường độ năng lượng trong sản xuất thép cầu
Dấu chân carbon của thép kết cấu, cáp neo, và các hợp kim cường độ cao
Thép gần như là xương sống của việc xây dựng cầu, dù mức độ ô nhiễm phát sinh từ các loại vật liệu khác nhau có thể thay đổi khá nhiều. Thép kết cấu thông thường tạo ra khoảng 1,8–2,3 tấn CO2 trên mỗi tấn thép được sản xuất, tương đương với việc lái xe khoảng 5.000 dặm bằng một chiếc ô tô thông thường, theo nghiên cứu của Global Efficiency Intelligence thực hiện năm ngoái. Các dây cáp neo (stay cables) được sử dụng trong nhiều cây cầu lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Được chế tạo từ các hợp kim đặc biệt có độ bền cao, chúng đòi hỏi các quy trình xử lý nhiệt cường độ cao, làm gia tăng lượng khí thải carbon của chúng lên từ 40% đến 60% so với các dầm thép thông thường. Dù những vật liệu tiên tiến này giúp kỹ sư xây dựng được những nhịp cầu dài hơn, nhưng chúng cũng đi kèm với chi phí nhất định, bởi các nhà sản xuất phải duy trì kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong suốt quá trình sản xuất và thực hiện thêm nhiều bước phụ trợ — tất cả những yếu tố này đều góp phần làm gia tăng tác động môi trường tổng thể. Vì vậy, loại thép được lựa chọn cho một dự án cụ thể thực sự đặt nền móng cho mức độ thân thiện với môi trường của toàn bộ công trình, ngay từ trước khi bất kỳ hoạt động thi công thực tế nào bắt đầu tại hiện trường.
Vai trò của lò cao so với lò hồ quang điện trong phát thải thép dùng cho cầu
Hầu hết thép nguyên chất vẫn được sản xuất trong lò cao, nhưng các quy trình truyền thống này thải ra lượng khí thải cao hơn khoảng 70% so với lò hồ quang điện. Lò cao hoạt động bằng cách đốt than cốc trong lò cốc ở nhiệt độ vượt quá 1.200 độ C, từ đó tạo ra khoảng 2,2 tấn khí carbon dioxide cho mỗi tấn thép thô được sản xuất. Ngược lại, lò hồ quang điện áp dụng một phương pháp hoàn toàn khác: chúng nung chảy phế liệu kim loại tái chế bằng điện. Khi các hệ thống này được vận hành bằng năng lượng tái tạo, lượng khí thải có thể giảm từ một nửa đến ba phần tư. Các nhà thầu xây dựng cầu thường ưu tiên sử dụng thép từ lò cao cho các bộ phận kết cấu chịu lực quan trọng do yêu cầu về độ tinh khiết, tuy nhiên những kỹ thuật mới hơn sử dụng lò hồ quang điện kết hợp với sắt khử trực tiếp (DRI) đang dần đáp ứng được các tiêu chuẩn ASTM A709 tương đương trong khi phát thải ít hơn. Hiện nay, ngành công nghiệp đang chứng kiến một quá trình chuyển đổi, trong đó các nhà sản xuất có thể giảm dấu chân môi trường mà không cần hy sinh các yêu cầu về chất lượng hay độ bền.
Tác động của Thi công Tại Hiện Trường: Thiết bị, Hậu cần và Gián đoạn Hệ sinh thái Sông
Cần cẩu, sà lan và tường vây chạy bằng diesel: tiêu thụ nhiên liệu và tác động đến môi trường sống dưới nước
Trong các dự án xây dựng cầu, máy móc hạng nặng như cần cẩu bánh xích và máy đóng cọc tiêu thụ một lượng lớn nhiên liệu diesel. Theo số liệu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) năm 2023, một số cần cẩu thực tế tiêu thụ từ 50 đến 75 gallon mỗi ngày, điều này đồng nghĩa với việc chúng thải ra lượng lớn khí carbon dioxide và oxit nitơ vào khí quyển. Xem xét các con số từ Bộ Tư lệnh Kỹ sư Lục quân Hoa Kỳ, ta thấy lượng phát thải oxit nitơ hàng tháng từ các dự án xây dựng trên sông dao động trong khoảng từ 15 đến 30 tấn. Ngoài ô nhiễm không khí, còn có nhiều tác động môi trường khác nữa. Khi các sà lan di chuyển và các tường vây chống thấm (cofferdam) được lắp đặt, những hoạt động này gây ra các vấn đề cho hệ sinh thái nước. Lượng trầm tích bị khuấy động làm giảm khả năng tiếp nhận ánh sáng của thực vật dưới nước; tiếng ồn từ thi công làm gián đoạn quá trình sinh sản của cá; và hiện tượng xói mòn bờ sông làm thay đổi nơi cư trú của các sinh vật nhỏ bé. Nghiên cứu được thực hiện vào năm 2022 đối với các công trình cầu dọc theo sông Ohio cho thấy quần thể sinh vật đáy đã giảm khoảng 12 phần trăm trong thời gian ngắn tại các khu vực đang tiến hành thi công tích cực.
Phát thải từ vận chuyển các bộ phận cầu tiền chế và tiếp cận hiện trường
Việc vận chuyển những dầm thép tiền chế lớn chiếm khoảng 60% tổng lượng phát thải phạm vi 3 (Scope 3) trong các dự án xây dựng, theo Cơ quan Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA). Có một số yếu tố thực sự ảnh hưởng đến con số này. Thứ nhất là khoảng cách vận chuyển: khi di chuyển một dầm nặng 100 tấn trên quãng đường 200 dặm, riêng lượng khí thải CO₂ đã lên tới khoảng 1,8 tấn. Thứ hai là độ tuổi của đội xe: các xe tải cũ thường thải ra lượng bụi mịn nhiều hơn khoảng 35% so với các mẫu xe mới đạt tiêu chuẩn Euro VI. Và cũng đừng quên những gì xảy ra ngay tại công trường: những xe trộn bê tông đứng không hoạt động thực tế chiếm tới 20% tổng lượng phát thải từ phương tiện di động ngay tại hiện trường. Theo nghiên cứu của Hội đồng Nghiên cứu Giao thông Quốc gia Hoa Kỳ (NCHRP) năm 2023, việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa quy trình vận chuyển vật liệu từ điểm A đến điểm B có thể giảm phát thải tới 18%. Việc chuyển sang vận tải đường sắt thay vì đường bộ trở nên đặc biệt hiệu quả khi khoảng cách vận chuyển vượt quá 80 dặm, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu gần hai phần ba.
So sánh Đánh giá Vòng đời: Cầu Thép so với Các Giải pháp Thay thế
Các giai đoạn Đánh giá Vòng đời (LCA) áp dụng cho cơ sở hạ tầng cầu: từ khai thác vật liệu đến cuối vòng đời
Đánh giá vòng đời (LCA) hoặc các đánh giá LCA về cơ bản đo lường mức độ gây hại đối với môi trường của các loại cầu khác nhau ở mọi giai đoạn tồn tại của chúng. Hãy hình dung như sau: chúng ta bắt đầu bằng việc khai thác nguyên liệu thô như quặng sắt và đá dăm, sau đó chuyển sang các quy trình sản xuất, vận chuyển mọi thứ khắp nơi, thực tế xây dựng cầu, để cầu vận hành trong hàng thập kỷ, và cuối cùng tháo dỡ cầu khi nó không còn sử dụng được nữa. Tuy nhiên, cầu thép lại có một ưu điểm nổi bật: khi đến cuối vòng đời, phần lớn thép được tái chế lại. Hiệp hội Thép Thế giới cho biết khoảng 90% lượng thép được tái sử dụng theo một cách nào đó. Và cũng đừng quên yếu tố bảo trì. Cầu thép thường có tuổi thọ vượt xa mốc dự kiến là 100 năm, đồng thời chỉ cần rất ít bảo dưỡng so với các lựa chọn khác trên thị trường.
Cầu thép so với cầu bê tông và cầu gỗ khối: Các yếu tố đánh đổi về CO2, năng lượng và độ bền
Theo nghiên cứu của Niu và Fink năm 2019, các cầu thép thường có lượng carbon hàm chứa thấp hơn khoảng 15–20% so với các cầu bê tông cốt thép tương ứng trên mỗi mét chiều dài nhịp cầu. Đối với các cầu làm từ gỗ khối (mass timber), mức giảm còn ấn tượng hơn nữa, khi lượng khí thải carbon dioxide có thể giảm tới 30%, bởi vì cây cối tự nhiên hấp thụ CO₂ trong quá trình sinh trưởng. Tuy nhiên, các công trình bằng gỗ cũng tồn tại một hạn chế: chúng cần được xử lý hóa chất để tăng độ bền và nói chung đòi hỏi bảo trì hoặc thay thế thường xuyên hơn so với các vật liệu khác — điều này thực tế làm gia tăng tác động môi trường của chúng theo thời gian. Thép nổi bật nhờ khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng chịu ngập lụt vượt trội, do đó những cây cầu này không cần xây dựng lại thường xuyên. Hơn nữa, thép sở hữu tỷ lệ cường độ trên trọng lượng rất cao, cho phép các kỹ sư thiết kế các nhịp cầu dài hơn mà ít gây xáo trộn đến môi trường sống ven sông trong suốt quá trình thi công. Các nghiên cứu đánh giá toàn bộ vòng đời cho thấy rằng các cầu thép được sản xuất với hàm lượng tái chế cao nhất sẽ tiêu thụ ít năng lượng nhất trong vòng 100 năm, khi tính đến toàn bộ chi phí bảo trì, tuổi thọ sử dụng và các hoạt động xử lý cuối vòng đời.
Các Chiến Lược Giảm Thiểu Bền Vững cho Các Dự Án Cầu Có Tác Động Thấp
Tối ưu hóa thiết kế, sản xuất theo mô-đun và giảm thiểu chất thải trong thi công cầu
Khi nói đến thiết kế cầu, tối ưu hóa cấu trúc (topology optimization) thực tế có thể giảm lượng thép sử dụng khoảng 15 đến thậm chí 25 phần trăm, đồng thời vẫn đảm bảo toàn bộ kết cấu đạt yêu cầu về độ an toàn. Điều này đồng nghĩa với việc giảm tổng lượng carbon hàm chứa (embodied carbon) của toàn bộ dự án. Bên cạnh đó, phương pháp thi công theo mô-đun được thực hiện tại nhà máy—nơi có khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều so với thi công ngoài hiện trường—giúp các nhà sản xuất áp dụng các phương pháp sản xuất tinh gọn (lean methods), từ đó cắt giảm đáng kể lượng khí thải ngay tại nguồn và đẩy nhanh tiến độ thi công một cách rõ rệt. Bản thân các cấu kiện bê tông đúc sẵn cũng rất ấn tượng: theo báo cáo từ những dự án cơ sở hạ tầng quy mô lớn gần đây được triển khai trên nhiều khu vực khác nhau vào năm 2024, tỷ lệ phế thải vật liệu thép khi sản xuất các cấu kiện này thấp hơn 5 phần trăm. Và điều này hiển nhiên dẫn đến việc giảm số chuyến vận chuyển ra hiện trường, đồng thời giảm nhu cầu sử dụng máy móc chạy bằng diesel hoạt động liên tục cả ngày dài.
Tính tuần hoàn: tái sử dụng, tái chế và nguồn cung thép phát thải thấp cho các cây cầu trong tương lai
Khi thép kết cấu được tái sử dụng, nó vẫn giữ lại khoảng 95% độ bền ban đầu sau khi được cải tạo. Điều này có nghĩa là các kỹ sư thực tế có thể tháo dỡ những dầm lớn từ các cây cầu cũ không còn cần thiết và đưa chúng trở lại phục vụ ở những công trình khác. Con số này còn ấn tượng hơn khi xem xét quy trình sản xuất thép: lò hồ quang điện sử dụng phế liệu kim loại thải ra lượng khí carbon dioxide ít hơn khoảng 70% so với lò cao truyền thống. Hiện nay, các tiêu chuẩn ngành đang thúc đẩy việc sử dụng ít nhất 50% vật liệu tái chế trong thép dùng cho xây dựng cầu mới — một mục tiêu được hỗ trợ bởi các dự án thí điểm đang kiểm tra công nghệ khử quặng sắt bằng hydro. Ngoài ra, còn một khía cạnh khác: nhờ hệ thống theo dõi thích hợp trong suốt vòng đời, phần lớn các cây cầu khi đến cuối tuổi thọ khai thác sẽ đạt tỷ lệ tái chế lên tới 98%. Điều này biến những công trình hạ tầng từng chỉ nằm yên thành những tài nguyên có giá trị gia tăng theo thời gian — về cơ bản, tạo nên những kho vật liệu xây dựng khổng lồ sẵn sàng để tái sử dụng bất cứ khi nào cần.