» Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Pennsylvania (Mỹ) vừa phát triển thành công một loại bê tông thế hệ mới có khả năng hấp thụ CO₂ vượt trội và sử dụng ít xi măng hơn nhưng vẫn đảm bảo độ bền tiêu chuẩn. Vật liệu này không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong các công trình xây dựng bền vững và phục hồi hệ sinh thái biển.
Bê tông xanh, bê tông hấp thụ CO₂ hay bê tông sinh học không còn là khái niệm viễn tưởng. Khi áp lực cắt giảm phát thải ngày càng lớn, đặc biệt với ngành Xi măng vốn là lĩnh vực tiêu tốn năng lượng và phát thải cao, việc đổi mới vật liệu xây dựng trở thành ưu tiên sống còn. Loại bê tông mới do các nhà khoa học tại Mỹ phát triển mang đến một giải pháp giúp giảm lượng xi măng, tăng khả năng hấp thụ carbon, đồng thời mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong cả xây dựng dân dụng lẫn hạ tầng biển.
Bê tông và bài toán phát thải: Cơ hội từ đổi mới vật liệu
Biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng đặt ngành Xây dựng, đặc biệt là xi măng và bê tông trở thành tâm điểm của áp lực cắt giảm phát thải. Bê tông, vật liệu nền tảng cho hầu hết công trình hiện đại từ nhà ở đến cầu đường, hiện đang góp phần tạo ra tới 9% lượng khí nhà kính toàn cầu, phần lớn đến từ quy trình sản xuất xi măng. Đây là một nghịch lý đáng chú ý: vật liệu từng giúp xây dựng nền văn minh giờ lại đang đẩy môi trường vào khủng hoảng.
Để giải bài toán này, các nhà khoa học tại Đại học Pennsylvania đã kết hợp công nghệ in 3D, vật liệu hóa thạch tảo vi sinh và thiết kế hình học sinh học để tạo ra loại bê tông thế hệ mới. Vật liệu này không chỉ nhẹ, chắc chắn, mà còn hấp thụ CO₂ tốt hơn nhiều lần so với bê tông truyền thống.
Thành phần cốt lõi trong công thức là đất tảo cát (diatomaceous earth – DE), loại bột khoáng tự nhiên từ vỏ hóa thạch của tảo cổ đại. Giáo sư Shu Yang - người đứng đầu nhóm nghiên cứu và là chuyên gia về khoa học vật liệu tại Đại học Pennsylvania đã phát hiện ra tiềm năng đặc biệt của DE trong việc tạo ra một loại bê tông in 3D vừa nhẹ vừa có khả năng hấp thụ CO₂ hiệu quả. Cấu trúc xốp như bọt biển của DE giúp hấp thụ CO₂ trong quá trình bê tông đóng rắn, đồng thời cải thiện độ ổn định khi in 3D. Khi được trộn đúng tỷ lệ với nước và chất kết dính, DE tạo ra bê tông vừa có độ chảy lý tưởng cho in 3D, vừa tăng độ bền nhờ khả năng tạo kết tủa canxi cacbonat trong quá trình đông cứng.
Điểm đặc biệt là loại bê tông này có thể hấp thụ lượng CO₂ cao hơn tới 142% so với bê tông truyền thống, sử dụng ít xi măng hơn mà vẫn đáp ứng tiêu chuẩn chịu nén. Các thử nghiệm còn cho thấy khi tối ưu thiết kế kết cấu, vật liệu tăng thêm 30% hiệu suất hấp thụ CO₂ mà không ảnh hưởng đến độ bền.
Mô hình in 3D thiết kế bề mặt tối thiểu tuần hoàn 3 chiều (TPMS).
Tối ưu cấu trúc để tiết kiệm vật liệu, tăng hấp thụ CO₂
Ngoài vật liệu DE, nhóm nghiên cứu còn ứng dụng các cấu trúc hình học tối ưu lấy cảm hứng từ tự nhiên gọi là TPMS (triply periodic minimal surfaces). Đây là dạng bề mặt liên tục không có điểm gãy, thường xuất hiện trong san hô, xương và vỏ sinh vật biển. Ưu điểm lớn là diện tích bề mặt cao, khối lượng nhỏ, độ cứng phân bố đồng đều.
Sử dụng công cụ đồ họa tĩnh học (graphic statics), nhóm kiến trúc sư và kỹ sư có thể tính toán lực truyền trong kết cấu để đảm bảo bê tông vừa chắc chắn, vừa nhẹ. Khi in 3D, các hình dạng TPMS được chia lớp và đùn thành từng mảng bê tông có độ bền vượt trội so với khối bê tông đặc. Kết quả, kết cấu TPMS giữ được đến 90% cường độ chịu nén của bê tông đặc nhưng lại tiết kiệm tới 68% vật liệu và có tỷ lệ hấp thụ CO₂ cao hơn 32% trên mỗi đơn vị xi măng.
Đáng chú ý, nhờ cấu trúc mở và xốp, loại bê tông này còn giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí hoặc nước biển là yếu tố quan trọng để hấp thụ carbon hiệu quả hơn.
Tiềm năng ứng dụng cho lĩnh vực xây dựng và môi trường
Nhóm nghiên cứu đang mở rộng thử nghiệm quy mô lớn hơn với các cấu kiện như sàn nhà, tường mặt dựng, tấm chịu lực, và đặc biệt là các công trình hạ tầng biển. Tính thân thiện sinh học và khả năng hỗ trợ bám dính giúp bê tông DE-TPMS trở thành lựa chọn lý tưởng cho rạn nhân tạo, nền đá san hô, bãi nuôi hàu, và các dự án phục hồi sinh thái dưới nước.
Ngoài ra, nhóm cũng đang nghiên cứu hướng đi mới, thay thế hoàn toàn xi măng bằng các chất kết dính khác như vật liệu hoạt hóa kiềm hoặc hệ magie, thậm chí tận dụng chất thải công nghiệp làm nguyên liệu phản ứng.
Giáo sư Shu Yang chia sẻ, khi chúng tôi ngừng coi bê tông là vật liệu tĩnh và bắt đầu nhìn nhận nó như một hệ vật liệu động, phản ứng với môi trường, thì cánh cửa cho những đột phá mới đã mở ra.
dịch từ Techxplore
