Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại vật liệu xi măng có cấu trúc phân lớp lấy cảm hứng từ kỹ thuật tạo bánh ngàn lớp. Phương pháp cán và gấp nhiều lần giúp vật liệu đạt độ dai phá hủy riêng cao hơn đáng kể so với mẫu xi măng đúc thông thường, đồng thời giảm mạnh khả năng truyền nhiệt.
Nghiên cứu tập trung vào việc kiểm soát cấu trúc bên trong vật liệu xi măng thay vì chỉ thay đổi thành phần hoặc bổ sung vật liệu gia cường. Bằng phương pháp cán và gấp nhiều lần, nhóm nghiên cứu tạo ra các lớp xi măng song song xen kẽ với những mặt phân cách yếu và khoảng rỗng dạng phiến, qua đó tác động đồng thời đến quá trình phát triển vết nứt và truyền nhiệt trong vật liệu.
Tạo cấu trúc phân lớp bằng phương pháp cán và gấp
Vật liệu xi măng thông thường có đặc tính giòn, khiến vết nứt có thể phát triển nhanh khi vật liệu chịu tải. Các phương pháp như bổ sung sợi hoặc vật liệu gia cường có thể cải thiện khả năng chống phá hủy, nhưng đồng thời có thể làm tăng độ phức tạp của thành phần và quy trình chế tạo.
Thay vì chỉ tập trung vào thành phần vật liệu, nhóm nghiên cứu lựa chọn kiểm soát cấu trúc bên trong bằng cách tạo ra các lớp vật liệu có trật tự. Phương pháp này tạo ra vật liệu xi măng cấu trúc phân lớp (PPAC), trong đó các lớp xi măng được bố trí song song, giữa các lớp hình thành các mặt phân cách yếu và các khoảng rỗng dạng phiến.
Vật liệu được chế tạo từ xi măng portland PO 42.5, nước máy và hydroxypropyl methylcellulose (HPMC). HPMC giúp hỗn hợp hồ xi măng có đủ độ dẻo để thực hiện quá trình biến dạng và tạo hình.
Hồ xi măng ban đầu được cán thành một lớp có chiều dày khoảng 20 mm, sau đó phủ dung dịch sodium alginate lên bề mặt. Sodium alginate là một loại polymer có nguồn gốc sinh học, có khả năng liên kết nhanh với các ion canxi trong hồ xi măng để hình thành hydrogel.
Sau khi phủ sodium alginate, lớp vật liệu được cắt làm đôi, xếp chồng lên nhau rồi tiếp tục cán về chiều dày ban đầu. Quy trình này được lặp lại nhiều lần. Nhóm nghiên cứu cho biết có thể thực hiện tới 7 chu kỳ cán và gấp trong khoảng 30 phút trong khi vật liệu vẫn duy trì được tính toàn vẹn.
Quy trình chế tạo vật liệu xi măng cấu trúc phân lớp (PPAC) bằng phương pháp cán và gấp, đồng thời cho thấy cấu trúc phân lớp và hiện tượng lệch hướng vết nứt khi chịu uốn. (Nguồn: Xia K., Chen Y., et al.)
Trong quá trình biến dạng lặp lại, các lớp hydrogel bị phá vỡ có kiểm soát tại những vị trí nhất định, tạo điều kiện hình thành liên kết cơ học giữa các lớp nhưng vẫn duy trì các mặt phân cách yếu. Sau khi vật liệu được làm khô trong điều kiện thường và hấp thụ nước, các lớp hydrogel chuyển thành những màng mỏng, đồng thời hình thành các khoảng rỗng dạng phiến bên trong cấu trúc.
Kết quả là vật liệu có hệ thống lớp xi măng và khoảng rỗng được sắp xếp có trật tự. Đây là yếu tố quan trọng tạo nên sự khác biệt về cơ học và truyền nhiệt so với mẫu xi măng đúc thông thường.
Cấu trúc phân lớp kiểm soát quá trình phát triển vết nứt
Điểm đáng chú ý của PPAC là cấu trúc phân lớp không chỉ tạo ra các khoảng rỗng giúp hạn chế truyền nhiệt mà còn tác động trực tiếp đến cách vết nứt phát triển bên trong vật liệu.
Trong vật liệu xi măng đúc thông thường, vết nứt có xu hướng phát triển tương đối trực tiếp qua nền vật liệu. Với PPAC, hệ thống các lớp xi măng và mặt phân cách yếu được bố trí song song tạo ra những đường đi khác nhau cho vết nứt. Khi gặp các mặt phân cách này, vết nứt có thể bị lệch hướng hoặc tái khởi phát ở những vị trí khác thay vì tiếp tục mở rộng theo một đường duy nhất.
Cơ chế này làm tăng mức độ phức tạp của đường đi vết nứt và khiến quá trình phá hủy diễn ra qua nhiều cấp độ. Các mặt phân cách yếu cho phép vết nứt chuyển hướng, trong khi những lớp xi măng liên kết với nhau tiếp tục cản trở sự phát triển liên tục của vết nứt.
Nhờ đó, vật liệu có khả năng phân tán năng lượng phá hủy tốt hơn và thể hiện đặc tính phá hủy có tính dẻo rõ rệt hơn so với mẫu xi măng đúc. Các cơ chế lệch hướng và tái khởi phát vết nứt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng chống phát triển vết nứt của cấu trúc phân lớp.
Kết quả thử nghiệm cho thấy độ dai đứt gãy riêng của PPAC đạt tới 91 MPa·mm⁰·⁵/g·cm³, cao khoảng 20 lần so với mẫu xi măng đúc đối chứng. Đây là chỉ tiêu phản ánh khả năng của vật liệu trong việc chống lại sự phát triển của vết nứt. Do đó, mức tăng 20 lần không nên được hiểu là độ bền của vật liệu tăng 20 lần theo mọi phương diện.
Đáng chú ý, độ bền uốn riêng của vật liệu vẫn ở mức tương đương với mẫu xi măng đúc. Điều này cho thấy hiệu quả của cấu trúc phân lớp không chỉ đến từ việc giảm khối lượng hoặc tạo thêm độ rỗng, mà còn liên quan đến cách các lớp vật liệu kiểm soát quá trình phát triển vết nứt.
Cấu trúc này đồng thời tạo lợi thế về khả năng cách nhiệt. Các khoảng rỗng dạng phiến hình thành giữa những lớp vật liệu tạo ra các vùng cản trở quá trình truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt của PPAC đạt 0,38 W/m·K, giảm 68,3% so với mẫu xi măng đúc đối chứng và thấp hơn các vật liệu xi măng nhẹ có khối lượng riêng tương đương.
Như vậy, cùng một thiết kế cấu trúc có thể tác động đồng thời đến hai đặc tính của vật liệu: kiểm soát quá trình phát triển vết nứt và hạn chế truyền nhiệt. Nghiên cứu cũng cho thấy phương pháp cán và gấp có thể được thực hiện ở điều kiện thường, có khả năng mở rộng quy mô và thích ứng với các hình dạng hình học khác nhau.
Tuy nhiên, đây vẫn là kết quả nghiên cứu vật liệu và chưa đồng nghĩa với việc PPAC đã sẵn sàng thay thế các vật liệu xi măng thông thường trong ứng dụng xây dựng. Việc đánh giá độ bền lâu dài, khả năng chịu tải trong các điều kiện thực tế, độ ổn định của cấu trúc phân lớp và hiệu quả kinh tế khi mở rộng quy mô vẫn là những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.
Nguồn tham khảo: Xia K., Chen Y., et al. (2026), Tough, thermal insulating and scalable puff pastry-inspired architected cementitious material via simple rolling-folding, Nature Communications; Azobuild.com.
Cem.Info (TH)
