Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp carbonat hóa bằng siêu âm nhằm kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng trong vật liệu xi măng tạo bọt bằng nước. Thử nghiệm cho thấy vật liệu thu được có cường độ nén riêng đạt 22,5 kN·m/kg, tăng tối đa 162% so với mẫu bê tông bọt đối chứng, đồng thời cải thiện khả năng cản truyền âm và hấp thụ CO₂.
Vật liệu xi măng có cấu trúc rỗng thường gặp thách thức trong việc giảm khối lượng mà vẫn duy trì cường độ cơ học, do các lỗ rỗng lớn và phân bố không đồng đều có thể làm suy yếu kết cấu. Nghiên cứu mới công bố trên Nature Communications khai thác quá trình carbonat hóa kết hợp sóng siêu âm để kiểm soát sự phân bố và trạng thái giam giữ nước trong hồ xi măng, qua đó định hướng hình thành hệ thống lỗ rỗng ở kích thước dưới micromet.
Kết hợp sóng siêu âm và carbonat hóa để kiểm soát cấu trúc vật liệu
Công nghệ carbonat hóa bằng siêu âm để chế tạo vật liệu xi măng có cấu trúc lỗ rỗng siêu mịn, cải thiện cường độ nén riêng và khả năng cản truyền âm. (Nguồn: Nature Peaceful/Shutterstock.com)
Vật liệu xi măng truyền thống thường gặp khó khăn khi cần giảm khối lượng nhưng vẫn duy trì các tính chất cơ học. Nguyên nhân chủ yếu nằm ở khả năng kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng còn hạn chế. Khi tăng độ rỗng để giảm khối lượng, vật liệu có nguy cơ suy giảm cường độ do hình thành các lỗ rỗng lớn, phân bố không đồng đều và những khuyết tật bên trong.
Các phương pháp tạo bọt thông thường có thể hình thành những lỗ rỗng kích thước micromet, làm giảm khả năng liên kết của cấu trúc vật liệu. Trong khi đó, việc sử dụng lượng nước lớn để tạo hệ lỗ rỗng mịn cũng có thể dẫn đến hiện tượng tách nước, khiến cấu trúc hồ xi măng thiếu đồng nhất.
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp carbonat hóa bằng siêu âm, trong đó sóng siêu âm được kết hợp với quá trình đưa CO₂ vào hồ xi măng. Phương pháp nhằm điều chỉnh sự phân bố và trạng thái giam giữ nước trong cấu trúc kết bông của hồ xi măng, qua đó kiểm soát quá trình hình thành mầm và phát triển các sản phẩm phản ứng.
Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong môi trường chất lỏng, thúc đẩy sự phân tán các hạt xi măng và tăng cường vận chuyển CO₂ trong hỗn hợp. Quá trình này hỗ trợ phản ứng carbonat hóa, thúc đẩy hình thành các sản phẩm liên kết giữa những hạt vật liệu. Đồng thời, carbonat hóa góp phần chuyển một phần nước tự do thành nước liên kết, điều chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và hạn chế hiện tượng tách nước.
Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu sử dụng tỷ lệ nước/xi măng 0,80, kết hợp CO₂ có độ tinh khiết trên 99,9% và đầu dò siêu âm dạng sừng titan hoạt động ở tần số 20 kHz. Thời gian xử lý được khảo sát trong khoảng 5 - 20 phút, cùng các thông số như công suất siêu âm, tốc độ cấp CO₂ và tỷ lệ nước/xi măng.
Sau quá trình xử lý, vật liệu được bảo dưỡng và sấy khô để loại bỏ lượng nước còn lại, hình thành cấu trúc lỗ rỗng siêu mịn. Các mẫu được đánh giá thông qua những phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu, bao gồm đo phân bố kích thước lỗ rỗng, kính hiển vi điện tử, thử nghiệm cường độ nén, cường độ uốn và khả năng cản truyền âm.
Kết quả cho thấy mẫu được xử lý bằng siêu âm kết hợp carbonat hóa có cấu trúc lỗ rỗng được tinh chỉnh đáng kể. Trong đó, 96,8% hệ thống lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn 200 nm. Hình ảnh phân tích vi cấu trúc cũng cho thấy mạng lỗ rỗng phân bố mịn, liên kết chặt chẽ hơn, hạn chế sự hình thành các kênh tách nước và cải thiện mức độ đồng nhất của vật liệu.
Cải thiện cường độ nén riêng và khả năng cản truyền âm
Một trong những kết quả đáng chú ý của nghiên cứu là cường độ nén riêng của vật liệu đạt 22,5 kN·m/kg, tăng tối đa 162% so với mẫu bê tông bọt đối chứng được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Đây là chỉ tiêu thể hiện tương quan giữa khả năng chịu nén và khối lượng vật liệu, không phải mức tăng 162% của cường độ nén thông thường.
Theo nhóm nghiên cứu, cấu trúc lỗ rỗng siêu mịn cùng sự liên kết tốt hơn giữa các hạt giúp cải thiện khả năng chịu lực của vật liệu. Bên cạnh cường độ nén, mẫu thử còn cho thấy sự cải thiện về cường độ uốn và độ dai phá hủy. Đường truyền vết nứt trở nên ngoằn ngoèo và ổn định hơn, góp phần hạn chế quá trình lan truyền vết nứt bên trong vật liệu.
Khả năng cản truyền âm cũng được cải thiện đáng kể. So với mẫu bê tông bọt đối chứng trong phòng thí nghiệm, mức tổn thất truyền âm tăng 131,8% tại tần số 2.000 Hz và 107% tại tần số 4.000 Hz. Kết quả này được nhóm nghiên cứu lý giải bằng cấu trúc lỗ rỗng có kích thước nhỏ và đường truyền âm phức tạp hơn, qua đó làm tăng khả năng suy giảm năng lượng âm thanh khi truyền qua vật liệu.
Ngoài các tính chất cơ học và âm học, vật liệu còn thể hiện khả năng hấp thụ CO₂ trong quá trình carbonat hóa. Sau 28 ngày, lượng CO₂ hấp thụ tích lũy đạt 7,11% so với khối lượng xi măng. Đây là kết quả hấp thụ CO₂ trong quá trình xử lý và bảo dưỡng mẫu, chưa đủ cơ sở để kết luận vật liệu có mức phát thải ròng âm hoặc xác định hiệu quả giảm phát thải trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.
Đáng chú ý, phương pháp sử dụng xi măng và nước làm nguyên liệu đầu vào, trong khi CO₂ được đưa vào quá trình carbonat hóa. Theo nhóm nghiên cứu, cách tiếp cận này giúp giảm độ phức tạp của quy trình và cho thấy tiềm năng phát triển theo hướng sản xuất vật liệu.
Tuy nhiên, các kết quả hiện tại mới được xác lập trong điều kiện nghiên cứu và thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm. Khả năng mở rộng quy mô, mức tiêu thụ năng lượng của quá trình siêu âm, chi phí sản xuất cũng như hiệu quả môi trường tổng thể vẫn cần được đánh giá thêm trước khi xem xét ứng dụng thực tế.
Nguồn tham khảo: Nature Communications, Azobuild.
Cem.Info
