» Các nhà khoa học vừa phát triển một loại vật liệu nền xi măng có khả năng tự phục hồi sau nhiều lần xuất hiện vết nứt nhờ bổ sung chỉ 0,13% khối lượng một mạng polymer đặc biệt. Giải pháp này giúp vật liệu khôi phục đáng kể cường độ cơ học mà không cần sử dụng viên nang chứa chất chữa lành hay hệ thống mao dẫn phức tạp, mở ra hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao tuổi thọ công trình và giảm tác động môi trường của ngành xi măng.
Kéo dài tuổi thọ công trình đang được xem là một trong những giải pháp góp phần giảm tiêu thụ xi măng, năng lượng và phát thải CO₂ trong suốt vòng đời xây dựng. Một nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Nature Communications cho thấy chỉ với lượng polymer rất nhỏ, vật liệu nền xi măng có thể tự phục hồi nhiều chu kỳ sau khi nứt, đồng thời vẫn duy trì các đặc tính cơ học và tính công tác gần như không thay đổi.
Sản xuất xi măng hiện chiếm khoảng 8 - 9% lượng phát thải CO₂ do con người tạo ra và tiêu thụ khoảng 2 - 3% tổng năng lượng toàn cầu. Bên cạnh các giải pháp như giảm hệ số clinker, sử dụng nhiên liệu thay thế hay thu giữ carbon, việc kéo dài tuổi thọ kết cấu bê tông cũng được xem là một hướng tiếp cận hiệu quả nhằm giảm tiêu thụ tài nguyên và phát thải CO₂.
Xuất phát từ mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại vật liệu nền xi măng có khả năng tự phục hồi bằng cách bổ sung chỉ 0,13% khối lượng một phức hợp polymer gồm polyacrylic acid (PAA), polyethylene oxide (PEO) và poly ethylenimine (PEI). Các polymer được hình thành ngay trong quá trình trộn hồ xi măng và phân bố đồng đều trong cấu trúc vật liệu mà hầu như không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thủy hóa hay thời gian đông kết.
Cơ chế tự phục hồi dựa trên mạng polymer phân tán
Khác với các công nghệ tự phục hồi sử dụng viên nang hoặc hệ thống mao dẫn, nghiên cứu này bố trí sẵn mạng polymer trong nền xi măng. Khi vật liệu xuất hiện vết nứt, polymer sẽ tự dịch chuyển đến khu vực hư hỏng và hình thành các liên kết giúp kết nối lại hai bề mặt nứt.
Khi xuất hiện vết nứt, sự chênh lệch áp suất trong hệ lỗ rỗng cùng lực mao dẫn sẽ đưa các cụm polymer từ vùng lân cận dịch chuyển đến bề mặt hư hỏng. Tại đây, các liên kết tĩnh điện giữa polymer và ion canxi trong sản phẩm thủy hóa của xi măng kết hợp với các liên kết hydro có khả năng hình thành và tái tạo nhiều lần sẽ giúp hai bề mặt nứt gắn kết trở lại. Nhóm nghiên cứu ví cơ chế này giống như một lớp móc dán phân tử có thể kết nối lại các bề mặt bị tách rời.
Cơ chế tự phục hồi của vật liệu nền xi măng dựa trên liên kết phân tử giữa các mạng polymer.
Quá trình tự phục hồi còn được hỗ trợ bởi phản ứng thủy hóa tiếp tục của xi măng và sự hình thành canxi cacbonat, giúp lấp đầy một phần các khe nứt. Nhờ sự kết hợp giữa hai cơ chế này, vật liệu có thể phục hồi nhiều lần mà không phụ thuộc vào nguồn chất chữa lành chỉ sử dụng một lần như các công nghệ trước đây.
Để xác nhận cơ chế hoạt động, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích và mô phỏng vật liệu hiện đại. Kết quả đều cho thấy polymer có thể tự dịch chuyển trong hệ lỗ rỗng và tập trung tại khu vực hư hỏng sau khi mẫu được bảo dưỡng trong môi trường ẩm.
Hiệu quả phục hồi được duy trì sau nhiều chu kỳ nứt
Các thử nghiệm cho thấy polymer có thể lấp đầy vết nứt sâu khoảng 2 mm chỉ sau khoảng 4 giờ kể từ khi vật liệu bị phá hủy, tương đương tốc độ phục hồi ước tính khoảng 12 mm/ngày trong điều kiện thí nghiệm.
Ở chu kỳ phục hồi đầu tiên, vật liệu lấy lại khoảng 62% cường độ chịu nén ban đầu. Trong 5 chu kỳ tiếp theo, mức phục hồi duy trì trong khoảng 35 - 50%, trong đó đến chu kỳ thứ 6 vẫn đạt khoảng 50%.
Đối với khả năng chịu kéo trực tiếp, vật liệu phục hồi khoảng 59% sau chu kỳ đầu tiên và ổn định quanh mức 30% ở các chu kỳ tiếp theo. Khả năng chịu uốn đạt khoảng 50% sau lần phục hồi đầu và duy trì khoảng 20% sau 4 chu kỳ.
Theo nhóm nghiên cứu, phần lớn các hệ vật liệu tự phục hồi được công bố trước đây chỉ duy trì hiệu quả tối đa khoảng 3 chu kỳ, đồng nghĩa với việc kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy sự cải thiện đáng kể về khả năng phục hồi lặp lại.
Một ưu điểm khác là lượng polymer sử dụng rất thấp. Trong khi nhiều nghiên cứu trước đây cần bổ sung trên 1% polymer, thậm chí có trường hợp chiếm tới 10 - 55% thể tích chất rắn khiến cường độ vật liệu suy giảm, hệ vật liệu mới chỉ sử dụng 0,13% khối lượng nhưng vẫn đạt hiệu quả phục hồi đáng kể.
Các thử nghiệm cũng ghi nhận polymer chỉ làm tăng nhẹ độ nhớt của hồ xi măng và kéo dài thời gian đông kết cuối thêm khoảng 15 phút, từ 6 giờ 15 phút lên khoảng 6 giờ 30 phút. Điều này cho thấy vật liệu gần như vẫn giữ được tính công tác trong quá trình thi công.
Mặc dù kết quả bước đầu rất khả quan, nghiên cứu mới được thực hiện trên vật liệu nền xi măng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu cho rằng cần tiếp tục đánh giá trên bê tông có cốt liệu và trong các điều kiện khai thác thực tế như môi trường khô hạn, chu kỳ đóng băng tan băng, nước biển, môi trường xâm thực hóa học cũng như khả năng chống thấm, bảo vệ cốt thép và độ bền lâu dài.
Nếu được kiểm chứng ở quy mô công trình, giải pháp sử dụng mạng polymer hàm lượng cực thấp có thể trở thành một hướng phát triển mới của vật liệu nền xi măng, góp phần nâng cao tuổi thọ công trình, giảm nhu cầu sửa chữa và tiết kiệm tài nguyên, năng lượng cũng như phát thải CO₂ trong toàn bộ vòng đời khai thác.
Cem.Info
