» Việc bổ sung ống nano carbon (Carbon Nanotubes - CNTs) và tấm nano graphene (Graphene Nanoplatelets - GNPs) vào xi măng không chỉ giúp tăng cường độ bền, mà còn mang đến khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện, mở ra hướng phát triển mới cho hạ tầng thông minh và tiết kiệm năng lượng.
Trong bối cảnh ngành Xây dựng đang tìm kiếm những giải pháp vật liệu bền vững và hiệu quả hơn, công nghệ nano đang trở thành chìa khóa để nâng cấp xi măng truyền thống. Một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nanomanufacturing đã chỉ ra rằng việc ứng dụng ống nano carbon (CNTs) và tấm nano graphene (GNPs) có thể biến xi măng thành vật liệu đa chức năng, không chỉ đảm nhiệm vai trò chịu lực mà còn tham gia vào các hệ thống quản lý năng lượng và cảm biến thông minh trong công trình.
Đặc tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu xi măng được gia cường bằng hạt nano.
Các vật liệu gốc xi măng như bê tông, vữa và hồ xi măng từ lâu đã là nền tảng của ngành xây dựng nhờ khả năng chịu nén cao, chi phí thấp và nguồn cung dồi dào. Tuy nhiên, chúng vẫn tồn tại hạn chế về khả năng chịu kéo và thiếu các đặc tính chức năng, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng. Khi chịu ứng suất kéo, xi măng dễ nứt vỡ, đồng thời không có khả năng dẫn điện hay điều tiết nhiệt, những yếu tố ngày càng quan trọng trong xu hướng xây dựng hiện đại.
Để khắc phục những điểm yếu này, các nhà khoa học đã nghiên cứu giải pháp gia cường bằng vật liệu nano. Trong số đó, ống nano carbon và tấm nano graphene nổi bật với khả năng tăng cường cơ học đồng thời bổ sung tính dẫn điện và dẫn nhiệt cho vật liệu là nền tảng để phát triển các công trình tự cảm biến, tự giám sát và tiết kiệm năng lượng.
Trong nghiên cứu mới, nhóm tác giả đã chế tạo nhiều mẫu vật liệu xi măng khác nhau sử dụng xi măng portland thông thường, nước máy, cát tự nhiên và cốt liệu phân loại, kết hợp với CNTs hoặc GNPs. Các ống nano carbon được chọn có độ tinh khiết trên 97% và tỷ lệ chiều dài/đường kính rất cao; trong khi các tấm graphene có kích thước trung bình 7,2 µm, độ dày 3 nm và gồm 5 - 10 lớp.
Mỗi loại vật liệu nano được pha trộn với chất phân tán theo tỷ lệ khối lượng 1:1. Tổng cộng 7 mẫu phối trộn được phát triển gồm một mẫu xi măng thuần và 6 mẫu được gia cường với các liều lượng khác nhau của CNTs hoặc GNPs (từ 0,2% - 1,2% khối lượng xi măng), tạo nên 28 mẫu thí nghiệm riêng biệt. Các mẻ trộn thử ban đầu được sử dụng để hiệu chỉnh tính công tác và độ đồng nhất của hỗn hợp trước khi đúc khuôn, các mẫu được đúc trong khuôn hình lăng trụ để đo đặc tính dẫn nhiệt và điện.
Kết quả cho thấy cả CNTs và GNPs đều giúp tăng đáng kể độ dẫn điện, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào nồng độ và loại ma trận xi măng. Trong mẫu hồ xi măng, chỉ với 0,6% CNTs, điện trở suất đã giảm gần 3 bậc độ lớn, nhờ mạng lưới dẫn điện được hình thành hiệu quả. Trong khi đó, GNPs cần nồng độ cao gấp đôi (1,2%) mới đạt mức tương tự, cho thấy ngưỡng lan truyền dẫn điện cao hơn. Cả 2 vật liệu cũng làm tăng khả năng dẫn nhiệt, trong đó CNTs thể hiện hiệu suất vượt trội ở liều lượng thấp.
Đối với bê tông là loại vật liệu phức tạp hơn do chứa nhiều cốt liệu và lỗ rỗng, cả CNTs và GNPs đều thể hiện ngưỡng dẫn điện ở mức 1,0%, tại đó điện trở giảm từ 5 - 6 bậc độ lớn. Tuy mức tăng dẫn nhiệt không mạnh bằng, nhưng vẫn cho thấy xu hướng tích cực. CNTs tiếp tục thể hiện hiệu quả cao ở liều lượng vừa phải, còn GNPs bắt đầu theo kịp ở nồng độ cao hơn.
Một phát hiện quan trọng là hiệu quả của vật liệu nano phụ thuộc đáng kể vào loại ma trận xi măng. Với các hệ đơn giản như hồ xi măng, CNTs dễ phân tán hơn và hình thành mạng dẫn hiệu quả nhờ hình dạng sợi dài. Ngược lại, trong bê tông có cấu trúc phức tạp, sự phân tán bị cản trở bởi cốt liệu, khiến hiệu quả giữa CNTs và GNPs trở nên tương đồng.
Kết quả này mở ra hướng đi mới cho ngành Xi măng: biến vật liệu truyền thống thành nền tảng cho các ứng dụng đa chức năng, từ quản lý nhiệt, cảm biến điện trở, đến thu hồi năng lượng. Dù vậy, nhóm nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng vẫn còn nhiều thách thức. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với phương pháp phân tán tối ưu, chưa phản ánh đầy đủ điều kiện thi công thực tế. Để ứng dụng rộng rãi, cần phát triển kỹ thuật phân tán quy mô lớn, kết hợp nhiều loại vật liệu nano và kiểm chứng khả năng chịu tải lâu dài trong môi trường biến động.
Sự kết hợp giữa CNTs và GNPs đang cho thấy tiềm năng cách mạng hóa vật liệu xây dựng, đưa xi măng tiến gần hơn tới thế hệ vật liệu “thông minh”, bền vững và có khả năng tương tác với môi trường.
Cem.Info
