» Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Đông Nam (Trung Quốc) phối hợp cùng Đại học Macau vừa công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí NPJ Materials Sustainability, giới thiệu vật liệu xi măng mới ứng dụng hydrogel. Công nghệ này giúp xi măng bền chắc hơn, chống nứt gãy, cải thiện khả năng chịu nhiệt và mở ra triển vọng giảm phát thải trong ngành Xây dựng.
Ngành Xi măng vốn đối mặt với thách thức lớn về độ bền và tính bền vững môi trường. Với nhu cầu ngày càng cao về vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, có tuổi thọ lâu dài, giải pháp xi măng hydrogel đang được xem như một bước tiến quan trọng, hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho các công trình hạ tầng trong tương lai.
Công nghệ lấy cảm hứng từ tự nhiên
Trong hơn một thập kỷ qua, các phương pháp gia cường xi măng bằng sợi polyme hay nhũ tương đều gặp hạn chế do vón cục và không tương thích. Nhóm nghiên cứu đã tiếp cận theo hướng khác, lấy cảm hứng từ quá trình khoáng hóa sinh học của xương, ngọc trai và vỏ sò để cải thiện độ bền xi măng.
Phương pháp được triển khai qua hai bước: (1) tạo mạng hydrogel bằng phản ứng trùng hợp nhanh ngay trong dung dịch chứa xi măng, sau đó (2) lắng đọng các hydrat xi măng vào khung hydrogel. Quá trình này hình thành cấu trúc dạng tổ ong liên kết bằng các mạng lỗ rỗng, giúp xi măng trở nên dẻo dai, chống nứt gãy dưới tác động cơ học.
Quy trình hình thành vật liệu xi măng hydrogel lấy cảm hứng từ cấu trúc xương xốp.
a) Cấu trúc xương xốp. b) Quy trình chuẩn bị vật liệu composite. c) Quá trình trùng hợp tại chỗ của các monome hydrogel trong ma trận xi măng hình thành mạng polyme ba chiều liên tục. d) Sự gắn kết của các hạt xi măng trên mạng hydrogel. e) Sau khi trùng hợp, nước dần được giải phóng khỏi hydrogel và phản ứng với các hạt xi măng đã bám, dẫn đến sự hình thành và lắng đọng các sản phẩm thủy hóa xi măng trên bề mặt mạng. Trong suốt quá trình này, tính toàn vẹn của mạng hydrogel ba chiều vẫn được duy trì.
Các mẫu vật liệu sau khi chế tạo được kiểm tra bằng nhiều phương pháp phân tích chuyên sâu. Nhóm nghiên cứu sử dụng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các liên kết hóa học, nhiễu xạ tia X (XRD) để nhận diện pha tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt, và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để phân tích chi tiết sự tương tác giữa hydrogel và xi măng. Nhờ vậy, họ chứng minh được sự liên kết bền chặt ở cấp độ vi mô, giải thích vì sao vật liệu mới có tính cơ học vượt trội.
Kết quả cho thấy cường độ uốn tăng 13 - 158% so với xi măng thường, độ dẻo dai uốn tăng đến 3195%, khả năng chịu nén có thể tăng tới 60%. Đặc biệt, vật liệu này chuyển từ giòn sang dẻo khi chịu biến dạng lớn (10 - 80%), phù hợp cho công trình ở khu vực động đất hoặc chịu tải trọng va đập mạnh.
Ngoài ra, cấu trúc lỗ rỗng khép kín còn giúp giảm tới 90% độ dẫn nhiệt so với xi măng truyền thống, duy trì 56% khối lượng ngay cả khi bị nung tới 1.000°C. Vật liệu cũng thể hiện khả năng hấp thụ sóng và hằng số điện môi thấp, mở ra tiềm năng ứng dụng đa chức năng trong xây dựng hiện đại.
Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển
Nghiên cứu này cho thấy hydrogel có thể trở thành chìa khóa cải thiện hiệu suất cơ học và nhiệt của xi măng. Việc kết hợp hydrogel và xi măng không chỉ giúp gia tăng độ bền kết cấu mà còn kéo dài tuổi thọ công trình, giảm nhu cầu thay thế và gián tiếp cắt giảm phát thải CO₂ từ sản xuất xi măng.
Trong thực tiễn, vật liệu mới đặc biệt hữu ích cho các công trình ở vùng có điều kiện khắc nghiệt, động đất, hoặc yêu cầu độ bền cao. Tuy vậy, nhóm nghiên cứu cũng nhấn mạnh cần thêm các nghiên cứu tối ưu tỷ lệ thành phần để cân bằng giữa độ rỗng và cường độ cơ học, đáp ứng yêu cầu sản xuất công nghiệp.
Khi ngành Xây dựng toàn cầu ngày càng hướng tới giải pháp xanh và bền vững, xi măng hydrogel có thể trở thành một tiêu chuẩn mới, minh chứng rằng việc học hỏi từ tự nhiên chính là chìa khóa để kiến tạo những công trình bền vững cho tương lai.
Cem.Info
