Theo các nghiên cứu tổng quan quốc tế, việc kéo dài tuổi thọ công trình sẽ giúp giảm nhu cầu sửa chữa, phá dỡ và xây dựng mới. Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học đã phát triển công nghệ bê tông tự lành (Self-Healing Concrete) – một loại vật liệu có khả năng tự hàn gắn các vết nứt nhỏ mà không cần hoặc giảm đáng kể sự can thiệp của con người.
Công nghệ bê tông tự lành còn được kỳ vọng góp phần tiết kiệm tài nguyên, giảm phát thải carbon và thúc đẩy mục tiêu phát triển xây dựng bền vững.
Trong nhiều thập kỷ qua, bê tông luôn là vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất trên thế giới nhờ khả năng chịu lực cao, giá thành hợp lý và tính linh hoạt trong thi công. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của bê tông là dễ xuất hiện các vết nứt do co ngót, tải trọng, biến đổi nhiệt độ hoặc tác động của môi trường. Mặc dù nhiều vết nứt ban đầu có kích thước rất nhỏ, chúng lại là "cửa ngõ" để nước, oxy, ion clorua và các tác nhân ăn mòn xâm nhập vào bên trong kết cấu, làm cốt thép bị gỉ, giảm khả năng chịu lực và rút ngắn tuổi thọ công trình.
Công nghệ bê tông tự lành (Self-Healing Concrete) được xem là một trong những bước tiến quan trọng của lĩnh vực vật liệu xây dựng thông minh (Smart Construction Materials), góp phần thay đổi cách thức thiết kế, vận hành và bảo trì công trình trong tương lai.
Từ ý tưởng trong phòng thí nghiệm đến công nghệ xây dựng hiện đại
Khái niệm về vật liệu có khả năng tự phục hồi đã xuất hiện từ cuối thế kỷ XX trong lĩnh vực polymer và vật liệu composite. Đến cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000, các nhà nghiên cứu bắt đầu đặt câu hỏi: liệu bê tông có thể "tự chữa lành" giống như cơ thể sinh vật hay không?
Một bước ngoặt quan trọng diễn ra vào khoảng năm 2006 khi nhóm nghiên cứu của Giáo sư Henk M. Jonkers tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) công bố thành công loại bê tông chứa bào tử vi khuẩn có khả năng tạo ra tinh thể canxi cacbonat (CaCO₃). Công nghệ này nhanh chóng thu hút sự quan tâm của giới khoa học bởi lần đầu tiên một vật liệu xây dựng có thể chủ động khắc phục hư hỏng nhỏ trong quá trình khai thác.
Từ đó đến nay, bê tông tự lành đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, với hàng nghìn công trình khoa học được công bố trên thế giới.
Thành công này đã thúc đẩy hàng loạt chương trình nghiên cứu tại châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác nhằm phát triển các thế hệ bê tông tự lành có hiệu quả cao hơn, giá thành thấp hơn và phù hợp với sản xuất công nghiệp.
Nhờ phát minh đột phá chưa từng có của Giáo sư Hendrik "Henk" Marius Jonkers - nhà vi sinh vật học người Hà Lan hiện đang công tác tại Đại học Công nghệ Delft - mà thế giới bùng nổ một thị trường dự báo tăng gần 2.000 tỷ USD năm 2034.
Cơ chế tự chữa lành của bê tông
Khả năng tự phục hồi của bê tông không chỉ dựa vào một cơ chế duy nhất. Đối với bê tông thông thường, quá trình thủy hóa của xi măng vẫn có thể tiếp tục nếu còn các hạt xi măng chưa phản ứng và có đủ nước, tạo nên hiện tượng "tự hàn gắn tự nhiên". Tuy nhiên khả năng này chỉ hiệu quả đối với các vết nứt rất nhỏ.
Bê tông tự lành chủ động tăng cường quá trình này bằng cách tích hợp các tác nhân chữa lành như vi khuẩn, polymer, vật liệu khoáng hoặc hệ thống mao dẫn. Khi xuất hiện vết nứt, các tác nhân sẽ được kích hoạt để tạo vật liệu mới lấp đầy khe nứt, khôi phục khả năng chống thấm và bảo vệ kết cấu.
Giáo sư Hendrik "Henk" Marius Jonkers - tác giả của phát minh bê tông tư lành đột phá. Ảnh: Văn phòng Sáng chế châu Âu (EPO)
Những cải tiến nổi bật của bê tông tự lành
1. Ứng dụng vi khuẩn sinh khoáng
Đây vẫn là hướng nghiên cứu phổ biến nhất. Vi khuẩn tạo ra tinh thể canxi cacbonat (CaCO₃) khi tiếp xúc với nước, giúp lấp đầy các khe nứt, hạn chế nước và ion clorua xâm nhập, từ đó giảm nguy cơ ăn mòn cốt thép.
2. Công nghệ vi nang (Microcapsule)
Các vi nang siêu nhỏ chứa epoxy, polymer hoặc chất kết dính được phân tán trong bê tông. Khi bê tông nứt, các vi nang vỡ ra, giải phóng chất chữa lành và liên kết lại cấu trúc vật liệu. Đây là công nghệ được nghiên cứu nhiều trong vật liệu composite trước khi được ứng dụng vào bê tông.
3. Vật liệu siêu hấp thụ nước (Super Absorbent Polymer - SAP)
SAP có khả năng hấp thụ lượng nước gấp hàng trăm lần khối lượng của chính nó. Khi nước xâm nhập, SAP trương nở, cung cấp độ ẩm cho phản ứng thủy hóa tiếp tục diễn ra, thúc đẩy quá trình tự lấp kín các vi khe nứt và giảm nguy cơ nứt do co ngót.
4. Phụ gia khoáng hoạt tính
Tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn (GGBFS), silica fume, metakaolin hay tro trấu hoạt tính giúp tạo thêm sản phẩm thủy hóa C-S-H, giảm độ rỗng và hỗ trợ khả năng tự hàn gắn trong thời gian dài. Đồng thời, việc sử dụng các phụ gia này còn góp phần giảm lượng xi măng Portland, từ đó giảm phát thải CO₂ trong quá trình sản xuất vật liệu.
5. Hệ mao dẫn và mạch dẫn tác nhân chữa lành
Một số nhóm nghiên cứu đang phát triển mạng lưới sợi rỗng hoặc các ống mao dẫn tích hợp bên trong bê tông. Khi xuất hiện vết nứt, hệ thống này sẽ giải phóng chất chữa lành giống như cơ chế tuần hoàn máu trong cơ thể sinh vật, cho phép vật liệu có khả năng tự phục hồi nhiều lần thay vì chỉ một lần như công nghệ vi nang.
6. Kết hợp cảm biến, IoT và trí tuệ nhân tạo (AI)
Xu hướng mới nhất là phát triển bê tông thông minh có khả năng vừa tự chữa lành vừa tự "theo dõi sức khỏe". Các cảm biến sợi quang, cảm biến áp điện hoặc cảm biến nano được tích hợp trong kết cấu để theo dõi ứng suất, độ ẩm, biến dạng và sự phát triển của vết nứt theo thời gian thực. Dữ liệu được truyền về hệ thống quản lý thông qua Internet vạn vật (IoT), sau đó AI phân tích để đánh giá mức độ hư hỏng, dự báo tuổi thọ kết cấu và đề xuất kế hoạch bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance). Đây được xem là nền tảng quan trọng của các công trình thông minh (Smart Infrastructure) trong tương lai.
Ứng dụng thực tế nhưng còn nhiều thách thức
Hiện nay, bê tông tự lành đang được ưu tiên nghiên cứu cho các công trình có chi phí sửa chữa rất lớn hoặc khó tiếp cận, bao gồm: Cầu và cầu vượt; Đường hầm giao thông; Cảng biển và công trình ven biển; Đập thủy điện; Công trình ngầm; Kết cấu ngoài khơi; Nhà máy xử lý nước; Bể chứa hóa chất; Đường băng sân bay; Các công trình hạ tầng giao thông quy mô lớn. Đối với các công trình này, việc giảm chỉ một lần sửa chữa lớn cũng có thể tiết kiệm hàng triệu USD chi phí vận hành trong suốt vòng đời dự án.
Mặc dù đạt được nhiều thành tựu đáng kể, bê tông tự lành vẫn đối mặt với không ít thách thức trước khi được ứng dụng đại trà. Chi phí sản xuất hiện vẫn cao hơn bê tông truyền thống do sử dụng vi khuẩn, polymer hoặc các vật liệu chức năng đặc biệt.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục đánh giá tuổi thọ của tác nhân chữa lành trong môi trường bê tông kiềm cao; Hiệu quả phục hồi sau nhiều chu kỳ nứt; Khả năng sản xuất quy mô công nghiệp; Tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp kiểm định; Hiệu quả kinh tế đối với từng loại công trình. Khi các rào cản này được giải quyết, khả năng thương mại hóa sẽ được mở rộng đáng kể.
Xu hướng vật liệu xây dựng lấy cảm hứng từ tự nhiên
Song song với bê tông tự lành, nhiều hướng nghiên cứu vật liệu xây dựng tiên tiến cũng đang khai thác các nguyên lý thiết kế của tự nhiên (Biomimicry). Một trong những ví dụ tiêu biểu là vật liệu xi măng mô phỏng cấu trúc của xà cừ – lớp vật liệu óng ánh bên trong vỏ nhuyễn thể. Mặc dù chủ yếu được cấu tạo từ khoáng chất giòn, xà cừ vẫn có độ dai rất cao nhờ cấu trúc nhiều lớp, trong đó các phiến khoáng siêu nhỏ được liên kết bởi lớp vật chất mềm hơn giúp phân tán ứng suất và làm chậm sự lan truyền của vết nứt.
Từ nguyên lý này, các nhà khoa học đang phát triển vật liệu xi măng có cấu trúc đa cấp, vừa tăng khả năng chịu va đập, vừa nâng cao độ bền mỏi và khả năng chống nứt. Ngoài ra, cấu trúc của xương, tổ ong, gỗ, lá cây và hệ rễ thực vật cũng đang được nghiên cứu nhằm tạo ra các vật liệu nhẹ hơn nhưng vẫn duy trì khả năng chịu lực cao, đồng thời tối ưu hóa lượng vật liệu sử dụng.
Hướng tới vật liệu xây dựng của kỷ nguyên Net Zero
Ngành xây dựng hiện chiếm khoảng 37% lượng phát thải CO₂ liên quan đến năng lượng trên toàn cầu. Vì vậy, việc kéo dài tuổi thọ công trình được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để giảm phát thải trong suốt vòng đời xây dựng. Bê tông tự lành không chỉ giúp giảm chi phí bảo trì mà còn giảm nhu cầu sản xuất vật liệu mới, hạn chế tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên và giảm lượng chất thải xây dựng.
Trong bối cảnh thế giới hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng "0" (Net Zero), phát triển kinh tế tuần hoàn và xây dựng công trình xanh, bê tông tự lành được đánh giá là một trong những vật liệu chiến lược của thế kỷ XXI.
Khi công nghệ tiếp tục hoàn thiện, quy mô sản xuất được mở rộng, tiêu chuẩn kỹ thuật được thống nhất và giá thành ngày càng giảm, bê tông tự lành được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu phổ biến trong nhiều loại công trình, từ nhà ở dân dụng đến hạ tầng quy mô lớn. Đây không chỉ là một bước tiến về vật liệu xây dựng mà còn là nền tảng cho thế hệ công trình thông minh, bền vững và có khả năng thích ứng với những thách thức của biến đổi khí hậu trong nhiều thập kỷ tới.
Buildata
