Với bê tông siêu tính năng (UHPC), thách thức hiện nay không chỉ nằm ở việc duy trì các đặc tính cơ học vượt trội mà còn phải giảm chi phí thương mại hóa cũng như hạn chế lượng khí CO₂ phát sinh trong toàn bộ quá trình sản xuất. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bang Pennsylvania (Mỹ) vừa phát triển một phương pháp thiết kế vật liệu mới có thể giúp giảm tới 75% chi phí sản xuất bê tông siêu tính năng cao, dòng vật liệu đang được đánh giá cao nhờ độ bền vượt trội nhưng vẫn gặp trở ngại lớn về giá thành và lượng phát thải phát sinh trong quá trình sản xuất.
Tìm lời giải cho bài toán chi phí của bê tông siêu tính năng
UHPC hiện được xem là một trong những loại bê tông tiên tiến nhất hiện nay nhờ sở hữu cường độ chịu lực rất cao, kết cấu đặc chắc, khả năng chống nứt tốt và độ bền vượt trội so với bê tông thông thường. Loại vật liệu này hiện đang được sử dụng ngày càng nhiều trong xây dựng cầu, nhà cao tầng cũng như các công trình hạ tầng ven biển yêu cầu tuổi thọ dài và khả năng chịu tải lớn.
Tuy nhiên, khả năng ứng dụng rộng rãi của UHPC vẫn đang bị hạn chế bởi chi phí sản xuất ở mức rất cao. Theo nhóm nghiên cứu, giá thành của loại vật liệu này hiện có thể cao gấp khoảng 30 lần so với bê tông truyền thống.
Nguyên nhân chính đến từ hệ thống sợi gia cường kim loại được bổ sung trong hỗn hợp vật liệu. Dù chỉ chiếm khoảng 2% tổng thể tích nhưng các sợi thép này lại chiếm tới khoảng 70% tổng chi phí sản xuất UHPC. Bên cạnh đó, phần lớn sản phẩm UHPC hiện vẫn được thương mại hóa dưới dạng hỗn hợp đóng gói độc quyền, khiến giá thành tiếp tục ở mức cao.
Theo các nhà nghiên cứu, để mở rộng phạm vi ứng dụng của UHPC trong ngành xây dựng, yếu tố quan trọng nhất là phải tối ưu cấu trúc cũng như hiệu quả sử dụng của hệ thống sợi gia cường bên trong vật liệu.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania tiến hành thử nghiệm khả năng chịu kéo của bê tông siêu tính năng nhằm tìm giải pháp giảm chi phí sản xuất vật liệu.
Thử nghiệm 15 cấp phối để tối ưu vật liệu gia cường
Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phát triển và thử nghiệm 15 cấp phối UHPC khác nhau nhằm đánh giá khả năng duy trì hiệu suất cơ học trong khi giảm lượng vật liệu gia cường sử dụng.
Trong số đó, 9 cấp phối sử dụng các loại sợi kim loại với nhiều thiết kế khác nhau về chiều dài, đường kính và cấu trúc bề mặt. Nhóm nghiên cứu thử nghiệm nhiều loại sợi thép khác nhau như sợi có rãnh bề mặt, sợi xoắn hoặc các cấu trúc giúp tăng khả năng liên kết với nền xi măng.
Mục tiêu của quá trình thử nghiệm là xác định liệu vật liệu có thể duy trì độ bền tương đương hoặc cao hơn trong khi giảm đáng kể lượng sợi sử dụng, từ đó giảm chi phí sản xuất.
Song song với đó, nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm thêm 6 cấp phối sử dụng các loại sợi phi kim loại gồm sợi thủy tinh dạng mảnh nhỏ, sợi basalt cùng các vật liệu polymer gia cường bằng sợi carbon hoặc sợi thủy tinh.
Các loại sợi gia cường bên trong bê tông siêu tính năng được quan sát dưới kính hiển vi.
Dù khả năng chịu lực của nhóm vật liệu phi kim hiện chưa đạt hiệu quả tương đương sợi thép truyền thống, nhóm nghiên cứu cho rằng đây vẫn là hướng đi nhiều tiềm năng nếu tiếp tục được cải tiến trong thời gian tới.
Các mẫu thử sau đó được đánh giá thông qua nhiều chỉ tiêu cơ học quan trọng như khả năng lưu động của hỗn hợp vật liệu, cường độ chịu nén, khả năng chịu kéo, độ dẻo cũng như lực liên kết giữa sợi gia cường với nền xi măng.
Mở ra hướng giảm mạnh chi phí và phát thải trong sản xuất vật liệu tiên tiến
Kết quả nghiên cứu cho thấy hai loại sợi thép gồm sợi thép siêu nhỏ và sợi thép có rãnh bề mặt vẫn duy trì được hiệu suất cơ học ổn định ngay cả khi lượng sợi sử dụng được cắt giảm tới 50%.
Nhóm nghiên cứu đồng thời xác định một số yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của UHPC. Trong đó, các loại sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn cho khả năng chịu kéo tốt hơn đáng kể. Ngoài ra, cơ chế liên kết giữa sợi và nền xi măng cần được thiết kế theo hướng cho phép sợi tách khỏi vật liệu trước khi bị đứt dưới tải trọng, qua đó duy trì khả năng chống nứt của kết cấu.
Từ các dữ liệu thu được, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một phương pháp thiết kế mới cho phép tối ưu những yếu tố quan trọng nhất trong cấu trúc vật liệu. Theo đánh giá ban đầu, phương pháp này có thể giúp giảm tới 75% chi phí sản xuất UHPC trong khi vẫn duy trì độ bền cơ học, độ dẻo và khả năng chống nứt vốn là những ưu điểm nổi bật nhất của dòng bê tông này.
Ngoài hiệu quả kinh tế, nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng cải thiện đáng kể hiệu quả môi trường trong sản xuất vật liệu xây dựng. Theo nhóm nghiên cứu, sợi gia cường hiện không chỉ là thành phần chiếm chi phí cao nhất mà còn là một trong những nguồn phát thải lớn nhất trong toàn bộ quá trình sản xuất UHPC.
Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thử nghiệm các cấu trúc sợi mới, phát triển thêm các vật liệu phi kim thay thế và tìm kiếm các giải pháp cắt giảm lượng khí CO₂ phát sinh trong quá trình sản xuất.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Cement and Concrete Composites. Nghiên cứu này được đánh giá có thể mở ra thêm một hướng phát triển mới cho công nghệ sản xuất bê tông siêu tính năng trong bối cảnh ngành vật liệu xây dựng toàn cầu đang đẩy mạnh các giải pháp giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên.
Buildata
