Một nhóm nghiên cứu tại Hong Kong đã phát triển một phiên bản tre kỹ thuật mang tên “Super Bamboo” (siêu tre), có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn nhiều vật liệu kim loại phổ biến trong các phép thử được công bố. Kết quả này khiến tre kỹ thuật được chú ý như một ứng viên mới trong xu hướng phát triển vật liệu xây dựng nhẹ, có nguồn gốc sinh học và phát thải thấp.
Từ cây tre tự nhiên thành vật liệu kỹ thuật
Tại Hong Kong, nhóm nghiên cứu của City University of Hong Kong đã tìm cách biến tre tự nhiên thành một vật liệu có cấu trúc đồng nhất và khả năng chịu lực cao hơn nhiều so với tre nguyên bản. Vật liệu được phát triển từ tre Moso. Thay vì sử dụng thân tre nguyên dạng, vốn rỗng, cong và có sự khác biệt lớn về kích thước cũng như tính chất cơ học, các nhà nghiên cứu xử lý những dải tre để thay đổi cấu trúc vi mô bên trong. Quy trình gồm xử lý hóa học và nén nóng, qua đó làm tăng mật độ vật liệu và tỷ lệ cellulose – thành phần đóng vai trò quan trọng đối với độ bền của tre.
Ảnh minh họa Internet
Theo CityU, tre tự nhiên chủ yếu gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Trong đó, cellulose là thành phần có độ bền cao nhất. Nhóm nghiên cứu tìm cách loại bỏ một phần hemicellulose và lignin bằng dung dịch kiềm được gia nhiệt, sau đó đưa các dải tre vào khuôn kim loại và ép nóng. Quá trình này làm giảm đáng kể các khoảng rỗng bên trong và tăng mật độ của vật liệu. Độ dày của dải tre sau khi ép có thể giảm khoảng 70%, trong khi mật độ tăng lên đáng kể. Kết quả là một vật liệu đặc hơn, đồng nhất hơn và có khả năng truyền lực hiệu quả hơn so với cấu trúc tre tự nhiên.
Vì sao tre có thể cạnh tranh với kim loại?
Điểm đặc biệt của tre nằm ở cấu trúc tự nhiên của nó. Tre không phải là một khối vật liệu đồng nhất. Bên trong thân tre là một hệ thống các bó sợi cellulose được tổ chức theo hướng giúp cây chịu được tải trọng và lực uốn khi phát triển. Chính cấu trúc dạng sợi này khiến tre có độ bền tương đối cao so với khối lượng. Tuy nhiên, khi sử dụng trực tiếp trong xây dựng, hình dạng tự nhiên của thân tre lại trở thành một hạn chế. Thân cây rỗng, đường kính thay đổi theo vị trí, độ dày thành tre không đồng đều và tính chất cơ học có thể khác nhau giữa từng cây. Điều này gây khó khăn cho việc tiêu chuẩn hóa và thiết kế các cấu kiện chịu lực. Tre kỹ thuật giải quyết vấn đề bằng cách tách lợi thế về cấu trúc khỏi hình dạng tự nhiên của cây. Nói cách khác, các nhà nghiên cứu không cố biến một thân tre nguyên cây thành “thép xanh”, mà tìm cách lấy phần cấu trúc có lợi nhất của tre rồi tái tổ chức nó thành một vật liệu kỹ thuật mới.
Theo số liệu do CityU công bố, Super Bamboo có độ bền cao hơn khoảng ba lần so với tre thông thường. Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng đạt khoảng 350 MPa/(g/cm³), trong khi các giá trị so sánh được công bố cho tre tự nhiên, hợp kim nhôm và hợp kim titan lần lượt vào khoảng 100, 200 và 250 MPa/(g/cm³). Đây là lý do “tỷ lệ độ bền trên trọng lượng” quan trọng hơn việc chỉ nhìn vào độ bền tuyệt đối. Một vật liệu có thể không mạnh hơn thép khi so theo cùng thể tích, nhưng nếu nhẹ hơn rất nhiều thì nó vẫn có thể tạo ra lợi thế lớn trong những ứng dụng mà trọng lượng là yếu tố quan trọng. Đây là nguyên tắc đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không, ô tô và các kết cấu nhẹ.
Không dùng keo – một khác biệt đáng chú ý
Một trong những điểm đáng chú ý của Super Bamboo là nhóm phát triển hướng tới việc không sử dụng keo hoặc chất kết dính độc hại để tạo thành vật liệu. Nhiều sản phẩm tre kỹ thuật hiện nay được sản xuất bằng cách ghép các lớp hoặc sợi tre với keo, nhựa hay chất kết dính. Phương pháp này giúp tạo ra tấm, ván và dầm có kích thước ổn định hơn, nhưng đồng thời làm phát sinh vấn đề về hóa chất, phát thải và khả năng tái chế cuối vòng đời.
Super Bamboo sử dụng xử lý hóa học kết hợp với nén cơ học để tạo ra cấu trúc đặc mà không cần đến các loại keo độc hại. CityU cho biết vật liệu này không sử dụng formaldehyde và chất kết dính độc hại trong quy trình được nhóm phát triển. Điều này có ý nghĩa đặc biệt nếu tre kỹ thuật được mở rộng sang các sản phẩm nội thất, tấm ốp, sàn hoặc cấu kiện trong nhà.
Từ vật liệu sinh học đến cấu kiện xây dựng
Tiềm năng lớn nhất của tre kỹ thuật không nhất thiết là thay thế toàn bộ thép trong xây dựng. Trong thực tế, mỗi loại vật liệu có một nhóm ưu điểm riêng. Thép có độ dẻo cao, khả năng chịu tải lớn, quy trình thiết kế và tiêu chuẩn hóa đã hoàn thiện qua hàng thế kỷ. Bê tông có ưu thế về khả năng chịu nén, độ ổn định và chi phí trong nhiều loại công trình. Trong khi đó, tre kỹ thuật có thể phù hợp hơn với những vị trí mà trọng lượng thấp, tỷ lệ độ bền trên khối lượng cao và nguồn nguyên liệu tái tạo mang lại lợi thế.
CityU xác định nhiều hướng ứng dụng cho Super Bamboo, gồm cấu kiện chịu lực nhẹ, sàn ngoài trời, sàn và tường nội thất, trang trí nội – ngoại thất và đồ nội thất chất lượng cao. Về dài hạn, nhóm phát triển còn hướng tới các ứng dụng trong ô tô và hàng không vũ trụ. Điều đó mở ra một cách tiếp cận khác: thay vì đặt câu hỏi “tre có thay được thép hay không?”, câu hỏi thực tế hơn là “những bộ phận nào đang dùng kim loại nhưng không nhất thiết phải nặng đến vậy?” Đó có thể là những cấu kiện phụ, tấm panel, nội thất, vách ngăn, sàn, lớp ốp hoặc các bộ phận cần độ cứng cao nhưng không phải chịu những tải trọng cực lớn.
Lợi thế về tốc độ sinh trưởng
Một lý do khác khiến tre được quan tâm là tốc độ sinh trưởng. Theo CityU, tre có thể trưởng thành trong khoảng 4-5 năm, trong khi nhiều loại cây gỗ cần hàng chục năm mới đạt kích thước khai thác phù hợp. Sau khi thu hoạch, nhiều loài tre có thể tiếp tục tái sinh từ hệ thống thân ngầm mà không cần trồng lại toàn bộ cây. Nếu được quản lý đúng cách, điều này cho phép tạo ra nguồn nguyên liệu có chu kỳ khai thác tương đối ngắn. Đây là một lợi thế quan trọng khi ngành xây dựng ngày càng tìm kiếm các nguồn vật liệu sinh học có khả năng tái tạo nhanh hơn gỗ truyền thống.
Tuy nhiên, “mọc nhanh” không đồng nghĩa với “tự động bền vững”. Tác động môi trường thực tế còn phụ thuộc vào giống tre, phương thức canh tác, khoảng cách vận chuyển, lượng năng lượng sử dụng trong xử lý, hóa chất của quy trình sản xuất và tuổi thọ của sản phẩm sau khi đưa vào công trình. Vì vậy, lợi thế môi trường của tre cần được đánh giá trên toàn bộ vòng đời thay vì chỉ dựa vào tốc độ sinh trưởng.
Carbon được lưu giữ trong vật liệu
Giống như gỗ, tre hấp thụ carbon dioxide trong quá trình sinh trưởng thông qua quang hợp. Khi sinh khối tre được chuyển thành sản phẩm có tuổi thọ dài, lượng carbon chứa trong vật liệu có thể tiếp tục được lưu giữ trong suốt thời gian sử dụng. Điều này tạo ra một hướng tiếp cận hấp dẫn đối với ngành xây dựng: thay vì chỉ giảm lượng phát thải trong quá trình sản xuất vật liệu, có thể sử dụng một phần vật liệu sinh học để lưu giữ carbon trong các sản phẩm có vòng đời dài.
Tuy nhiên, không nên đồng nhất điều này với việc một sản phẩm tre tự động có “carbon âm”. Để đánh giá chính xác, cần tính cả năng lượng dùng để xử lý tre, hóa chất, vận chuyển, gia công, bảo trì và xử lý vật liệu khi công trình hết vòng đời. Đây cũng là một trong những lĩnh vực cần thêm dữ liệu nếu tre kỹ thuật muốn cạnh tranh trực tiếp với thép, nhôm hoặc gỗ kỹ thuật trong các dự án xây dựng quy mô lớn.
Thách thức lớn nhất vẫn là quy mô và tiêu chuẩn
Khả năng đạt độ bền cao trong phòng thí nghiệm là một chuyện; biến vật liệu đó thành sản phẩm xây dựng được sử dụng rộng rãi lại là một chuyện khác. Để thay thế một phần thép hoặc gỗ kỹ thuật trong công trình, Super Bamboo cần vượt qua nhiều yêu cầu liên quan đến tiêu chuẩn thiết kế, kiểm soát chất lượng, khả năng sản xuất hàng loạt và độ ổn định giữa các lô sản phẩm. Các yếu tố như độ ẩm, chu kỳ khô – ướt, tia cực tím, mối mọt, cháy, nhiệt độ cao, tải trọng lặp lại và tuổi thọ trong nhiều thập kỷ đều cần được đánh giá kỹ.
CityU cho biết các mẫu vật liệu của dự án có những đặc tính dịch vụ đáng chú ý, trong đó có khả năng chống nước và chống cháy được cải thiện. Tuy nhiên, khả năng của một mẫu vật liệu trong điều kiện thử nghiệm không đồng nghĩa với việc toàn bộ cấu kiện xây dựng có thể ngay lập tức thay thế thép hoặc bê tông trong mọi điều kiện. Đây là khoảng cách mà hầu hết vật liệu mới phải vượt qua trước khi trở thành vật liệu xây dựng chủ đạo.
Trung Quốc và cơ hội hình thành ngành vật liệu mới
Trung Quốc có lợi thế đặc biệt trong việc phát triển tre kỹ thuật nhờ nguồn nguyên liệu lớn, ngành chế biến tre phát triển và thị trường xây dựng quy mô lớn. Đáng chú ý, công nghệ Super Bamboo của CityU đã được thương mại hóa thông qua một startup cùng tên. Công ty cho biết cơ sở sản xuất Super Bamboo tại khu vực Greater Bay Area được đặt ở Zhongshan, Quảng Đông. Điều này cho thấy công nghệ đang bắt đầu chuyển từ giai đoạn nghiên cứu sang hướng thương mại hóa.
Nếu quá trình này thành công, chuỗi giá trị có thể mở rộng từ vùng trồng tre, thu hoạch, xử lý nguyên liệu, sản xuất vật liệu kỹ thuật cho đến thiết kế và chế tạo các sản phẩm xây dựng. Khi đó, giá trị của cây tre không còn nằm chủ yếu ở các sản phẩm truyền thống như đồ gia dụng, thủ công mỹ nghệ hay thực phẩm, mà có thể mở rộng sang vật liệu kỹ thuật có giá trị gia tăng cao.
Cuộc cạnh tranh mới của vật liệu xanh
Điều thú vị là Super Bamboo không xuất hiện trong một khoảng trống công nghệ. Cùng lúc đó, gỗ kỹ thuật như glulam, LVL hay CLT đang ngày càng được sử dụng trong kiến trúc và xây dựng. Các loại vật liệu composite sinh học, vật liệu tái chế và bê tông phát thải thấp cũng đang được phát triển mạnh. Do đó, cuộc cạnh tranh trong xây dựng tương lai có thể không đơn giản là “tre đấu với thép”. Nó sẽ là cuộc cạnh tranh giữa nhiều hệ vật liệu, trong đó mỗi vật liệu được lựa chọn dựa trên tổng hợp các yếu tố: độ bền, trọng lượng, giá thành, khả năng sản xuất, tuổi thọ, khả năng tái chế, lượng carbon phát thải và mức độ sẵn có của nguyên liệu. Trong bức tranh đó, tre có một lợi thế rất đặc biệt: đây là một nguồn sinh khối tái tạo nhanh nhưng có thể được xử lý bằng công nghệ vật liệu tiên tiến để đạt những đặc tính cơ học vốn thường gắn với các vật liệu công nghiệp.
“Siêu tre” vì vậy chưa phải là lời tuyên bố rằng thép sẽ biến mất khỏi các công trình. Giá trị lớn hơn của nó nằm ở việc chứng minh rằng một vật liệu sinh học quen thuộc có thể được thiết kế lại ở cấp độ vi mô để trở thành vật liệu kỹ thuật hiệu năng cao. Nếu các vấn đề về quy mô sản xuất, tiêu chuẩn hóa, độ bền dài hạn, chống cháy và chi phí tiếp tục được giải quyết, tre kỹ thuật có thể trở thành một mảnh ghép đáng kể trong thế hệ vật liệu xây dựng phát thải thấp. Và khi đó, cây tre – vốn từ lâu được xem là một loại cây dân dã – có thể bước vào một lĩnh vực hoàn toàn khác: vật liệu kỹ thuật cho những công trình của tương lai.
BuilData
