Sợi nano cellulose nguồn gốc thực vật kết hợp đá vôi nghiền giúp giảm hàm lượng xi măng trong bê tông in 3D

Giảm phát thải CO₂ và tối ưu hệ số clinker đang là ưu tiên của ngành xi măng toàn cầu.Trong bối cảnh bê tông in 3D phát triển nhanh, việc kết hợp sợi nano cellulose với đá vôi nghiền cho thấy khả năng giảm đáng kể hàm lượng xi măng mà vẫn bảo đảm cường độ và tính công tác, mở ra hướng thiết kế cấp phối bền vững hơn.

Tối ưu cấp phối bê tông in 3D theo hướng giảm hàm lượng xi măng

Bê tông in 3D yêu cầu vật liệu có khả năng bơm, đùn và giữ hình dạng ngay sau khi được tạo lớp. Vì vậy, nhiều hệ in hiện nay sử dụng hàm lượng xi măng cao để đạt cường độ sớm và độ ổn định hình học cần thiết.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề xuất giảm xi măng bằng cách thay thế một phần bằng đá vôi nghiền và bổ sung sợi nano cellulose. Đá vôi nghiền giúp giảm nhu cầu sử dụng xi măng và hỗ trợ quá trình thủy hóa sớm. Sợi nano cellulose có nguồn gốc thực vật tạo tương tác keo với hạt xi măng, từ đó cải thiện tính lưu biến và tăng cường liên kết giữa các lớp in.

Sự kết hợp giữa sợi nano cellulose và đá vôi nghiền cho phép phát triển bê tông in đạt hiệu năng cao, giảm phát thải và tối ưu chi phí.

Các cấp phối được thiết kế với 0,3% sợi nano cellulose theo khối lượng chất kết dính, kết hợp hai mức thay thế đá vôi nghiền là 14% và 29%. Tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,4 và tỷ lệ cát/chất kết dính là 1. Sợi nano cellulose được phân tán bằng trộn cường độ cao trước khi đưa vào hỗn hợp để bảo đảm phân bố đồng đều.

Cải thiện mạnh tính lưu biến và duy trì cường độ cơ học

Các thử nghiệm lưu biến cho thấy khi bổ sung 0,3% sợi nano cellulose vào cấp phối có 29% đá vôi nghiền, ứng suất chảy tĩnh là khả năng vật liệu giữ hình dạng trước khi bắt đầu chảy, tăng tới 1.213% so với mẫu đối chứng. Module lưu trữ và biến dạng tới hạn cũng tăng, phản ánh khả năng giữ hình dạng tốt hơn sau khi in.

Đáng chú ý, mức tăng ứng suất chảy lớn hơn nhiều so với mức tăng mô đun lưu trữ. Điều này cho thấy sợi nano cellulose chủ yếu tạo hiệu ứng thông qua tương tác keo mềm giữa các hạt, thay vì hình thành mạng cứng do phản ứng thủy hóa.

Kết quả đo nhiệt lượng đẳng nhiệt xác nhận việc bổ sung sợi nano cellulose hầu như không làm thay đổi tổng nhiệt thủy hóa. Như vậy, tác động chính của vật liệu này nằm ở điều chỉnh đặc tính lưu biến chứ không làm biến đổi bản chất hóa học của xi măng.

Quan sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy sự phân bố sợi đồng đều và cấu trúc ma trận đặc chắc hơn. Khi chỉ tăng tỷ lệ đá vôi nghiền, cường độ nén giảm do giảm lượng xi măng hoạt tính. Tuy nhiên, việc bổ sung sợi nano cellulose đã bù đắp đáng kể sự suy giảm này, giúp duy trì cường độ nén và cường độ uốn ở mức phù hợp.

Thử nghiệm in 3D quy mô lớn bằng robot cho thấy cấp phối tối ưu có thể in thành công 78 lớp trong điều kiện thử nghiệm vươn nhịp lớn, vượt hai cấp phối thương mại được thử nghiệm trong cùng điều kiện.

Giảm 40% xi măng và tác động tới hệ số clinker

So với hệ xi măng portland thông thường, cấp phối tối ưu đạt mức giảm xi măng tới 40% mà vẫn bảo đảm tính công tác và hiệu năng cơ học. Khi lấy cường độ nén làm đơn vị chức năng để so sánh, giá bán tối thiểu giảm hơn 12% và tiềm năng nóng lên toàn cầu giảm 34,4%.

Phân tích độ nhạy cho thấy lợi ích kinh tế vẫn duy trì ngay cả khi giá nguyên liệu biến động trong khoảng cộng trừ 30%, cho thấy tính ổn định trong điều kiện thị trường thực tế.

Nghiên cứu cũng ghi nhận tính dị hướng cơ học của cấu kiện in, trong đó hướng lớp in ảnh hưởng đến cường độ uốn. Điều này cho thấy thiết kế quỹ đạo in có vai trò quan trọng trong ứng dụng kết cấu.

Việc giảm 40% xi măng trong bê tông in 3D không đồng nghĩa với thay đổi trực tiếp thành phần clinker trong sản xuất xi măng. Tuy nhiên, ở góc độ chuỗi giá trị, giải pháp này góp phần giảm nhu cầu sử dụng xi măng trên mỗi đơn vị công trình, qua đó gián tiếp tạo điều kiện tối ưu hệ số clinker và giảm phát thải CO₂.

Các nghiên cứu tiếp theo cần đánh giá độ bền lâu dài trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau và khả năng tương thích với các hệ bơm đùn đa dạng trước khi triển khai ở quy mô công nghiệp.

Buildata