Cơ chế tự chữa lành của bê tông thế hệ mới
Bê tông là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong ngành Xây dựng nhờ cường độ cao, khả năng chịu lực tốt và tuổi thọ lớn. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các vết nứt trong quá trình khai thác vẫn là thách thức lớn đối với độ bền lâu của công trình.
Các vết nứt có thể hình thành do co ngót, biến đổi nhiệt độ, tải trọng, tác động của môi trường hoặc quá trình lão hóa vật liệu. Dù chỉ ở kích thước rất nhỏ, chúng vẫn tạo điều kiện để nước, ion clorua và các tác nhân ăn mòn xâm nhập, làm suy giảm cốt thép, giảm khả năng chịu lực và rút ngắn tuổi thọ kết cấu. Theo đó, chi phí dành cho bảo trì, sửa chữa các công trình bê tông mỗi năm trên thế giới là rất lớn, đồng thời kéo theo tiêu hao thêm vật liệu, năng lượng và phát sinh chất thải xây dựng.
Trong bối cảnh ngành Xây dựng hướng tới phát triển bền vững và giảm phát thải, các nhà khoa học đang chuyển từ tư duy phát triển vật liệu có cường độ cao sang vật liệu có độ bền lâu, khả năng thích ứng và tự phục hồi. Bê tông tự chữa lành là một trong những hướng nghiên cứu tiêu biểu của xu thế này.
Thực tế, bê tông thông thường đã sở hữu khả năng tự phục hồi ở mức độ nhất định. Khi các vết nứt rất nhỏ xuất hiện và có nước thấm vào, một phần xi măng chưa thủy hóa tiếp tục phản ứng hoặc các hợp chất canxi trong bê tông kết hợp với CO₂ để hình thành tinh thể canxi cacbonat (CaCO₃), góp phần lấp đầy khe nứt.
Tuy nhiên, cơ chế tự phục hồi tự nhiên này chỉ hiệu quả đối với các vết nứt rất nhỏ và phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường. Vì vậy, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã phát triển các hệ bê tông tự chữa lành chủ động bằng cách tích hợp các tác nhân chữa lành ngay trong vật liệu.
Các hướng nghiên cứu hiện nay khá đa dạng, từ sử dụng vi khuẩn sinh khoáng, vi nang chứa polymer hoặc chất kết dính, vật liệu siêu hấp thụ nước (SAP), đến các hệ ống mao dẫn chứa tác nhân chữa lành. Khi bê tông xuất hiện vết nứt và có nước xâm nhập, các tác nhân này sẽ được kích hoạt, tạo ra vật liệu mới để lấp kín khe nứt, hạn chế sự xâm nhập của nước và các chất ăn mòn.
Trong số đó, bê tông sinh học sử dụng vi khuẩn được xem là một trong những hướng nghiên cứu triển vọng nhất. Một số chủng vi khuẩn thuộc nhóm Bacillus có khả năng tạo ra canxi cacbonat khi được kích hoạt bởi nước. Lớp khoáng chất này hoạt động như một chất hàn tự nhiên, giúp bịt kín các khe nứt và cải thiện khả năng chống thấm của bê tông.
Từ phòng thí nghiệm đến công trình thực tế
Một trong những nghiên cứu tiên phong về bê tông tự chữa lành được thực hiện bởi nhóm của GS Henk M. Jonkers tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan).
Nhóm nghiên cứu đã phát triển hệ bê tông tích hợp bào tử vi khuẩn cùng nguồn dinh dưỡng là canxi lactat. Khi nước thấm qua các vết nứt, vi khuẩn được kích hoạt và tạo ra canxi cacbonat để lấp kín khe nứt.
Các thử nghiệm cho thấy công nghệ này có thể tự hàn gắn các vết nứt nhỏ, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống thấm của bê tông.
Không chỉ dừng lại trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu Delft đã triển khai thử nghiệm vật liệu tự chữa lành tại một số công trình như lớp lót kênh tưới tiêu, kết cấu chống thấm, bãi đỗ xe và các hạng mục sửa chữa bê tông. Kết quả bước đầu cho thấy vật liệu hoạt động ổn định và mở ra triển vọng ứng dụng trong các công trình yêu cầu độ bền lâu cao.
Hiện nay, nhiều trường đại học và viện nghiên cứu tại châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ và Trung Quốc cũng đang phát triển các thế hệ bê tông tự chữa lành với mục tiêu nâng cao tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì trong suốt vòng đời khai thác.
Bên cạnh khả năng tự phục hồi, các nhà khoa học còn phát triển nhiều loại VLXD lấy cảm hứng từ cấu trúc của tự nhiên.
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 các loài nhuyễn thể. 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 năng lượng khi chịu va đập.
Từ nguyên lý này, các nhà khoa học đang nghiên cứu các hệ vật liệu xi măng có cấu trúc đa lớp hoặc đa cấp liên kết nhằm làm chậm quá trình lan truyền vết nứt và tăng khả năng hấp thụ năng lượng.
Ngoài xà cừ, cấu trúc của xương, tổ ong hay hệ rễ cây cũng đang được khai thác để phát triển các vật liệu nhẹ hơn nhưng vẫn duy trì khả năng chịu lực cao, mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng (VLXD) thông minh trong tương lai.
Góp phần giảm phát thải và kéo dài vòng đời công trình
Ý nghĩa của bê tông tự chữa lành không chỉ nằm ở khả năng vá các vết nứt. 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. Điều này đồng nghĩa với việc tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm tiêu thụ năng lượng và hạn chế phát sinh chất thải xây dựng trong suốt vòng đời công trình.
Đặc biệt, trong bối cảnh ngành xi măng hiện là một trong những lĩnh vực phát thải CO₂ lớn trên thế giới, việc nâng cao độ bền lâu của kết cấu được xem là giải pháp gián tiếp góp phần giảm phát thải carbon. Thay vì sản xuất thêm vật liệu để thay thế hoặc sửa chữa công trình xuống cấp, kéo dài tuổi thọ kết cấu sẽ giúp giảm nhu cầu sử dụng xi măng và các nguồn tài nguyên khác.
Chính vì vậy, nhiều chuyên gia nhận định tiêu chí đánh giá VLXD trong tương lai sẽ không chỉ là cường độ chịu lực, mà còn là khả năng thích ứng với môi trường, hiệu quả sử dụng tài nguyên và hiệu suất trong toàn bộ vòng đời công trình.
Dù đạt nhiều kết quả tích cực, bê tông tự chữa lành vẫn đang trong quá trình hoàn thiện để có thể ứng dụng rộng rãi.
Các rào cản hiện nay gồm chi phí sản xuất còn cao, khả năng duy trì hoạt động của tác nhân chữa lành trong thời gian dài, tính ổn định dưới các điều kiện khí hậu khác nhau, khả năng sản xuất quy mô lớn và việc xây dựng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật phục vụ thiết kế, thi công và nghiệm thu.
Đây được xem là những vấn đề cần tiếp tục được giải quyết trước khi vật liệu này có thể thay thế hoặc bổ sung cho bê tông truyền thống trên quy mô lớn.
Đối với Việt Nam, nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông, đô thị, nhà ở và các công trình ven biển đang gia tăng nhanh chóng. Trong khi đó, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, xâm nhập mặn và thời tiết cực đoan khiến nhiều công trình phải đối mặt với hiện tượng nứt bê tông và ăn mòn cốt thép, làm gia tăng chi phí bảo trì.
Bối cảnh này đặt ra yêu cầu phát triển các vật liệu có độ bền lâu cao hơn, trong đó bê tông tự chữa lành, bê tông hiệu năng cao (HPC), bê tông siêu tính năng (UHPC) và các vật liệu xi măng phát thải thấp được đánh giá là những hướng nghiên cứu giàu tiềm năng.
Phát triển VLXD xanh, vật liệu hiệu năng cao, tiết kiệm tài nguyên và giảm phát thải là xu hướng tất yếu của ngành Xây dựng trong giai đoạn mới. Đây không chỉ là yêu cầu đáp ứng các mục tiêu tăng trưởng xanh mà còn góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành VLXD Việt Nam.
Mặc dù hiện nay Việt Nam chưa có nhiều ứng dụng bê tông tự chữa lành ở quy mô công trình, song việc theo dõi các xu hướng công nghệ, đẩy mạnh nghiên cứu trong nước và từng bước thử nghiệm trên các công trình phù hợp sẽ tạo nền tảng cho việc tiếp cận các VLXD thế hệ mới.
Trong dài hạn, những công trình bền vững sẽ không chỉ được đánh giá bằng quy mô hay cường độ chịu lực, mà còn bởi khả năng duy trì hiệu năng trong suốt vòng đời khai thác. Bê tông tự chữa lành, cùng các vật liệu lấy cảm hứng từ tự nhiên, vì vậy đang được xem là một trong những hướng phát triển đáng chú ý của ngành VLXD trên con đường hướng tới xây dựng xanh, kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.
Thu Thảo
