Giảm phát thải từ khâu thiết kế cấu kiện
Bê tông tiếp tục giữ vai trò vật liệu chủ lực trong xây dựng hạ tầng và công trình dân dụng. Tuy nhiên, lượng phát thải lớn trong quá trình sản xuất xi măng, cùng nhu cầu sử dụng bê tông và thép với khối lượng lớn, đang đặt ra yêu cầu đổi mới phương thức thiết kế, chế tạo cấu kiện theo hướng tiết kiệm tài nguyên và giảm carbon.
Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), phát thải CO₂ từ ngành xi măng và bê tông vẫn cao hơn năm 2015. Mặc dù một số giai đoạn ghi nhận phát thải giảm do sản lượng toàn cầu suy giảm, cường độ phát thải trực tiếp chưa có chuyển biến tương xứng. IEA cho rằng, bên cạnh nhiên liệu thay thế, vật liệu bổ sung và công nghệ thu giữ carbon, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu là một trong những giải pháp cần thiết để đưa ngành xi măng, bê tông tiến gần mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.
Trong bối cảnh đó, tối ưu cấu kiện bê tông được xem là hướng tiếp cận đáng chú ý. Thay vì chỉ tìm cách sản xuất một tấn xi măng với lượng phát thải thấp hơn, phương pháp này hướng tới giảm lượng vật liệu cần thiết ngay từ khâu thiết kế, đồng thời vẫn đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu lực, độ bền và an toàn công trình.
Khác với thiết kế cấu kiện truyền thống thường sử dụng hình dạng hình học đơn giản, tối ưu cấu kiện dựa trên phân tích đường truyền lực, phân bố ứng suất và xác định những vùng vật liệu thực sự cần thiết. Nhờ đó, vật liệu có thể được tập trung tại những khu vực chịu lực lớn và giảm bớt ở những vùng đóng góp ít hơn vào khả năng làm việc của kết cấu.
MIT thử nghiệm dầm bê tông giảm hơn 60% lượng vật liệu
Một nghiên cứu được MIT công bố ngày 06/11/2026 trên Journal of Building Engineering đã đưa ra ví dụ cụ thể về tiềm năng của phương pháp tối ưu cấu kiện.
Nghiên cứu mang tên Affordable construction of topology optimized reinforced concrete through fabric formwork do Mark Hellrich, Abhinit Sati, Jackson Jewett, Edward Chien, Emily Whiting và Josephine V. Carstensen thực hiện. Nhóm nghiên cứu kết hợp phương pháp tối ưu hóa hình học kết cấu với công nghệ khuôn vải để chế tạo dầm bê tông cốt thép có hình dạng phức tạp nhưng vẫn sử dụng được phương thức thi công tương đối đơn giản.
Cấu kiện thử nghiệm có chiều dài 3 m, được thiết kế bằng phương pháp tối ưu hóa cấu trúc và so sánh với một dầm thông thường có khả năng chịu tải tương đương theo thiết kế. Kết quả cho thấy, dầm tối ưu sử dụng ít hơn khoảng 67,2% lượng bê tông và 52% lượng thép cốt so với dầm đối chứng.
Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu không chỉ xây dựng mô hình trên máy tính mà còn chế tạo cấu kiện thực tế. Hình dạng dầm được chuyển thành các tấm vải cắt, may theo mẫu tự động và lắp đặt trên khung gỗ đơn giản. Sau khi đổ bê tông, khuôn vải được tháo bỏ, tạo ra cấu kiện có hình dạng phù hợp với thiết kế tối ưu.
Trong thử nghiệm tải ở điều kiện sử dụng, độ võng đo được tại giữa dầm sai khác khoảng 2% so với kết quả dự đoán của mô hình phần tử hữu hạn. Tuy nhiên, cần lưu ý đây mới là thử nghiệm chứng minh tính khả thi ở mức tải sử dụng, chưa phải kết quả thử phá hoại toàn bộ cấu kiện hoặc xác nhận khả năng ứng dụng đại trà.
Theo nhóm nghiên cứu, ưu điểm của phương pháp là giảm yêu cầu về khuôn cứng, thiết bị gia công chuyên dụng và khả năng chế tạo cấu kiện có hình dạng phức tạp. Khuôn vải nhẹ, dễ vận chuyển, có thể được chuẩn bị tại xưởng và đưa đến công trường.
Dù vậy, hiệu quả kinh tế còn phụ thuộc điều kiện lao động và quy mô sản xuất. MIT cho biết, với một cấu kiện đơn lẻ, phương pháp này có thể tiết kiệm khoảng 10 – 20% chi phí tại một số khu vực thuộc các nước đang phát triển, trong khi tại các nền kinh tế có chi phí nhân công cao, chi phí có thể tăng 16 – 55%. Điều đó cho thấy, giảm vật liệu chưa đồng nghĩa với giảm tổng chi phí trong mọi trường hợp.
Tối ưu thiết kế: giảm phát thải từ lượng vật liệu sử dụng
Giá trị của nghiên cứu MIT không chỉ nằm ở hình dạng cấu kiện mới, mà còn ở cách kết hợp tĩnh học đồ họa và tối ưu hóa hình học kết cấu (topology optimization) để xác định đường truyền lực, bố trí cốt thép và loại bỏ những vùng vật liệu không cần thiết. Nhờ tối ưu đồng bộ hình học và cốt thép, cấu kiện có thể giảm lượng bê tông, thép sử dụng mà vẫn đáp ứng yêu cầu chịu lực.
Tuy nhiên, giảm vật liệu không đồng nghĩa với giảm phát thải carbon tương ứng. Lượng phát thải còn phụ thuộc vào thành phần bê tông, hàm lượng xi măng và thép, nguồn nguyên liệu, năng lượng sản xuất và vận chuyển. Vì vậy, kết quả giảm 67,2% bê tông và 52% thép của nghiên cứu MIT phản ánh mức tiết kiệm vật liệu, chưa phải mức giảm phát thải được đo trực tiếp. Đánh giá hiệu quả môi trường cần dựa trên phân tích vòng đời (LCA), so sánh các cấu kiện trong cùng điều kiện kỹ thuật.
Tối ưu hình học sẽ phát huy hiệu quả rõ hơn khi kết hợp với các giải pháp giảm phát thải trong sản xuất bê tông, đặc biệt là giảm hàm lượng clinker và sử dụng vật liệu bổ sung phù hợp.
Tại Việt Nam, nghiên cứu “Evaluation of Carbon Emission Reduction in Concrete Using Fly Ash and Slag: Case Studies from Vietnam”, đăng trên Journal of Science and Transport Technology năm 2025, đã đánh giá tác động của việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay và xỉ.
Kết quả cho thấy, thay thế 20 – 40% xi măng bằng tro bay có thể giảm phát thải từ 9,14 – 40%, tùy cấp phối và điều kiện nghiên cứu. Với phương án thay thế 40% xi măng bằng xỉ, mức giảm phát thải đạt 31,84%. Đáng chú ý, cấp phối kết hợp 20% tro bay và 20% xỉ giúp giảm 32,16% phát thải, trong khi cường độ chịu nén đạt khoảng 50 MPa.
Những kết quả này cho thấy, giảm lượng xi măng trong một đơn vị bê tông có thể đem lại hiệu quả đáng kể. Tuy nhiên, tỷ lệ thay thế không thể áp dụng đồng loạt cho mọi loại cấu kiện. Cấp phối cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu cường độ, độ bền, môi trường làm việc, thời gian tháo khuôn và điều kiện thi công.
Bên cạnh đó, nghiên cứu của Trường Đại học Xây dựng miền Tây công bố năm 2026 về phát thải vòng đời của các loại bê tông phổ biến tại Việt Nam cho thấy lượng phát thải có thể dao động từ khoảng 162,78 – 913,125 kg CO₂/m³, tùy loại bê tông và cấp phối. Bê tông thương phẩm thông thường có mức phát thải trung bình khoảng 220 kg CO₂/m³ trong phạm vi nghiên cứu, trong khi bê tông cường độ cao và bê tông UHPC có thể đạt mức phát thải lớn hơn đáng kể.
Điều này cho thấy, tăng cường độ để giảm kích thước cấu kiện chưa chắc mang lại lợi ích môi trường nếu không đồng thời kiểm soát lượng vật liệu và phát thải.
Thực tiễn tại Việt Nam cũng ghi nhận tiềm năng sử dụng phụ phẩm công nghiệp. Nghiên cứu tại ĐBSCL về bê tông và gạch lát sử dụng tro bay, xỉ đáy cho thấy chi phí sản xuất giảm khoảng 25% đối với bê tông và 34% đối với gạch lát so với vật liệu thông thường. Kết quả bước đầu cho thấy khả năng kết hợp tiết kiệm tài nguyên, giảm chi phí và tận dụng vật liệu tái chế.
Để triển khai cấu kiện tối ưu hình học tại Việt Nam, cần tiếp tục kiểm chứng khả năng chịu tải, độ bền lâu, kiểm soát nứt, bố trí cốt thép và tính khả thi trong thi công. Các cấu kiện có hình dạng phức tạp cũng đòi hỏi quy trình chế tạo, kiểm tra chất lượng và bảo trì phù hợp.
Hiệu quả cần được đánh giá trên cơ sở tổng chi phí vòng đời, thay vì chỉ so sánh giá vật liệu ban đầu. Một cấu kiện tiết kiệm bê tông nhưng làm tăng đáng kể chi phí chế tạo, vận chuyển hoặc bảo trì chưa chắc là phương án tối ưu.
Có thể thấy, giảm phát thải ngành Xây dựng không chỉ phụ thuộc vào lựa chọn vật liệu, mà còn bắt đầu từ cách thiết kế và sử dụng vật liệu. Khi tiêu chí carbon được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế, kết hợp tối ưu cấu kiện, bê tông phát thải thấp và kiểm soát vòng đời, ngành Xây dựng có thể nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, giảm tác động môi trường và thúc đẩy chuyển dịch xanh.
Thúy Vy
