Loại vật liệu xây nhà nào có thể chống chọi với động đất?

Các vụ động đất xảy ra ngày càng thường xuyên, với quy mô và mức độ nghiêm trọng đã đặt ra những nhu cầu cấp thiết trong việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu có khả năng chống chọi với các cơn địa chấn.

Mới đây, trận động đất ở Thổ Nhĩ Kỳ đã cướp đi sinh mạng của hơn 15.000 người ở Thổ Nhĩ Kỳ và Syria một lần nữa gióng lên hồi chuông về công tác phòng chống, ứng phó, khắc phục hậu quả của động đất.  Các chuyên gia cho biết có nhiều yếu tố khiến trận động đất mạnh xảy ra ở Thổ Nhĩ Kỳ và Syria trở nên đặc biệt nguy hiểm như thời gian, vị trí, đường đứt gãy, kết cấu hạ tầng yếu kém...

Động đất là gì?

Động đất là sự rung chuyển trên bề mặt trái đất do kết quả của sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ trái đất và phát sinh ra sóng địa chấn. Các nguyên nhân tạo ra động đất có nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh.

Trong đó, nguyên nhân nội sinh là do vận động của các mảng kiến tạo trong vỏ trái đất, dẫn đến các hoạt động đứt gãy hoặc phun trào núi lửa ở các đới hút chìm.

Nguyên nhân ngoại sinh là do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn; do sụp lở các hang động ngầm dưới mặt đất và động đất do các vụ trượt lở đất đá tự nhiên với khối lượng lớn.

Tương tự, nguyên nhân nhân sinh dẫn đến động đất là do hoạt động làm thay đổi ứng suất đá gần bề mặt, đặc biệt là các vụ thử hạt nhân, nổ nhân tạo dưới lòng đất hoặc tác động của áp suất cột nước của các hồ chứa nước, hồ thủy điện.

Mức độ động đất được xác định bằng độ Richter. Theo đó, động đất thường làm rung cuộn mặt đất, gây ra hiện tượng nứt vỡ, làm sụp đổ các công trình xây dựng, gây sạt lở đất, lở tuyết. Mức độ nghiêm trọng của nó dựa trên cường độ, khoảng cách tính từ chấn tâm, và các điều kiện về địa chất.

Ngoài ra, các trận động đất xảy ra dưới đáy biển có thể gây ra lở đất hay biến dạng đáy biển, làm phát sinh sóng thần. Đôi khi động đất còn khiến núi lửa hoạt động, thậm chí là những núi lửa đã tắt từ lâu.

Loại vật liệu nào có khả năng chống động đất?

Động đất là một thiên tai không thể dự báo trước, nếu có cũng trong thời khoảng rất ngắn nên không thể tránh được. Tuy nhiên, vẫn có thể chủ động trong việc thi công, xây dựng để hạn chế thiệt hại do động đất gây ra.

Theo đó, cách đối phó tốt nhất là ở những khu vực nhiều động đất là cần xây những tòa nhà kiên cố, chống rung bằng những loại vật liệu chất lượng. Trong đó, vật liệu chống động đất cần có độ cứng và độ dẻo nhất định, cần có trọng lượng nhẹ để giảm tải trọng quán tính.

1. Bê tông dạng phun (EDCC)

Các nhà khoa học Canada tạo ra một loại bê tông mới có khả năng chống động đất nhờ sức bền và độ dẻo dai giống thép. Vật liệu này được gọi là xi măng composite dễ uốn dẻo (EDCC) với thành phần chính là tro bay và một sản phẩm phụ trong công nghiệp.

Đây là loại bê tông dạng xịt, bền, dẻo, thân thiện với môi trường, giúp cho bức tường của các tòa nhà chắc chắn như thép và có khả năng chống chịu những trận động đất lớn.

Sản phẩm EDCC có những đặc điểm rất giống với thép. Vật liệu này có độ bền, dẻo dai và dễ uốn hơn bê tông thông thường. Cụ thể, thay vì bị bẻ cong và có thể đổ về một phía có lực tác động lớn sau khi có vết nứt bê tông EDCC sẽ làm cho tòa nhà vững chắc hơn nếu chúng bị rung chuyển bởi động đất và vẫn bình thường nếu có một trận động đất với cường độ lớn tác động.

2. Bê tông uốn cong

Thay vì dùng xi măng truyền thống, loại bê tông mới sử dụng tro bay để làm chất kết dính, kết hợp với các sợi sợi polymer tổng hợp, cho phép duy trì những vết nứt gãy nhỏ như sợi tóc mà không bị vỡ thành từng mảnh.

Do không cần nung đá vôi để chế tạo xi măng, quá trình sản xuất bê tông uốn cong tiêu thụ năng lượng ít hơn 36%, đồng thời phát thải khí nhà kính carbon dioxide thấp hơn 76% so với bê tông truyền thống.

Các thử nghiệm thực tế cho thấy, khi chịu cùng một lực tác động, bê tông từ tro bay và sợi polymer tổng hợp cho khả năng uốn cong gấp 400 lần bê tông thông thường, khiến vật liệu trở nên lý tưởng để sử dụng ở những khu vực thường xuyên xảy ra động đất.

3. Bê tông đúc sẵn

Bê tông đúc sẵn có khả năng chống động đất bởi có thể hấp thụ các tác động cực đoan, có nghĩa là loại vật liệu này có thể chống lại các lực có áp suất cao.

Bên cạnh đó, sự kết hợp giữa cường độ nén của bê tông và cường độ kéo của cốt thép trong bê tông dẫn đến khả năng bảo vệ tối ưu, chống lại tải trọng cao. Các kết nối giữa các yếu tố bê tông đúc sẵn riêng lẻ cũng đóng một vai trò quan trọng bởi khả năng chống lại lực đẩy, lực cắt ngoài và các lực khác.

Đặc biệt, một ứng dụng đặc biệt cho bê tông đúc sẵn là thu thập dữ liệu dựa trên cảm biến. Cụ thể, các vi mạch được đặt vào trong bê tông, giúp thu thập thông tin về tải trọng và lực ảnh hưởng đến kết cấu xây dựng.

Trong trường hợp xảy ra động đất, các vi mạch tích hợp có thể gửi tín hiệu về máy chủ của tòa nhà, nhờ đó có thể cảnh báo sớm động đất. Ngoài ra, điều này giúp cho việc thu thập thông tin hữu ích cho các công trình xây dựng trong tương lai trở nên dễ dàng hơn.

4. Gạch chống địa chấn

Để hạn chế tối đa hậu quả mà động đất gây ra, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bách khoa Valencia đã thiết kế loại gạch chống địa chấn Sisbrick. Gạch chống địa chấn có thể dễ dàng tích hợp vào các kỹ thuật xây dựng truyền thống mà không cần đến các biện pháp hay thiết bị bổ sung. 

Trong xây dựng, loại gạch này giúp cải thiện khả năng ứng phó với động đất có sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, Sisbrick được dùng chủ yếu cho các bức tường phân vùng với khả năng chống chịu tác động của địa chấn nhưng không giải quyết được thiệt hại trên diện rộng gây ra bởi các trận động đất.

Ưu điểm của gạch Sisbrick là hấp thụ các vận động theo chiều ngang do địa chấn, phân lập các bức tường phân vùng từ khung công trình. Hiệu quả sử dụng như một rào cản, tránh việc chuyển tải từ các bức tường phân vùng tới cấu trúc chính của tòa nhà.