Dùng thủy tinh tái chế thay thế cát trong bê tông in 3D

Đổi “công thức” trộn vật liệu

Trong vòng 10 năm trở lại đây, bê tông in 3D đã nhen nhóm một cuộc cách mạng mới trong kiến trúc và xây dựng. Công nghệ mới này có thể tạo ra một loạt cấu trúc hình thể khác nhau mà phương pháp đúc bê tông khuôn truyền thống khó lòng làm được, từ đó tạo ra các công trình với chi phí thấp hơn và tiết kiệm thời gian hơn.

Tùy vào hỗn hợp được sử dụng, một ngôi nhà in bê tông 3D có thể tồn tại lên tới 100 năm như những ngôi nhà được làm bằng bê tông khối. Nhà in 3D cũng thúc đẩy sự sáng tạo và tự do trong thiết kế. Ở nhiều nơi như Dubai, người ta đã công bố đến năm 2025, khoảng 25% số tòa nhà mới trong thành phố sẽ được thực hiện bằng máy in 3D.

Tuy nhiên, vấn đề của bê tông là chúng có tác động môi trường đáng kể. Không kể đến xi măng, loại vật liệu quan trọng của bê tông mà ngành công nghiệp sản xuất ra nó đang chịu trách nhiệm cho khoảng 8-9% lượng khí thải CO2 nhân tạo toàn cầu, một lượng lớn cát tự nhiên cũng đang ngày đêm bị khai thác hợp pháp và bất hợp pháp từ các bãi bồi ven sông để đáp ứng nhu cầu bê tông khổng lồ của thế giới.

TS. Trần Phương tại Khoa Kỹ thuật của Đại học RMIT, Melbourne, Úc nói rằng nhóm nghiên cứu của anh muốn giảm lượng cát tự nhiên trong bê tông bằng một vật liệu tái chế có tính chất và thành phần tương tự là thủy tinh tái chế để tăng tính ‘xanh’ cho công nghệ.

Vì thủy tinh cũng làm từ cát nên họ đã nghiền nhỏ các mảnh thủy tinh vứt đi như gương, kính, chai lọ… đến kích cỡ nhỏ như sợi tóc để trộn vào bê tông. Điều này thoạt nghe có vẻ đơn giản nhưng nút thắt ở đây là làm sao đổi công thức phối trộn mà vẫn khiến bê tông in ra trơn tru và không bị thay đổi cấu trúc.

Để làm được điều đó, họ đã phải thay đổi các hóa chất nền để đảm bảo tính dẻo của hỗn hợp khiến chúng có thể đi qua được các đầu in 3D mà không bị đứt quãng. Kích cỡ của hạt thủy tinh cũng đóng vai trò rất quan trọng. TS. Phương nói rằng nếu hạt thủy tinh quá lớn sẽ ảnh hưởng đến sự đồng nhất của vật liệu, tạo ra các phản ứng hóa học phụ trong quá trình trộn, về lâu dài sẽ sinh ra các vết nứt trong xi măng làm bê tông kém đi, nhưng nếu chúng quá nhỏ thì sẽ tốn rất nhiều năng lượng để mài giũa đến kích cỡ mịn như cát. Do vậy, nhóm của anh đã khảo sát để tìm ra khoảng tối ưu “không quá nhỏ, cũng không quá lớn” cho các hạt vật liệu thay thế.

Hiện nay, bê tông in 3D chưa thể loại bỏ cát hoàn toàn, do vậy một trong những mục tiêu quan trọng là xem xét mức thay thế cát bằng thuỷ tinh lớn nhất có thể mà không gây ảnh hưởng lớn tới cấu trúc in 3D. Họ phát hiện ra con số có thể lên tới 50%, tiết kiệm gần một nửa lượng cát phải dùng so với việc in 3D theo cách thông thường.

Khi bổ sung thủy tinh nhiều như vậy, các tác giả còn khám phá ra những mối tương quan thú vị giữa đặc tính cơ học và cấu trúc vi mô của vật liệu Chẳng hạn, nếu in bê tông 3D theo hướng song song với dầm thì sự có mặt của các hạt thủy tinh có thể làm giảm độ bền uốn của bê tông từ 8% đến 20%, nhưng nếu in vuông góc thì lại làm tăng độ bền uốn từ 25% đến 33%.

Nghiên cứu sinh Junli Liu, đồng tác giả của bài báo nghiên cứu đăng trên tạp chí Construction and Building Materials nói rằng việc sử dụng thủy tinh tái chế có thể giúp ngành xây dựng giảm phụ thuộc vào cát, đồng thời giúp giải quyết vấn đề rác thải thủy tinh đang chiếm không gian tại các bãi chôn lấp. Về bản chất, thủy tinh có thể tái chế hàng chục lần, nhưng mới chỉ có 21% thủy tinh trên thế giới được đem vào xử lý.

Khi nói đến việc thu gom và tái chế, điều quan trọng là tìm được ứng dụng đầu ra đủ lớn và hấp dẫn cho những sản phẩm tái chế. Các nghiên cứu của TS. Phương chứng minh rằng hoàn toàn có thể dùng thủy tinh tái chế làm bê tông in 3D chịu lực - một ngành công nghiệp mới đang hứa hẹn nhiều tiềm năng.

Ở Úc, nhóm của anh đã được một số doanh nghiệp địa phương đặt vấn đề trong việc xây dựng các ngôi nhà in 3D cho công nhân hoặc những người đi làm mùa vụ vốn dành thời gian chủ yếu trên công trường và cần những căn nhà tiện nghi, đơn giản, nhanh chóng. TS. Phương lý giải rằng, trước kia điều này là hiếm gặp, nhưng do nhận thức của xã hội nay đã khác, cộng thêm Chính phủ Úc có các chương trình phát triển công nghệ 4.0 với trọng tâm về sản xuất tiên tiến và tăng tính bền vững nên các doanh nghiệp có thêm nhiều động lực để tiếp cận.

Trên toàn thế giới, các doanh nghiệp đang có một sự hứng thú nhất định với những vật liệu thay thế. Tại Mỹ, không chỉ những công ty đổi mới sáng tạo quan tâm đến tái chế thủy tinh vào bê tông mà cả những doanh nghiệp sản xuất vật liệu bê tông truyền thống cũng đã bắt đầu rục rịch. Dù đây là sản phẩm cạnh tranh trực tiếp với những sản phẩm hiện tại của họ nhưng một số công ty vẫn đang âm thầm xây dựng những đội ngũ nghiên cứu nội bộ của riêng mình để bắt kịp xu hướng mới.

Khơi gợi những hợp tác về in 3D

Trong một nghiên cứu khác công bố trên tạp chí Automation in Construction đầu năm nay, các nhà khoa học của Đại học RMIT (Úc), Đại học HUTECH (Việt Nam) và Viện Công nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đề xuất các cấu trúc in 3D bằng nhựa lấy cảm hứng từ cấu trúc vi mô của xương để thay thế cho thép trong dầm bê tông. Nó có khả năng chịu lực mạnh hơn bốn lần và chống nứt cao hơn so với các mẫu bê tông được đúc bằng khuôn không có bất kỳ gia cố nào. Vì không sử dụng thép, bê tông cốt nhựa có khả năng khắc phục được một số điểm yếu của bê tông cốt thép như nặng và rỉ sét.

Tương tự như ý tưởng sử dụng thủy tinh tái chế trong bê tông, TS. Trần Phương cho biết việc sử dụng nhựa làm dầm trong bê tông cũng góp phần giải quyết những vấn đề rác thải nhựa hiện nay khi mới chỉ có khoảng 10 - 15% rác nhựa ở Việt Nam được thu gom tái chế. Anh tin rằng nếu có thể biến những rác thải này thành vật liệu xây dựng hữu ích một cách sáng tạo thông qua công nghệ in 3D thì sẽ có rất nhiều cánh cửa cơ hội mới được mở ra tại Việt Nam.

Cũng giống như Úc, Việt Nam đang đặt ra chiến lược phát triển công nghệ 4.0 trong đó có in 3D và robot. Mặc dù những nghiên cứu trong địa hạt này còn khá mới mẻ nhưng một số trường đại học hàng đầu trong nước và các đơn vị liên quan tới xây dựng, kiến trúc và công nghệ đã bắt đầu quan tâm xem xét. Là một nhà nghiên cứu đang làm việc tại Úc, TS. Phương hy vọng mình có thể trở thành cầu nối liên kết các bên để triển khai một số dự án chung về các công nghệ vật liệu tiên tiến cho tương lai.

Cuối năm ngoái, anh đã bắt đầu tham gia vào Dự án Hợp tác Đổi mới Giáo dục Đại học (PHER) của USAID kéo dài 5 năm với ngân sách 14,2 triệu USD nhằm hiện đại hoá ba đại học hàng đầu của Việt Nam là Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Đà Nẵng. “Trong khuôn khổ chương trình này, tôi muốn đưa một phần về công nghệ vật liệu mới vào để phần nào đó khơi gợi hoặc mở rộng sự quan tâm của mọi người về công nghệ in 3D”, TS. Phương bộc lộ.

Nhà bê tông in 3D thường được dùng khi nào? • Xây nhà thấp tầng: Giống như ngành công nghiệp sản xuất ô tô, người ta có thể dùng công nghệ in 3D khi muốn xây một loạt nhà thấp tầng, giống nhau, cùng kích cỡ, cùng thiết kế, khuôn mẫu. Những căn nhà này có thể góp phần giải quyết về nhu cầu nhà ở cho người thu nhập thấp hoặc cho những người làm việc mùa vụ. • Cho các công trình ở nơi xa xôi, không dễ tiếp cận với nhân lực và vật liệu xây dựng: Các thiết bị, máy móc để xây nhà in 3D có thể gói gọn trong một container xe tải lớn để chở đến những vùng xa xôi, sau đó lắp ráp thành máy in 3D và được một vài người điều khiển để in tại chỗ. Nhà in 3D có thể giảm khối lượng vật liệu lớn như cốp pha hay xi măng dư thừa, đồng thời đáp ứng được tình trạng thiếu hụt thợ xây có tay nghề ở các vùng hẻo lánh. • Tại những nơi hạn chế nguồn nước: Các nhà nghiên cứu ở Mỹ và châu Âu đã khởi động những dự án xem xét việc xây nhà trên Mặt trăng, sao Hỏa hay hoang mạc, và nhận ra công nghệ in 3D là phương án duy nhất triển khai được hiệu quả. So với phương pháp đổ bê tông truyền thống, bê tông in 3D cần rất ít nước và sử dụng một số hóa chất giúp bê tông cứng lại nhanh chóng ngay sau khi in ra.