Phát Triển Phương Pháp Lập Trình Xi-măng, Giúp Bê-tông Bền Vững Hơn

Tháng 12/2016, nhóm nghiên cứu đến từ trường đại học Rice đã phát triển phương pháp lập trình cho các hạt xi-măng, khiến chúng có thể sắp xếp thành các hình dạng đặc biệt, giúp bê-tông trở nên bền, cứng hơn, ít xốp hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Theo đó, nhóm nghiên cứu của đại học Rice đã nghiên cứu về cách kết tinh của xi-măng Calcium-Silicate Hydrate, và áp dụng cơ chế để tổng hợp các hạt Calcium-Silicate Hydrate thành những hình dạng nhất định. Kết quả là, thay vì hình thành những viên tròn vô định hình, nhóm nghiên cứu đã biến những hạt Calcium-Silicate Hydrate thành hình khối vuông, hình lăng trụ chữ nhật, hình cây, tam giác… khiến chúng có thể gắn kết với nhau chặt chẽ hơn. Nhờ đó, bê-tông sẽ có thể chống thấm nước tốt hơn và ngăn ngừa khả năng vật liệu bị phá hủy từ bên trong.

Rouzbeh Shahsavari – trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi gọi đây là xi-măng khả trình. Nghiên cứu mới đã đặt bước đi đầu tiên trong việc điểu khiển động lực của xi-măng, nhằm tạo ra hình thù theo ý muốn. Phương pháp điều khiển hình thái và kích thước của các khối xây dựng cơ bản nhất của hạt Calcium-Silicate Hydrate sẽ khiến chúng có thể tự lắp ghép thành các vi kiến trúc với mật độ gắn kết lớn hơn nhiều so với những vi kiến trúc Calcium-Silicate Hydrate vô định hình thông thường”

Để hướng dẫn cho các hạt xi-măng hình thành những hình dạng theo ý muốn, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các hợp chất hoạt động bề mặt và calcium silicate với điện tích dương hoặc âm, trước khi cho hỗn hợp Calcium-Silicate Hydrate tiếp xúc với CO2 và sóng siêu âm. Sự thay đổi về hàm lượng calcium silicate đã tác động đến hình dạng mà các hạt xi-măng tạo thành. Hàm lượng ít sẽ khiến các hạt tạo ra hình khối tròn trịa và khối vuông cỡ nhỏ, tăng hàn lượng sẽ tạo thành các khối cầu xen lẫn và những khối hộp liên kết với nhau.

Sau khoảng 25 phút, các hạt kết tinh hình thành xung quanh chất hoạt động bề mặt và chính những hạt lại thu hút các phẩn tử gần đó, để tự lắp ghép thành những phiên bản lớn hơn của hình dạng mà chúng đã tạo ra ban đầu. Nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát số lượng, kích thước và hình dạng cuối cùng của các hạt xi-măng thông qua tùy biến mật độ ban đầu, nhiệt độ và thời gian định hình ban đầu của các hạt. Các thông tin sẽ được ghi chép thành một biểu đồ hình thái để cung cấp cho các nhà sản xuất vật liệu và đơn vị xây dựng, giúp họ tạo ra loại bê-tông tốt hơn với các đặc tính theo ý muốn.

Để thử nghiệm độ cứng của các hình thái hạt khác nhau, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một mũi dùi nano với phần đầu bằng kim cương để nghiền từng hạt với số lượng lên đến hàng trăm nhằm thu thập dữ liệu cơ học chi tiết. Rouzbeh Shahsavari chia sẻ: “Nhiều nhóm nghiên cứu khác cũng đã từng thử nghiệm nhiều loại xi-măng và bê-tông cỡ lớn, nhưng chưa từng xem xét đặc tính cơ học của từng hạt xi-măng Calcium-Silicate Hydrate và tác động của hình dạng đối với đặc tính cơ học của các hạt xi-măng riêng biệt”

Hoạt động sản xuất xi-măng là một trong những tác nhân lớn nhất gây ra khí thải nhà kính. Việc tìm ra các giải pháp để giảm lượng xi-măng sản xuất luôn được ưu tiên hàng đầu. Shahsavari giải thích: “Các công trình sẽ không cần nhiều xi-măng, vì nó đã cứng hơn trước. Bắt đầu từ việc các hạt tạo hình dính kết với nhau chặt chẽ hơn, tạo ra những vi cấu trúc cứng cáp hơn. Cùng với đó là độ bền cao hơn, vì bê-tông càng ít lỗ hổng, các chất hóa học không mong muốn sẽ ít có cơ hội xâm nhập, giúp bảo vệ phần thép gia cường bên trong tốt hơn”