Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas A&M (Mỹ) mới đây đã giới thiệu một ý tưởng đầy sáng tạo: ứng dụng địa y nhân tạo để chế tạo loại bê tông có thể tự vá kín các vết nứt mà không cần sự can thiệp của con người.
Nền tảng: tại sao cần bê tông biết “tự chữa”
Mục lục
Bê tông, dù là vật liệu xây dựng phổ biến nhất toàn cầu, lại là nguồn gây ô nhiễm khí nhà kính lớn, chiếm từ 7–8% tổng lượng CO₂ toàn cầu. Những vết nứt dù rất nhỏ cũng sẽ làm giảm độ bền, gây thấm nước, ăn mòn cốt thép và khiến cần bảo trì, sửa chữa nhiều lần, kéo theo chi phí và ảnh hưởng môi trường tăng cao
Các nhà khoa học đã phát triển một loại địa y tổng hợp – sinh vật cộng sinh giữa nấm và vi khuẩn lam – có khả năng tự sửa chữa bê tông. Vi khuẩn lam trong địa y hấp thụ năng lượng từ ánh sáng và không khí, còn nấm tạo ra canxi cacbonat, vật liệu cứng có trong vỏ sò, san hô và bê tông La Mã cổ.
Khi trộn vào bê tông, địa y sẽ tự sản sinh vật liệu mới để lấp kín vết nứt mà không cần bổ sung dinh dưỡng, khác hẳn các công nghệ tự phục hồi truyền thống. Thử nghiệm cho thấy, dưới điều kiện ánh sáng và không khí tự nhiên, chúng có thể tự vá bề mặt bê tông, kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì.
Bê tông tự chữa (self-healing concrete) là một bước tiến công nghệ, được thiết kế để “tự phục hồi” vết nứt mà không cần đến quá trình bảo trì thủ công. Đây là giải pháp tiềm năng giúp kéo dài tuổi thọ công trình, tiết kiệm chi phí và giảm tác động môi trường – đặc biệt cấp bách trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu hạ tầng toàn cầu ngày càng tăng
Cơ chế tự chữa: Từ tự nhiên đến nhân tạo
Tính năng này rất bất ngờ dưới sự quan sát các cây địa y mọc trên bê tông đã giúp cho vật liệu có thể tự hồi phục được. Cùng công ty cổ phần xây dựng T&C Việt Nam tìm hiểu về cơ chế và việc vận dụng để phát triển vật liệu bê tông mới nhé.
Tự chữa tự phát (Autogenous healing)
Bê tông truyền thống có khả năng tự phục hồi ở mức độ rất hạn chế nhờ phản ứng hydrat hóa xi măng tồn còn, tạo ra các chất như C-S-H hay calcite để “vá” vết nứt, đặc biệt khi có nước. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ xảy ra với các vết nứt nhỏ (10–300 µm).
Thêm các thành phần thúc đẩy tự chữa
Nếu thêm các thành phần thúc đẩy quá trình phục hồi bê tông thì có thể tạo ra được vật liệu tự phục hồi. Mong rằng các bước tiến công nghệ cũng sẽ nghiên cứu và phát triển đối với các sản phẩm bê tông nhựa Asphalt thì thật tuyệt vời. Sau đây là các thành phần được sử dụng để thêm vào quá trình sản xuất bê tông:
- Polymer siêu hấp thụ (SAP/hydrogel): hấp thụ nước gấp nhiều lần trọng lượng của bản thân, phồng lên khi nứt hình thành, vừa ngăn vết nứt lớn vừa kích hoạt hydrat hóa bên trong
- Vi nang chứa chất chữa (microcapsules): khi bê tông nứt, các vỏ nang vỡ, giải phóng chất chữa làm đầy vết nứt. Tuy nhiên, cần đảm bảo độ ổn định lâu dài trong môi trường kiềm cao
- Cốt liệu sợi (fiber-reinforced concrete): sử dụng sợi thủy tinh, polypropylene hoặc thép để hạn chế độ rộng vết nứt, giúp hiệu quả tự chữa tốt hơn
Tự chữa sinh học
Dưới tác dụng của các loài cây và vi khuẩn, cũng có thể thúc đẩy quá trình “tự vá” này, nhờ các cơ chế:
- Vi khuẩn tạo canxit (MICP): vi khuẩn như Sporosarcina pasteurii hoặc Bacillus subtilis dùng CO₂ và canxi để tạo canxit (CaCO₃), lấp đầy vết nứt. Đây là cơ sở của bê tông tự lành theo cơ chế sinh học
- Liên kết nấm–tảo (synthetic lichen): sản phẩm của nghiên cứu từ Texas A&M. Tảo lam quang hợp, nấm tạo khoáng vật kết hợp hoạt động như một hệ sinh thái nhỏ, sản xuất các tinh thể để bịt kín vết nứt mà không cần can thiệp phát lại
Học theo bê tông cổ đại
Các cấu trúc La Mã tồn tại hàng nghìn năm nhờ thành phần như “lime clasts” và tro núi lửa giúp bê tông tự lành theo thời gian khi tiếp xúc nước – bằng cách tái tạo canxit và làm kín vết nứt. Các nghiên cứu hiện đại tại MIT đã đăng ký bằng sáng chế để tái tạo bê tông tự chữa kiểu La Mã
Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng
Việc bê tông có thể tự phục hội – hay tự chữa lành vết nứt gãy – sẽ có nhiều ứng dụng tốt đẹp cho công trình và trong thực tế. Các ứng dụng đó là:
Kéo dài tuổi thọ công trình
Một số nghiên cứu cho thấy, bê tông tự chữa có thể tăng tuổi thọ từ khoảng 20 năm lên đến 80 năm. Với sự kết hợp từ các công nghệ sinh học và vật liệu thông minh, tuổi thọ và an toàn kết cấu được cải thiện đáng kể.
Tiết kiệm chi phí và môi trường
Giảm nhu cầu sửa chữa, bảo trì và bù đắp vật tư trong các dự án dài hạn giúp giảm chi phí và lượng phát thải. Việc giảm nhu cầu sản xuất xi măng và bê tông mới là đóng góp không nhỏ nhằm giảm khí nhà kính toàn cầu.
Tương lai gần: bê tông “sống”
Các công nghệ mới như bê tông sử dụng mô phỏng lichen nhân tạo mô phỏng như một hệ sinh thái mini, có thể tự duy trì và tự chữa vết nứt với ánh sáng, nước và CO₂ có tiềm năng trở thành “bê tông sống” trong ngành xây dựng
Thách thức và hướng đi
Tất nhiên mỗi công nghệ mới đều có nhiều thách thức. Và những vấn đề gặp phải đối với công nghệ bê tông tự chữa này có thể kể đến là:
Chi phí và độ ổn định
Các công nghệ như phủ vi nang, vi sinh và cốt liệu đặc biệt có thể tốn kém. Cần chứng minh độ bền lâu dài, khả năng thích nghi với các điều kiện thời tiết và tải trọng trường.
Tiêu chuẩn và chấp nhận ngành
Ngành xây dựng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng và an toàn. Việc áp dụng bê tông tự chữa cần có tiêu chuẩn kỹ thuật rõ ràng và chứng nhận thực tế.
Kết hợp giải pháp
Một hướng triển khai hiệu quả là kết hợp công nghệ truyền thống (SAP, cốt liệu sợi) với cơ chế sinh học (vi sinh hoặc fungi–tảo) để tạo ra bê tông đa năng, ổn định, an toàn và thích ứng với thực tế xây dựng
Kết luận
Vật liệu bê tông “biết tự chữa lành” không còn là khái niệm xa lạ – từ phương pháp tự phát cho đến công nghệ vi sinh và nhân tạo, chúng đang định hình tương lai xây dựng bền vững. Nếu được ứng dụng rộng rãi, loại bê tông này có thể kéo dài tuổi thọ kết cấu, giảm chi phí và lượng khí thải, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành xây dựng xanh.