Khám phá đặc tính của bê tông sinh học tự phục hồi

Bê tông chiếm một nửa tổng số vật liệu xây dựng trên thế giới, trong đó, khoảng 8 tỷ m³ bê tông được sản xuất mỗi năm, 1 m³ cho mỗi công dân trên thế giới. Với các ứng dụng từ nhà ở và công nghiệp đến cơ sở hạ tầng và quốc phòng ven biển, bê tông được coi là nền tảng của cuộc sống.

Tuy nhiên, theo thời gian, các vết nứt nhỏ trong kết cấu bê tông là không thể tránh khỏi do sự xuống cấp trong suốt thời gian sử dụng cùng với các yếu tố kết hợp tải trọng khác nhau. Theo đó, nhằm khắc phục những nhược điểm trên, bê tông tự phục hồi đã được nghiên cứu và hứa hẹn trở thành vật liệu thông minh mới trong ngành xây dựng.

Bê tông là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực xây dựng do cường độ, độ bền và tính năng. Thông thường, các thành phần của bê tông bao gồm xi măng, cát, cốt liệu và nước. Bằng cách trộn xi măng và nước, hỗn hợp này trải qua một quá trình hóa học gọi là hydrat hóa có thể liên kết tất cả các thành phần khác thành một, được gọi là bê tông.

Nhược điểm lớn của bê tông là độ bền và độ giòn thấp khiến nó dễ bị ảnh hưởng và dễ hình thành các vết nứt nhỏ ở bề mặt hoặc bên trong cấu trúc. Nứt bê tông có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào trong suốt vòng đời của vật liệu. Các vết nứt này có thể nhìn thấy bằng mắt thường hay rất nhỏ không thể nhìn thấy. Tựu chung, chúng đều là tác nhân gây ra hư hỏng, thậm chí phá vỡ công trình.

Theo truyền thống, vật liệu bê tông có thể được sửa chữa, cải tạo thông qua việc trang bị thêm để kéo dài khả năng sử dụng của kết cấu bê tông. Tuy nhiên quá trình này lại rất tốn kém và mất nhiều thời gian, đặc biệt, rất khó để sửa chữa tất cả các vết nứt một cách chính xác do không thể thấy được độ sâu và mức độ hư hỏng bên trong vật liệu bê tông.

Các nhà khoa học lấy cảm hứng từ thiên nhiên đã tạo ra loại bê tông tự phục hồi có khả năng tự sửa chữa nhờ hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn.

Bê tông sinh học là một dạng bê tông tự phục hồi được thiết kế để sửa chữa các vết nứt của chính nó. Nó được phát triển bởi nhà nghiên cứu và nhà vi trùng học người Hà Lan Hendrik Jonkers bằng cách sử dụng một thành phần bổ sung như một chất chữa bệnh và không cần sự can thiệp của con người để sửa chữa. Bê tông sinh học được thiết lập để cách mạng hóa ngành xây dựng. Theo đó, nhà phát minh bê tông tự phục hồi người Hà Lan đã lọt vào vòng chung kết của Giải thưởng Nhà phát minh Châu Âu

Bê tông tự phục hồi đôi khi còn được gọi là bê tông sinh học là một kỹ thuật tự phục hồi sử dụng vi khuẩn có thể lấp đầy các vết nứt trong bê tông bằng cách tạo ra kết tủa canxi cacbonat thông qua quá trình khoáng hóa sinh học. Cơ chế cơ bản của việc chữa lành vết nứt dựa trên vi khuẩn xảy ra khi vết nứt bê tông xảy ra. Nước sau đó sẽ rò rỉ qua các vết nứt hình thành và các lỗ mao dẫn của bê tông. Với sự có mặt của nước và chất dinh dưỡng bên trong nền bê tông, quá trình nảy mầm của vi khuẩn sẽ diễn ra và đá vôi sinh ra có thể lấp đầy các vết nứt.

Giải thích về cơ chế phục hồi của loại bê tông này, Van der Woerd cho biết, trong bê tông tự phục hồi, các bào tử vi khuẩn giải phóng đá vôi được đồng đúc vào bê tông. Nếu nước thấm vào bê tông, điều này sẽ ‘đánh thức’ các bào tử vi khuẩn này và chúng bắt đầu tạo ra đá vôi, sau đó lấp đầy các vết nứt đã xuất hiện trong bê tông. Sự đổi mới này là sản phẩm trí tuệ của Henk Jonkers và Erik Schlangen từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Khoa học Địa chất của TU Delft.

Công nghệ bê tông tự phục hồi dựa trên sinh học nhằm mục đích phục hồi tính năng ban đầu của bê tông bằng cách lấy lại độ kín nước bị mất do nứt. Bên cạnh đó, bê tông tự phục hồi có khả năng giảm đáng kể chi phí sửa chữa bê tông hiện có. Trong các công trình xây dựng mới, nó mang lại khả năng chống nước tốt hơn và cần ít cốt thép hơn, tiết kiệm tiền và giảm lượng khí thải CO_₂. Đó là một yếu tố thay đổi cuộc chơi cho lĩnh vực này”, Van der Woerd nhấn mạnh.

Vào năm 2023, Giáo sư Yan Zhuge, chuyên gia kỹ thuật tại Đại học Nam Australia, đã thử nghiệm giải pháp mới không yêu cầu con người hay robot mà sử dụng bê tông tự phục hồi nhằm giải quyết hiện tượng ăn mòn đường ống thoát nước xảy ra khi vật liệu ống nước tiếp xúc với axit sulphuric.

Mới đây cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA), trực thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đang thực hiện dự án sản xuất bê tông tự lành để sử dụng trong các cơ sở quân sự. Những toà nhà có thể “tự lành” trước khi vết nứt lan rộng hay đường băng bê tông tự lấp đầy các hố bom cho phép máy bay tiếp tục cất, hạ cánh đang được quân đội Mỹ nghiên cứu sản xuất trong dự án “Chương trình Phục hồi các Tòa nhà Bê tông” – BRACE.

Dự án dự kiến kéo dài trong 4 đến 5 năm, với sự tham gia của nhiều phòng thí nghiệm và nhà thầu quân sự với các phương pháp tiếp cận khác nhau để phát triển sản xuất công nghệ. Dự án kết hợp các sinh vật sinh học để tạo ra hệ thống mạch máu bên trong bê tông. Hệ thống tuần hoàn này có thể chữa lành các vết nứt từ bên trong trước khi chúng chạm tới bề mặt của một cấu trúc, giúp bê tông có thể “chữa lành” như các sinh vật sống.

Theo DARPA, mặc dù vẫn còn quá sớm để khẳng định bê tông loại mới có thể được sử dụng trong các khu vực chiến sự hay không, song về mặt chiến lược, các công trình lớn chẳng hạn như hầm chứa tên lửa, cầu tàu hải quân hay các con đường chiến thuật sẽ được áp dụng công nghệ mới.

Như vậy, nếu bê tông sinh học có thể được sản xuất thương mại và được ứng dụng ở quy mô lớn thì các công trình xây dựng không chỉ có tuổi thọ tăng lên mà còn giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất xi măng - ngành công nghiệp phát thải lượng lớn (khoảng 5% lượng khí thải carbon toàn cầu). Tuy nhiên, bài toán đặt ra hiện nay là chi phí thu mua vi khuẩn đã làm tăng gấp đôi chi phí của bê tông, mặc dù có nhiều thử nghiệm đang được thực hiện bằng cách sử dụng vi khuẩn dễ kiếm hơn.