Vật liệu tái chế mở ra cánh cửa mới cho bê tông in 3D

Trong những năm gần đây, in 3D bê tông (hay 3DCP – viết tắt từ thuật ngữ tiếng Anh “3D concrete printing”) nổi lên như một công nghệ có tiềm năng thay đổi cuộc chơi trong ngành xây dựng. Công nghệ này cho phép tạo ra các kết cấu bê tông thông qua quá trình ép đùn từng lớp bê tông, thay vì phương pháp đúc khuôn thông thường.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng in 3D có một số ưu điểm vượt trội so với phương pháp đúc khuôn, như khả năng in các cấu trúc hình học phức tạp, giảm phụ thuộc vào người lao động, và nâng cao năng suất chế tạo.

Tuy nhiên, cả hai phương pháp in 3D và đúc khuôn truyền thống vẫn đều cần đến nguyên liệu thô có thể hao kiệt như cát sông tự nhiên.

Giờ đây các nghiên cứu viên từ Đại học RMIT đã phát triển một quy trình in bê tông 3D bền vững, trong đó 50% cát sông tự nhiên được thay thế bởi vật liệu có tính chất vật lý và thành phần hóa học tương tự là thủy tinh tái chế.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Construction and Building Materials(Xây dựng và Vật liệu xây dựng) đã tìm hiểu tác động của các loại thủy tinh tái chế khác nhau (hạt thô hoặc hạt mịn) đối với khả năng uốn cong của kết cấu bê tông in 3D.

Nghiên cứu chỉ ra rằng in 3D theo cấu trúc tải chéo và sử dụng lượng hạt thủy tinh thô với nồng độ tối ưu là giải pháp phù hợp và bền vững để thay thế cát sông tự nhiên.

Theo anh Junli Liu, nghiên cứu sinh Đại học RMIT và chủ nhiệm đề tài nghiên cứu, việc sử dụng thủy tinh tái chế có thể giúp ngành xây dựng giảm phụ thuộc vào cát – nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện đang bị khai thác quá mức, đồng thời giúp giảm vấn đề rác thải thủy tinh đang chiếm không gian tại các bãi chôn lấp.

Trong một nghiên cứu khác được công bố trên tạp chí Automation in Construction(Tự động hóa trong xây dựng), các nghiên cứu viên từ Đại học RMIT (Australia), Đại học HUTECH (Việt Nam) và Viện Công nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đề xuất sử dụng nhựa tái chế để tăng độ kiên cố của dầm bê tông.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp mới nhằm cải thiện độ bền uốn và vấn đề ăn mòn của kết cấu bê tông – dùng nhựa in 3D làm giàn giáo để gia cố bê tông. Điều đặc biệt hơn nữa là thiết kế này lấy cảm hứng từ cấu trúc của xương, một cấu trúc tế bào được tối ưu hóa theo cách tự nhiên.

Giảng viên cấp cao tại Phân viện STEM thuộc Đại học RMIT, chủ nhiệm đề tài nghiên cứu Tiến sĩ Trần Phương cho biết dầm bê tông cốt nhựa in 3D có khả năng chịu lực mạnh hơn bốn lần, bền hơn và chống nứt cao hơn so với các mẫu bê tông được đúc bằng khuôn và không có bất kỳ gia cố nào.

Tiến sĩ Phương giải thích rằng bê tông là một vật liệu giòn với khả năng uốn và giãn vốn khá yếu. Thông thường, bê tông phải được gia cố bằng các thanh cốt thép thì mới có thể chịu được các sự cố trầm trọng hay đổ vỡ bất ngờ. Tuy nhiên, cốt thép có khối lượng nặng, chi phí sản xuất cao và cần nhiều nhân công để lắp đặt.

Trong khi đó, trọng lượng của nhựa nhẹ hơn bê tông khoảng hai lần và nhẹ hơn thép khoảng bảy lần. Cốt (gia cường cho bê tông) bằng nhựa không bị ăn mòn và trên hết, nhựa là vật liệu có thể tái chế và có chi phí sản xuất thấp hơn.

Theo Tiến sĩ Phương, phương pháp gia cố này “khá thực tế, bền vững và có khả năng mở rộng” nhờ sự kết hợp của công nghệ in 3D và nhựa tái chế.

Thành viên nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Phương đồng thời là nghiên cứu sinh Đại học RMIT, anhNguyễn Văn Vương chia sẻ thêm rằng dầm bê tông cốt nhựa lấy cảm hứng từ cấu trúc sinh học của xương còn hứa hẹn đem đến nhiều ứng dụng khác trong các chế phẩm như kết cấu phức tạp đúc sẵn, tấm tường chắn tiếng ồn, kết cấu bê tông dùng trong môi trường nước biển.

Theo Tiến sĩ Phương, mặc dù in 3D bê tông vẫn còn là một khái niệm khá mới ở Việt Nam nhưng không bao giờ là quá sớm để các nhà khoa học và kỹ sư xây dựng bắt đầu tìm hiểu cách sử dụng công nghệ này nhằm hỗ trợ phát triển bền vững.

Theo Diễn đàn Kinh tế thế giới năm 2020, Việt Nam thải ra khoảng 3,7 triệu tấn chất thải nhựa mỗi năm, trong đó chỉ có 10-15% được thu gom tái chế.

Mặt khác, tình trạng thiếu cát trong sản xuất bê tông đang là vấn đề phổ biến trên cả nước. Bộ Xây dựngước tính nguồn cung cát tự nhiên hợp pháp chỉ đáp ứng được 40-50% nhu cầu của ngành xây dựng.

“Việt Nam có rất nhiều rác thải nhựa và thủy tinh. 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, điều này sẽ mở ra nhiều cánh cửa cơ hội mới”, Tiến sĩ Phương nói.