Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Oregon (Mỹ) vừa công bố loại vật liệu in 3D mới có khả năng đạt độ cứng kết cấu chỉ sau 3 ngày, thay vì khoảng 28 ngày như bê tông xi măng Portland truyền thống. Phát minh này được đánh giá là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xây dựng bằng công nghệ in 3D, góp phần rút ngắn tiến độ thi công và giảm phát thải carbon.
Bài toán môi trường của bê tông truyền thống
Bê tông thông thường được tạo thành từ nước, cốt liệu và xi măng Portland. Trong đó, quá trình đông cứng của xi măng cần gần một tháng để đạt cường độ thiết kế, gây kéo dài thời gian thi công.
Không chỉ chậm, xi măng Portland còn là nguồn phát thải CO₂ lớn. Quá trình sản xuất yêu cầu nung đá vôi ở nhiệt độ khoảng 1.450°C, đồng thời phản ứng nung kết của đá vôi cũng giải phóng CO₂ nội tại. Tổng cộng, ngành xi măng hiện chiếm khoảng 5 – 8% lượng khí nhà kính toàn cầu, trở thành một trong những thách thức lớn đối với ngành xây dựng bền vững.
Cấu trúc vật liệu in 3D mới
Loại vật liệu mới do PGS. Devin Roach và cộng sự phát triển không sử dụng xi măng Portland. Thành phần chính bao gồm:
Đất sét
Sợi gai dầu
Cát
Than sinh học (biochar) – được tạo ra từ quá trình nhiệt phân dăm gỗ và vật liệu hữu cơ trong môi trường không oxy
Chất kết dính của hỗn hợp là acrylamide, thay thế vai trò của xi măng truyền thống. Khi hỗn hợp được in và tiếp xúc với nhiệt, phản ứng hóa học diễn ra gần như ngay lập tức, giúp vật liệu đông cứng nhanh sau khi rời đầu in.
Nhờ đặc tính này, vật liệu có thể giữ hình dạng tốt, cho phép in các cấu trúc phức tạp, kể cả chi tiết vượt nhịp như khung cửa sổ – điều vốn là thách thức lớn trong in 3D xây dựng.
Cường độ và khả năng ứng dụng
Theo nhóm nghiên cứu:
Ngay sau khi in, vật liệu đạt 3 MPa, đủ để tạo lớp tường và chi tiết nhô
Sau 3 ngày, cường độ vượt 17 MPa, đạt tiêu chuẩn bê tông kết cấu cho nhà ở
Sau 8 – 10 ngày, cường độ đạt trên 40 MPa, tương đương hoặc cao hơn nhiều loại bê tông thông dụng hiện nay
Những con số này cho thấy tiềm năng lớn trong việc rút ngắn tiến độ xây dựng, đặc biệt với các công trình in 3D hoặc nhà ở lắp ghép.
Thách thức về chi phí và triển vọng tương lai
Rào cản hiện tại của vật liệu này nằm ở chi phí sản xuất, hiện vẫn cao hơn vật liệu xây dựng truyền thống. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu công thức và quy trình nhằm giảm giá thành, hướng tới khả năng thương mại hóa.
Trong dài hạn, đây được xem là một ứng viên sáng giá cho thế hệ “bê tông xanh”, đáp ứng đồng thời các mục tiêu:
Giảm phát thải carbon
Tăng tốc độ thi công
Phù hợp với xu hướng xây dựng bền vững và công nghệ cao