Ảnh minh họa
Thay thế cốt thép thông thường bằng vật liệu composite có khả năng chống ăn mòn, các nhà nghiên cứu đang phát triển một thế hệ bê tông mới sử dụng nước biển và cát biển. Công nghệ này được kỳ vọng mở ra hướng xây dựng các công trình ven biển, cảng biển và đảo nhân tạo, nơi nguồn nước ngọt và cát sông khan hiếm.
Trong nhiều thập kỷ, việc sử dụng nước biển và cát biển để sản xuất bê tông cốt thép thông thường được xem là không phù hợp trong xây dựng. Nguyên nhân là hàm lượng muối và ion clorua trong những vật liệu này có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, làm suy giảm độ bền và tuổi thọ của công trình.
Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đang tìm cách khắc phục hạn chế này bằng việc thay đổi một thành phần quan trọng trong kết cấu bê tông: vật liệu gia cường.
Thay vì sử dụng thép thông thường, một số hướng nghiên cứu chuyển sang dùng polymer gia cường sợi (FRP). Đây là nhóm vật liệu composite có khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong môi trường chứa nhiều muối và độ ẩm cao.
Sự kết hợp giữa nước biển, cát biển và vật liệu gia cường FRP được gọi là bê tông nước biển – cát biển (seawater sea-sand concrete). Công nghệ này hướng đến việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại các khu vực ven biển, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào nước ngọt và cát khai thác từ sông.
Khắc phục điểm yếu lớn nhất của bê tông sử dụng nước biển
Theo một công trình tổng quan nghiên cứu được Đại học Miami đề cập, bê tông sản xuất bằng nước biển và cát biển có thể đạt các đặc tính cơ học tương đương bê tông thông thường trong nhiều điều kiện, bao gồm khả năng phát triển cường độ tốt.
Vấn đề chủ yếu không nằm ở bản thân khối bê tông mà ở cốt thép bên trong. Các ion clorua có trong nước biển và cát biển có thể xâm nhập vào kết cấu, phá vỡ lớp bảo vệ thụ động trên bề mặt thép, từ đó kích hoạt quá trình ăn mòn.
Khi cốt thép bị ăn mòn, thể tích sản phẩm ăn mòn tăng lên, tạo áp lực bên trong bê tông, gây nứt và bong tróc lớp bảo vệ. Về lâu dài, hiện tượng này có thể làm giảm khả năng chịu lực cũng như tuổi thọ của công trình.
Đây là nguyên nhân khiến việc sử dụng trực tiếp nước biển và cát biển trong bê tông cốt thép truyền thống gặp nhiều hạn chế.
Giải pháp được các nhà nghiên cứu theo đuổi là thay thế thép bằng polymer gia cường sợi (FRP). Vật liệu này có cấu tạo từ các sợi chịu lực, chẳng hạn sợi thủy tinh hoặc sợi carbon, kết hợp với nền polymer.
Khác với thép, FRP không bị ăn mòn điện hóa theo cơ chế thông thường trong môi trường chứa clorua. Nhờ đó, vật liệu có thể hạn chế một trong những rủi ro lớn nhất đối với kết cấu bê tông tại khu vực ven biển.
Dù vậy, FRP có những đặc tính cơ học khác thép, do đó việc thiết kế kết cấu, liên kết và khả năng chịu tải cần được tính toán riêng, thay vì thay thế trực tiếp theo tỷ lệ tương đương.
Bê tông biển siêu cường đạt hơn 180 MPa
Theo thông tin từ Đại học Bách khoa Hong Kong (Hong Kong Polytechnic University), các nhóm nghiên cứu đã phát triển loại bê tông biển hiệu suất siêu cao, có cường độ chịu nén vượt 180 MPa.
Đây là mức cường độ cao hơn đáng kể so với nhiều loại bê tông thông thường được sử dụng trong các công trình dân dụng và thương mại.
Nghiên cứu không chỉ dừng ở việc thử nghiệm cấp phối vật liệu trong phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu còn phát triển các cấu kiện kết cấu và giải pháp liên kết sử dụng kết hợp FRP với bê tông biển siêu cường.
Kết quả này cho thấy công nghệ đang được nghiên cứu theo hướng ứng dụng vào các bộ phận chịu lực của công trình, thay vì chỉ dừng ở ý tưởng tận dụng nước biển và cát biển làm nguyên liệu. Một trong những lợi thế đáng chú ý của công nghệ là khả năng tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ.
Ở các đảo xa, quần đảo hoặc khu vực ven biển, việc vận chuyển nước ngọt và cát sông từ đất liền có thể làm tăng chi phí xây dựng, tiêu hao nhiên liệu và phát sinh khí thải từ hoạt động vận tải. Trong khi đó, nước biển và cát biển có sẵn với trữ lượng lớn tại nhiều khu vực. Nếu được xử lý và sử dụng theo quy trình phù hợp, chúng có thể trở thành nguồn nguyên liệu thay thế trong một số hạng mục xây dựng.
Các ứng dụng tiềm năng bao gồm công trình cảng biển, cầu ven biển, đê chắn sóng, đảo nhân tạo, công trình ngoài khơi và những kết cấu thường xuyên tiếp xúc với môi trường nước mặn.
Đối với các dự án ở vị trí xa đất liền, việc giảm phụ thuộc vào nguồn vật liệu vận chuyển từ khoảng cách lớn còn có thể giúp đơn giản hóa chuỗi cung ứng.
