Xu hướng phát triển bê tông tự phục hồi

Bê tông tự phục hồi

Bê tông là thành phần quan trọng trong các cấu trúc xây dựng, nhưng dễ bị các vết nứt trong lúc xây dựng hoặc quá trình sử dụng. Có nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt như phối liệu ngậm không đủ nước, điều kiện môi trường, hiệu ứng tải trọng hoặc do phương pháp xây dựng…Các vết nứt xuất hiện ở bề mặt hoặc bên trong cấu trúc, có thể nhìn thấy bằng mắt thường hay rất nhỏ không thể nhìn thấy được làm hư hỏng, thậm chí phá vỡ công trình. Bê tông tự phục hồi (SHC - Self Healing Concrete) khắc phục những điểm yếu này, tự làm liền vết nứt, cải thiện độ bền của các cấu trúc, giúp giảm chi phí sửa chữa và bảo trì, nhất là đối với các cấu trúc lớn hay các công trình ngầm.

Các dạng tự phục hồi của bê tông gồm:

Tự phục hồi tự sinh (Autogenous healing): quá trình tự phục hồi làm liền các vết nứt do thành phần bê tông ban đầu và điều kiện môi trường thuận lợi. Tự phục hồi tự sinh có khả năng diễn ra do nước và không khí ẩm len vào khi có vết nứt giúp bê tông được bổ sung thêm nước và tự liền, hay tự hình thành canxi cacbonat bên trong làm liền vết nứt  hoặc do chất thải làm đầy vết nứt (H1.a).

Tự phục hồi dạng sinh học (Bio-healing): sử dụng thành phần bên ngoài là các vi sinh vật. Các vi khuẩn/bào tử nấm và chất dinh dưỡng cho chúng được phối trộn vào bê tông, khi vết nứt xuất hiện sẽ tạo môi trường kích hoạt các vi khuẩn/bào tử nấm phát triển và sản sinh ra chất lấp đầy vết nứt (H1.b).

Tự phục hồi dựa vào vi nang (Microcapsule) hoặc mạng lưới vi mạch (Microvascular  network): chứa các chất làm liền và chất xúc tác trong vi nang hoặc mạng lưới vi mạch nhúng vào bê tông. Khi có vết nứt sẽ làm vỡ vi nang/mạng lưới vi mạch, phóng thích chất làm liền bê tông (H1.c).

H1: Các dạng tự phục hồi của bê tông

Nguồn: Magdalena Rajczakowska, Self-healing concrete- State-of-the-art.

Đại học Illinois là nơi tiên phong trong nghiên cứu SHC vào đầu những năm 2000, tuy nhiên gần 10 năm sau, các nghiên cứu về SHC mới phát triển và gia tăng mạnh mẽ, nhất là những năm gần đây. Dữ liệu từ  Web of Science database cho thấy năm 1999 chỉ có vài bài báo khoa học liên quan đến SHC được công bố, đến năm 2018 đã tăng lên trên 160 bài báo với hơn 4.000 trích dẫn (BĐ1).

BĐ1: Số lượng các bài báo khoa học liên quan đến bê tông tự phục hồi

Nguồn: Eleni Tsangouri, A Decade of Research on Self-Healing Concrete; Web of Science database.

Các yếu tố như tiết kiệm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ các cấu trúc, cơ sở hạ tầng và nhu cầu xây dựng đang phát triển là điều kiện để SHC sớm được thương mại và phát triển. Theo alliedmarketresearch.com, quy mô thị trường SHC toàn cầu từ mức  216,7 triệu USD năm 2017 dự kiến ​​sẽ đạt 1,375 tỉ USD vào năm 2025,  với tốc độ tăng trưởng CAGR dự báo trong giai đoạn 2018 đến 2025 là 26,4%. Tuy nhiên, giá thành cao gây khó khăn cho SHC tiếp cận thị trường. Với sự đầu tư  nghiên cứu hiện nay, hy vọng các sản phẩm SHC sẽ hạ được giá thành và sớm được người dùng cuối chấp nhận. 

Phát triển bê tông tự phục hồi qua góc nhình sáng chế 

IIPRD, công ty tư vấn về sở hữu trí tuệ của Ấn Độ, đã nghiên cứu xu hướng phát triển công nghệ chế tạo SHC, qua phân tích thông tin sáng chế, từ dữ liệu sáng chế của Derwent Innovation. Theo đó, trong giai đoạn 2009-2019, số lượng đơn xin cấp bằng sáng chế liên quan đến SHC bắt đầu tăng từ năm 2015 và tăng mạnh trong những năm gần đây đã cho thấy sự quan tâm và xu hướng đầu tư vào lĩnh vực này  (BĐ2).

BĐ2: Số lượng sáng chế liên quan đến bê tông tự phục hồi

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Sở hữu nhiều bằng sáng chế về SHC là bốn trường đại học ở Trung Quốc, vị trí thứ năm là Intchem Co. Ltd, công ty sản xuất và xuất khẩu vật liệu bê tông hàng đầu của Hàn Quốc, tiếp theo là Sumitomo Osaka Cement Co. Ltd., công ty sản xuất xi măng hàng đầu Nhật Bản (BĐ3).

BĐ3: Đơn vị có nhiều đơn sáng chế liên quan đến bê tông tự phục hồi

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Xu hướng chọn nơi nộp đơn đăng ký sáng chế cho thấy thị trường nơi đó giàu tiềm năng đồng thời cũng là nơi cần bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ để không bị xâm phạm khi bán sản phẩm ra thị trường này. Lượng sáng chế liên quan đến SHC được đăng ký bảo hộ nhiều nhất ở Trung Quốc, kế đến là Hàn Quốc và Mỹ (Bảng 1). 

Bảng 1: Số lượng sáng chế liên quan đến bê tông tự phục hồi được cấp bằng tại các nước

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Nội dung nghiên cứu liên quan đến SHC phong phú, từ nghiên cứu các hóa chất và vi sinh vật để làm tác nhân chữa lành vết nứt đến các phương pháp tự phục hồi, cũng như nghiên cứu ứng dụng trong từng trường hợp cụ thể (H2). 

H2: Các xu hướng nghiên cứu về bê tông tự phục hồi

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Phân tích 106 sáng chế được cấp bằng cho thấy xu hướng tập trung nghiên cứu nhiều về các tác nhân chữa lành hóa học (82%), phương pháp tự phục hồi tự sinh (49%), tự phục hồi dạng vi nang (45%), và nghiên cứu ứng dụng SHC trong các cơ sở hạ tầng dân dụng (42%) (BĐ4).

BĐ4: Nội dung nghiên cứu về bê tông tự phục hồi

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Phân tích dựa theo số phân loại sáng chế quốc tế (IPC), nội dung trong các sáng chế về SHC có 76% liên quan đến vật liệu nền trong bê tông, kế đến là các nghiên cứu về polyme (3%), các quá trình vật lý hay hóa học (3%), và về các vi sinh vật (2%) (BĐ5).

BĐ5: Xu hướng công nghệ liên quan đến bê tông tự phục hồi

Ghi chú: C04B, C08F, B01J, C12N, C12P, B32B, C08K là các số phân loại sáng chế quốc tế

C04B: bê tông, đá nhân tạo, đồ gốm, vật liệu chịu lửa vôi, magie oxit, xỉ, xi măng và các hợp phần của chúng như bê tông hay các vật liệu xây dựng.

C08F: điều chế các hợp chất cao phân tử bằng các phản ứng chỉ có sự tham gia của các liên kết carbon-carbon không no.

B01J: các quy trình vật lý hoặc hóa học, ví dụ sự xúc tác, hóa keo.

C12N: vi sinh vật hoặc enzym; các hợp phần chứa chúng.

C12P: các phương pháp có sử dụng sự lên men hoặc enzym để tổng hợp hợp chất hoặc hợp phần hóa học hoặc để tách ly các đồng phân quang học từ hỗn hợp triệt quang.

B32B: các sản phẩm có lớp, các sản phẩm cấu tạo từ các lớp có dạng phẳng hoặc hình khối, như các lớp có cấu trúc xốp hoặc tổ ong.

C08K: sử dụng các chất vô cơ hoặc hữu cơ phân tử thấp như là các hợp phần của sự hóa hợp.

Nguồn: IIPRD, Sample Landscape Study – Self Healing Concrete.

Một số kết quả nghiên cứu về bê tông tự phục hồi

Các nhà khoa học tại Đại học Binghamton, New York và Đại học Rutgers, New Jersey (Mỹ) đã phối hợp nghiên cứu sản xuất loại SHC sử dụng bào tử nấm Trichoderma Reesei, có bổ sung thêm các dưỡng chất trong quá trình phối trộn sản xuất bê tông. Khi có một vết nứt làm không khí và hơi nước len vào kích hoạt bào tử nấm nẩy mầm, phát triển và sản xuất ra calcium carbonate (CaCO₃) làm liền vết nứt.

Nấm Trichoderma sản xuất carbonat canxi làm liền nứt.

Henk Jonkers, giáo sư vi sinh học tại Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, cùng các cộng sự đã sáng chế ra SHC sinh học. Theo giáo sư Jonkers, chủng vi khuẩn được sử dụng có thể “ngủ yên” trong bê tông đến 200 năm mà không cần thức ăn. SHC sinh học này có thể kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng thêm nhiều thập kỷ so với bình thường.

Tại Đại học Rhode Island, Mỹ, sinh viên khoa kỹ thuật Michelle Pelletier, dưới sự hướng dẫn của giáo sư kỹ thuật hóa học Arijit Bose, đã công bố phát triển một loại SHC dạng vi nang chứa natri silicat, có thể sản xuất với giá thành thấp. Khi vết nứt xuất hiện các vi nang bị phá vỡ phóng thích natri silicat và phản ứng với canxi hydroxit có trong bê tông tạo nên  keo canxi silic hydrat làm liền vết nứt. Keo sẽ đông cứng lại trong khoảng 1 tuần.

Anh Trung (CESTI)