Bê tông là vật liệu xây dựng chính hiện nay, và quy trình sản xuất bê tông tạo ra khoảng 8% tổng lượng khí thải CO2. Do đó, để đạt mục tiêu trung hòa carbon, một trong các giải pháp là cải tiến vật liệu để giảm lượng phát thải carbon.
Trong khi đó, graphene là lớp carbon có độ dày một nguyên tử. Đây là vật liệu có tính cách mạng, là phương án liên kết carbon dẫn điện, nhẹ và bền nhất trên thế giới. Graphene có thể được áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực, và đặc biệt hữu ích trong xây dựng, bởi có thể giúp ngành này đạt mục tiêu trung hòa carbon. Các nhà khoa học đã thành công khi đưa graphene vào quy trình sản xuất bê tông để tạo nên sản phẩm cuối có độ bền và chịu nước tốt hơn so với bê tông thông thường. Nhược điểm duy nhất của vật liệu nhân tạo này là rất đắt.
Graphene - loại vật liệu bền nhất thế giới, có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng
Thành tựu nghiên cứu mới nhất thuộc về các nhà khoa học từ Đại học Manchester và công ty xây dựng Nationwide Engineering. Để tạo nên loại bê tông đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã thêm một lượng nhỏ graphene vào nước và xi măng, trong hỗn hợp này graphene đóng vai trò thành phần gia cường cho vật liệu. Ngoài ra, tổng diện tích bề mặt để thực hiện các phản ứng hóa học biến hỗn hợp thành bột bê tông đã tăng lên. Kết quả cuối cùng là độ bám dính của các phần tử bê tông được cải thiện ở mức siêu vi, và nhóm thu được loại vật liệu có cường độ lớn hơn bê tông tiêu chuẩn khoảng 30%. Nhóm nghiên cứu gọi vật liệu cải tiến là “concretene” - kết hợp của từ “concrete” (bê tông) và “graphene” (graphene); graphene chỉ chiếm 0,05% tổng khối lượng trong bê tông được tạo ra.
Concretene đã được sử dụng trong đợt đổ tấm trần bê tông đầu tiên cho Phòng thể thao mới South Quarter gần Stonehenge, Vương quốc Anh vào đầu tháng 5 năm 2021, và đợt đổ thứ hai để hoàn thiện phần móng công trình. Đây là tấm bê tông đầu tiên trên thế giới có các đặc tính nâng cao và biến phòng tập thể thao này thành địa điểm thử nghiệm chính thức khi tòa nhà được hoàn thành và đưa vào sử dụng. Nationwide Engineering có nhiệm vụ tiếp tục giám sát các đặc tính và tình trạng của vật liệu cải tiến này.
Việc thêm một lượng nhỏ mảnh graphene vào vữa xi măng cho phép duy trì các đặc tính cường độ của vật liệu ngay cả khi giảm 30% lượng xi măng tiêu thụ; độ dày các tường giảm đi khoảng một phần ba, song tường lại vững chắc hơn. Hơn nữa, không cần phải xây dựng nhà máy mới để sản xuất loại vật liệu này, mọi thứ đều có thể tiến hành như bình thường mà chỉ cần bổ sung graphene. Các nhà khoa học nhấn mạnh, việc xây dựng bằng vật liệu này sẽ rẻ hơn so với bê tông thông thường. Tuy graphene rất đắt tiền, nhưng chỉ cần rất ít vật liệu này, đồng thời cũng cần ít hơn bê tông có graphene trong thành phần để xây dựng. Lượng thép làm cốt cũng giảm.
Việc xây dựng tòa nhà đầu tiên trên thế giới từ bê tông được bổ sung graphene cũng đã được bắt đầu ở Vương quốc Anh.
Bản thân bê tông thu giữ carbon dioxide trong khí quyển, bê tông thực hiện việc này một cách từ từ và không bù đắp lượng khí thải trong quá trình sản xuất. Các nhà nghiên cứu Đại học Purdue do đó đề xuất thêm titan dioxide (thường được sử dụng trong kem chống nắng) vào bê tông. Chất phụ gia này làm thay đổi cấu trúc các lỗ rỗng trong bê tông, và bê tông bắt đầu thu giữ CO2 mạnh hơn đáng kể. Bê tông được sử dụng không chỉ với vai trò vật liệu kết cấu. Đại học Công nghệ Chalmers đề xuất sử dụng các khối bê tông làm ắc quy tụ điện. Hai tấm lưới từ sợi carbon được đặt trực tiếp vào bê tông, một tấm được phủ sắt (cực dương), tấm kia được phủ niken (cực âm). Chúng được kết nối bằng một hỗn hợp trên cơ sở xi măng, có dẫn điện. Công suất nhỏ -7 Wh/m2, song có nhiều khối bê tông. Năng lượng đủ để cung cấp cho một ngôi nhà vào buổi tối, nếu ban ngày các “khối pin mặt trời” tích trữ được năng lượng.
Một nghiên cứu mang tính cách mạng nữa - có thể thay thế bê tông bằng rác thực phẩm. Số liệu của Liên Hợp quốc cho thấy có tới 1,3 tỷ tấn rác thực phẩm bị đổ bỏ mỗi năm trên toàn thế giới. Phần lớn trong đó là sản phẩm hư hỏng và hết hạn sử dụng. Cả một ngành công nghiệp khổng lồ đã hình thành xung quanh rác thải thực phẩm, nhựa và nhiên liệu sinh học đều được sản xuất từ đây. Các nhà khoa học thuộc Đại học tổng hợp Tokyo đã nghiên cứu đề xuất chế tạo bê tông từ rác thực phẩm. Họ lấy rong biển, lá bắp cải, cam, hành tây, bí ngô và vỏ chuối đem sấy khô trong chân không, sau đó nghiền thành bột, trộn với nước rồi ép trong khuôn ở nhiệt độ cao. Vật liệu thu được trong một số trường hợp thậm chí còn có cường độ uốn cao hơn bê tông.
Trên thực tế, không thể xây một chỗ ở bền vững nhiều năm với loại “bê tông” này, nhưng có thể trong ít nhất 4 tháng, và vật liệu kháng các hiện tượng nấm, mục nát và côn trùng rất tốt. Điều thú vị nhất là các bức tường của ngôi nhà có thể ăn được và có hương vị giống như sản phẩm từ đó được tạo ra, chẳng hạn hương cam hoặc chuối. Các nhà khoa học cũng cho biết, vật liệu làm từ bí ngô sẽ kém bền, nhưng nếu được gia cường bằng cải thảo thì cho kết quả tuyệt vời.
Nguồn: Tạp chí Quỹ đạo Xây dựng (www.stroyorbita.ru)
ND: Lệ Minh