Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sharjah (UAE) đã phát triển cấu kiện gia cường bê tông từ nhựa nhiệt dẻo PLA với nhiều hình dạng khác nhau bằng công nghệ in 3D. Kết quả thử nghiệm cho thấy cấu kiện dạng tấm lượn sóng hình tam giác có thể đạt tới 80% cường độ uốn của dầm sử dụng cốt thép truyền thống, đồng thời đạt độ dẻo tương đương, mở thêm hướng nghiên cứu vật liệu gia cường nhẹ và chống ăn mòn cho ngành xây dựng. Hình dạng có thể quyết định hiệu quả gia cường
Bê tông là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng, nhưng đặc tính chịu kéo hạn chế khiến vật liệu này thường phải kết hợp với cốt thép để tạo thành bê tông cốt thép.
Trong hơn một thế kỷ, thép đã chứng minh hiệu quả trong vai trò vật liệu gia cường. Tuy nhiên, việc sử dụng thép cũng đặt ra một số vấn đề, đặc biệt là trọng lượng, nguy cơ ăn mòn và lượng năng lượng cần thiết trong quá trình sản xuất.
Một mét khối bê tông cốt thép thông thường có thể chứa khoảng 68 - 113 kg thép, thậm chí vượt 136 kg đối với những cấu kiện có hàm lượng cốt thép lớn. Bên cạnh đó, khi nước và các tác nhân ăn mòn xâm nhập vào bê tông, cốt thép có thể bị gỉ, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ kết cấu.
Quá trình sản xuất thép từ khai thác, tinh luyện nguyên liệu, tạo hình đến vận chuyển cũng tiêu thụ lượng năng lượng đáng kể và tạo ra phát thải khí nhà kính. Những hạn chế này đã thúc đẩy việc nghiên cứu các vật liệu gia cường thay thế như polymer gia cường sợi thủy tinh hay polymer gia cường sợi carbon.
Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Sharjah lựa chọn một hướng tiếp cận khác khi sử dụng axit polylactic (Polylactic Acid - PLA), một loại nhựa nhiệt dẻo, để chế tạo cấu kiện gia cường bê tông.
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu không nằm ở việc thay đổi vật liệu. Các nhà khoa học đã cho thấy hình dạng của cốt gia cường có thể tác động như thế nào tới khả năng chịu tải của kết cấu bê tông.
Thay vì chỉ mô phỏng hình dạng thanh tròn truyền thống của cốt thép, nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra hàng loạt cấu kiện PLA có hình học khác nhau, bao gồm thanh thẳng, dạng tấm, lượn sóng, răng cưa và hình tam giác.
Những cấu kiện này được thiết kế nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa PLA và bê tông, đồng thời tạo khả năng "khóa" cơ học tốt hơn khi cấu kiện chịu tải. Kết quả thử nghiệm cho thấy sự thay đổi hình học tạo ra khác biệt đáng kể.
Theo TS Muhammad Junaid - Trưởng nhóm nghiên cứu, các cấu kiện PLA dạng tấm cho hiệu quả tốt hơn rõ rệt so với thanh PLA thông thường. Dầm sử dụng tấm PLA đạt khả năng chịu tải cực đại khoảng gấp đôi và khả năng hấp thụ năng lượng cao gấp 5 lần so với dầm sử dụng thanh PLA truyền thống.
Nguyên nhân chủ yếu nằm ở diện tích bề mặt lớn hơn của tấm PLA, giúp tăng khả năng liên kết giữa cấu kiện gia cường và bê tông.
Các dạng hình học lượn sóng, răng cưa và tam giác tiếp tục cải thiện hiệu quả này. Những phần nhô ra như một cách gia cường cơ học, bám vào bê tông và hạn chế hiện tượng trượt giữa vật liệu gia cường với khối bê tông xung quanh.
Khả năng liên kết này đặc biệt quan trọng sau khi bê tông xuất hiện vết nứt. Khi đó, cấu kiện gia cường phải tiếp tục truyền ứng suất qua khu vực nứt để duy trì khả năng chịu tải của dầm.
Đạt tới 80% cường độ uốn của dầm bê tông cốt thép
Sau khi so sánh các cấu hình PLA với nhau, nhóm nghiên cứu tiếp tục đánh giá phương án có hiệu quả cao nhất với kết cấu sử dụng thép truyền thống. Kết quả cho thấy cấu kiện dạng tấm PLA lượn sóng hình tam giác mang lại hiệu quả nổi bật nhất.
Dầm bê tông sử dụng loại cốt này đạt độ dẻo tương đương với dầm bê tông cốt thép. Đáng chú ý, cường độ uốn của dầm đạt tới khoảng 80% so với dầm sử dụng cốt thép truyền thống.
Kết quả này chưa cho thấy PLA có thể thay thế hoàn toàn thép, nhưng chứng minh rằng hiệu quả của vật liệu gia cường không chỉ phụ thuộc vào đặc tính cơ học của chính vật liệu đó. Thiết kế hình học phù hợp có thể cải thiện đáng kể khả năng truyền lực giữa cốt gia cường và bê tông.
Đây cũng là lợi thế của công nghệ in 3D, thay vì bị giới hạn ở những thanh có tiết diện tương đối đơn giản, phương pháp sản xuất bồi đắp cho phép chế tạo các cấu kiện với hình dạng phức tạp nhằm tối ưu hóa khả năng liên kết với bê tông cho từng yêu cầu cụ thể.
So với thép, PLA có một số đặc tính đáng chú ý như trọng lượng thấp và không gặp hiện tượng ăn mòn giống cốt thép. Vật liệu này cũng có thể được chế tạo thành những hình dạng tùy chỉnh bằng công nghệ in 3D.
Nếu các giải pháp tương tự được phát triển ở quy mô lớn hơn, điều này thể mở ra khả năng thiết kế cốt gia cường theo từng loại cấu kiện thay vì áp dụng chủ yếu hình dạng thanh như phương pháp truyền thống.
Tuy nhiên, vẫn còn khoảng cách đáng kể từ kết quả trong phòng thí nghiệm tới ứng dụng trong công trình thực tế.
Nghiên cứu của Đại học Sharjah được thực hiện trên các nguyên mẫu quy mô nhỏ. Trước khi có thể ứng dụng rộng rãi, cốt PLA sẽ cần tiếp tục được đánh giá về khả năng chịu tải dài hạn, độ bền, ứng xử dưới nhiệt độ cao, khả năng chống cháy, tác động của môi trường cũng như hiệu quả kinh tế khi sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Việc đạt khoảng 80% cường độ uốn của dầm cốt thép không đồng nghĩa vật liệu này đã đạt được toàn bộ các đặc tính cần thiết để thay thế thép trong kết cấu chịu lực.
Hiện tại, thép vẫn giữ vai trò chủ đạo trong bê tông cốt thép trong tương lai gần. Giá trị đáng chú ý của nghiên cứu nằm ở việc chứng minh một hướng tiếp cận mới, tối ưu hình học của vật liệu gia cường có thể bù đắp một phần những hạn chế về đặc tính vật liệu.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Construction and Building Materials, cung cấp thêm cơ sở cho việc phát triển thế hệ vật liệu gia cường bê tông nhẹ, chống ăn mòn và có khả năng chế tạo linh hoạt bằng công nghệ in 3D.
Nếu được chứng minh ở quy mô công trình và trong điều kiện sử dụng dài hạn, phương pháp này có thể mở rộng lựa chọn vật liệu cho một số ứng dụng xây dựng, đồng thời cho thấy công nghệ sản xuất đang từng bước thay đổi cách thiết kế cả những thành phần cơ bản nhất của kết cấu bê tông.
