Vật liệu xanh cho bê tông bền vững

Là vật liệu do con người tạo ra được sử dụng rộng rãi nhất và bê tông cũng có tác động to lớn trong lượng khí thải CO2 toàn cầu do quá trình sản xuất sử dụng nhiều năng lượng. Điều này có nghĩa là ngay cả những điều chỉnh nhỏ về cách chúng ta thực hiện cũng có thể có tác động lớn đến môi trường sinh thái. Và khi nghiên cứu tiếp tục cho thấy, các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực này có rất nhiều ý tưởng để xanh hóa bê tông.

Bê tông đã được sử dụng làm vật liệu xây dựng trong nhiều thiên niên kỷ và vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay. Bê tông là loại vật liệu rẻ, độ bền cao, dễ ứng dụng và có thể tồn tại trong một thời gian rất dài. Việc sử dụng bê tông trên toàn cầu ngày nay vào khoảng 30 tỷ tấn hàng năm, với nhu cầu chỉ dự kiến sẽ có thể tăng thêm trong tương lai.

Lượng khí thải CO2 khổng lồ của bê tông phần lớn bắt nguồn từ một thành phần chính: xi măng. Chất này được thêm vào cát, sỏi và nước để tạo thành bê tông ướt có thể được đổ vào khuôn để tạo thành cấu trúc khi chúng khô, nhưng việc sản xuất xi măng là phần sử dụng nhiều carbon nhất trong quá trình này.

Liên quan đến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để nung đá vôi và đất sét đến nhiệt độ khắc nghiệt, khoảng 1.400°C. Điều này không chỉ đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ, mà đá vôi cần phải được khai thác và nghiền nhỏ trước khi nung. Bản thân quá trình sử dụng cũng thải ra một lượng lớn CO2 dự trữ, trị giá khoảng 600 kg cho mỗi tấn xi măng được sản xuất. Việc này cho thấy sản xuất xi măng chiếm khoảng 8% lượng khí thải carbon toàn cầu.

Sản phẩm thay thế cho đá vôi

Đá vôi là thành phần chính trong xi măng, và do đó là trọng tâm chính của các nhà khoa học để khám phá các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn. Năm ngoái, các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã nghiên cứu ra một công thức xi măng carbon thấp hoán đổi đá vôi thành đá núi lửa. Vật liệu này cần được xử lý theo cách tiêu tốn nhiều năng lượng tương tự để tạo thành xi măng, nhưng không chứa bất kỳ lượng CO2 dự trữ nào sẽ được thải ra ngoài.

Cũng trong năm ngoái, một cách tiếp cận thú vị khác đến từ các nhà khoa học ở Đức và Brazil, những người có công thức xi măng carbon thấp sử dụng một loại vật liệu khai thác dồi dào gọi là đất sét Belterra, có thể thay thế 50% đến 60% đá vôi. Điều này có thể giảm thiểu lượng CO2 thải ra và cũng có thể được nung ở nhiệt độ thấp hơn. Vật liệu này được tìm thấy để đáp ứng các tiêu chí hiệu suất cho xi măng truyền thống, nhưng với công thức cắt giảm lượng khí thải carbon tới 2/3.

Một ví dụ đặc biệt thú vị về xi măng carbon thấp được đưa ra vào đầu năm nay từ các nhà khoa học tại Đại học Colorado Boulder, những người lấy cảm hứng từ các vi tảo nhỏ cô lập tự nhiên CO2 và biến nó thành vỏ canxi cacbonat. Các nhà khoa học đã có thể nuôi những loài vi tảo này và để họ sản xuất ra loại đá vôi phát triển sinh học này, sau đó tích hợp chúng vào sản xuất xi măng thay cho vật liệu khai thác.

Điều khiến một chút nghiên cứu này trở nên hấp dẫn, đó là bê tông tạo thành không chỉ tương tự và hoạt động như bê tông thông thường, mà còn có thể thực sự là trung tính cacbon hoặc thậm chí là không thải ra CO2. Điều này là do vi tảo thu giữ nhiều CO2 để tạo nhiên liệu cho việc sản xuất canxi cacbonat so với lượng được tạo ra trong quá trình này.

Các nhà khoa học này đã được trao một khoản trợ cấp 3,2 triệu đô la Mỹ để làm việc trong việc mở rộng quy mô sản xuất đá vôi sinh học và bê tông trung tính carbon của họ. Họ ước tính rằng 1-2 triệu mẫu ao mở sẽ cung cấp đủ không gian để nuôi trồng các loại vi tảo cần thiết để đáp ứng nhu cầu xi măng của Hoa Kỳ.

Bê tông độ bền cao

Mặc dù khả năng phục hồi của bê tông là một trong những đặc điểm hấp dẫn của nó, nhưng điều đó không có nghĩa là không có chỗ để cải thiện. Ví dụ, khi các vết nứt hình thành trong kết cấu bê tông, nó dẫn nước vào bên trong và có thể làm ảnh hưởng đến độ bền của nó. Điều này có thể làm cho chúng tốn kém để bảo trì hoặc thậm chí có thể phải thay thế hoàn toàn. Điều này gián tiếp làm tăng lượng khí thải CO2 của vật liệu, nhưng có một số giải pháp thú vị.

Bao gồm các dạng bê tông sử dụng một loại keo đặc biệt để dán các vết nứt lại với nhau và những dạng khác làm đầy vết nứt bằng nấm. Một phiên bản của loại bê tông tự phục hồi này đến từ các nhà khoa học tại Học viện Bách khoa Worcester vào năm ngoái, sử dụng một loại enzyme có thể hoạt động thành bột bê tông trước khi nó được hình thành.

Khi một vết nứt nhỏ hình thành trên bê tông, enzyme này sẽ phản ứng với CO2 trong không khí để tạo ra các tinh thể canxi cacbonat, sau đó sẽ lấp đầy các khoảng trống. Trong thử nghiệm, bê tông được chứng minh có khả năng tự sửa chữa các vết nứt trong vòng 24 giờ, với các nhà khoa học dự đoán rằng công nghệ này có thể kéo dài tuổi thọ của kết cấu bê tông từ 20 đến 80 năm.

Một trong những cách khác mà các nhà khoa học đang tìm cách tăng cường độ bền của bê tông, có lẽ không có gì đáng ngạc nhiên, bằng vật liệu nhân tạo mạnh nhất thế giới. Việc kết hợp graphene vào bê tông đã được chứng minh là làm cho nó cứng hơn và chịu nước tốt hơn, và năm ngoái, đã có những nghiên cứu đầu tiền về loại vật liệu.

"Concretene" của Đại học Manchester có một lượng nhỏ graphene được thêm vào nước và xi măng để hoạt động như chất hỗ trợ cơ học và thúc đẩy các phản ứng hóa học biến hỗn hợp thành bê tông. Kết quả là bê tông có liên kết bền hơn và cường độ cao hơn khoảng 30%. Vật liệu này đã được đổ vào tấm bê tông tăng cường graphene đầu tiên trên thế giới ở Anh vào năm ngoái, nơi các kỹ sư sẽ giám sát hoạt động của nó.

Việc tạo ra một loại bê tông cứng hơn nhiều so với bê tông truyền thống, nêncó thể ít cần sử dụng hơn để mang lại cùng độ bền kết cấu cho một tòa nhà. Nhóm nghiên cứu tính toán rằng nếu nó được triển khai trên toàn bộ chuỗi cung ứng toàn cầu, có thể giảm khoảng 2% lượng khí thải trên toàn thế giới.

Giải quyết lãng phí

Việc làm cho bê tông bền hơn và hoạt động tốt hơn có thể giúp các nhà sản xuất hướng tới các hình thức xanh hơn. Các nhà khoa học khá sáng tạo trong việc kết hợp vật liệu phế thải vào bê tông để giúp không chỉ tái chế mà còn tăng cường hiệu xuất bê tông.

Vào năm 2019, các nhà khoa học tại Đại học Deakin của Úc đã lấy thủy tinh không thể tái chế và nghiền thành bột thô, có thể được sử dụng thay cho cát làm cốt liệu cho bê tông polyme.

Lốp cao su bỏ đi là một vật liệu phế thải khác đang thu hút sự quan tâm đáng kể, chúng có thể được mài và sử dụng thay cho cát hoặc sỏi làm cốt liệu. Tháng trước, các nhà nghiên cứu tại Đại học RMIT đã có một bước tiến ấn tượng, khi cho ra mắt một dạng bê tông có thành phần 100% là cốt liệu cao su lốp và cho thấy những cải tiến đáng kể về độ bền nén, uốn và kéo.

Trở lại năm 2017, các nhà khoa học của MIT đã phát triển một dạng bê tông sử dụng các chai nước nhựa được chiếu xạ. Cách tiếp cận của họ liên quan đến việc cho các chai nhựa bỏ đi tiếp xúc với bức xạ gamma, trước khi nghiền nhỏ và trộn chúng thành xi măng cùng với tro bay. Bê tông kết quả được chứng minh là cứng hơn 15% so với bê tông thông thường.

Các nhà khoa học cũng đang tìm cách giải quyết chất thải bdo đại dịch coronavirus tạo ra. Các nhà nghiên cứu của Đại học RMIT vào tháng trước đã chứng minh một dạng bê tông thân thiện với môi trường khác kết hợp thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE), 54 tấn trong số đó được sản xuất mỗi ngày.

Áo choàng, khẩu trang và găng tay cao su được cắt nhỏ và trộn vào bê tông ở các nồng độ khác nhau. Găng tay cao su được phát hiện là tăng cường độ nén lên đến 22%, trong khi khẩu trang cải thiện nó lên đến 17%. Những chiếc áo choàng được cắt nhỏ đã cải thiện độ bền nén lên 15%, độ đàn hồi lên 12% và khả năng chống ứng suất uốn lên đến 21%.

Hướng tới xây dựng xanh hơn

Do các loại dự án nghiên cứu và bê tông thử nghiệm này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, nên vẫn còn một chặng đường dài phía trước để cho thấy chúng có gây ra bất kỳ tác động nào đối với lượng khí thải carbon toàn cầu. Nhưng chứng mình cho thấy có nhiều nhiều khả năng có thể giảm bớt tác động môi trường của bê tông. Ngay cả việc giảm lượng khí thải carbon nhỏ cũng có thể đánh dấu một số bước tiến lớn trong tương lai.