Đột phá vật liệu xây dựng: Nga biến phế thải thành bê tông siêu cường, chống thấm W20, chịu lạnh F800

MTXD- Trong bối cảnh ngành xây dựng toàn cầu đang chạy đua tìm kiếm các loại vật liệu vừa nhẹ, vừa bền, vừa thân thiện môi trường, một nhóm nhà khoa học Nga vừa công bố thành công công nghệ bê tông nhẹ siêu cường (VPBL), được xem là bước đột phá có thể làm thay đổi hoàn toàn tư duy thiết kế kết cấu hiện đại.

Phát minh này do nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Xây dựng Quốc gia Moscow (MGSU), đứng đầu là Phó Giáo sư, Tiến sĩ A.S. Inozemtcev cùng Giáo sư, Tiến sĩ E.V. Korolev phát triển và đã được cấp bằng sáng chế độc quyền số RU 2515450. Điểm nổi bật của công nghệ là khả năng giảm hơn 40% trọng lượng kết cấu nhưng vẫn duy trì cường độ chịu nén ở mức 400–450kg/cm², tương đương bê tông mác cao hiện nay.

Theo các công bố khoa học trên tạp chí Materials và hệ thống lưu trữ Vestnik MGSU, bí quyết của công nghệ này nằm ở việc sử dụng vi cầu rỗng aluminosilicate (cenospheres) – loại hạt siêu nhẹ được tách từ tro xỉ nhiệt điện đốt than. Đây vốn là chất thải công nghiệp nhưng qua quá trình tuyển chọn vật lý nghiêm ngặt đã trở thành vật liệu phụ gia có giá trị rất cao.

Khác với bê tông truyền thống sử dụng cốt liệu nặng như đá dăm hay cát thạch anh, công nghệ VPBL thay thế hoàn toàn bằng các vi cầu rỗng có cấu trúc hình cầu gần như hoàn hảo. Nhờ hình học tối ưu, các hạt này giúp phân tán lực đồng đều khi chịu nén, hạn chế tối đa hiện tượng tập trung ứng suất – nguyên nhân chính gây nứt gãy.

Kết quả thử nghiệm cho thấy loại bê tông mới có khối lượng thể tích chỉ từ 1.300–1.500kg/m³, thấp hơn rất nhiều so với bê tông tiêu chuẩn khoảng 2.400kg/m³. Điều này giúp giảm đáng kể tải trọng bản thân công trình, kéo theo hàng loạt lợi ích về thiết kế móng, vận chuyển và thi công.

Không chỉ nhẹ, bê tông VPBL còn đạt cấp độ bền nén từ B30 đến B35, tương đương mác 400–450kg/cm². Đặc biệt, vật liệu đạt chuẩn siêu chống thấm W20, cho phép ngăn nước xâm nhập ở áp suất cao, đồng thời đạt cấp chịu băng giá F800, tức có thể chịu được 800 chu kỳ đóng băng – tan băng liên tục mà không phá hủy cấu trúc.

Theo phân tích kỹ thuật, hệ thống lỗ rỗng bên trong vi cầu là lỗ kín hoàn toàn, giúp cắt đứt các mao dẫn nước nội bộ. Chính điều này tạo nên khả năng chống thấm và chịu lạnh vượt trội – yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các công trình ở vùng khí hậu khắc nghiệt như Siberia hay Bắc Cực.

Về mặt kinh tế, dù chi phí sản xuất vật liệu đầu vào cao hơn bê tông truyền thống, nhưng xét tổng thể dự án, công nghệ VPBL có thể giúp tiết kiệm từ 15–20% tổng chi phí xây dựng. Riêng phần móng công trình có thể giảm từ 25–35% chi phí, nhờ tải trọng kết cấu nhẹ hơn. Trong khâu logistics, chi phí vận chuyển được ghi nhận có thể giảm tới 50% vì xe tải có thể chuyên chở khối lượng cấu kiện lớn hơn trên mỗi chuyến.

Không dừng ở hiệu quả kinh tế, sáng chế này còn mang giá trị môi trường rất lớn. Việc tái sử dụng hàng nghìn tấn tro xỉ nhiệt điện – vốn là gánh nặng chất thải rắn công nghiệp – giúp giảm đáng kể áp lực chôn lấp và ô nhiễm đất, nước.

Để tạo ra các vi cầu aluminosilicate đạt chuẩn, các nhà máy áp dụng hai quy trình chính là tuyển ướt và tuyển khô. Trong đó, phương pháp tuyển ướt dựa trên chênh lệch tỷ trọng giữa vi cầu (0,4–0,8g/cm³) và tro bay thông thường (2,1–2,6g/cm³), cho phép tách lớp vật liệu nổi trên bề mặt. Sau đó, vi cầu được rửa sạch, sấy ở nhiệt độ 105–150°C và sàng lọc kích cỡ từ 10 đến 500 micromet.

Trong khi đó, công nghệ tuyển khô hiện đại hơn sử dụng hệ thống phân tách khí động học kết hợp trọng lực biến tính và từ trường để loại bỏ hoàn toàn các hạt chứa oxit sắt, chỉ giữ lại phần vi cầu tinh khiết có hàm lượng SiO₂ và Al₂O₃ trên 70%.

Hiện Nga đang định hướng đưa công nghệ VPBL vào sản xuất hàng loạt cho các cấu kiện đúc sẵn phục vụ nhà cao tầng, hạ tầng công nghiệp và các công trình tại vùng khí hậu cực lạnh. Giới chuyên gia nhận định, nếu thương mại hóa thành công trên quy mô lớn, đây có thể là một trong những vật liệu xây dựng chiến lược của thập kỷ tới.

Từ một loại chất thải công nghiệp tưởng chừng vô giá trị, Nga đã biến tro bay thành vật liệu siêu cường mang tính cách mạng. Trong cuộc đua phát triển vật liệu xanh và thông minh, phát minh này không chỉ giải bài toán kỹ thuật mà còn mở ra một mô hình kinh tế tuần hoàn đầy triển vọng cho ngành xây dựng thế giới./.

Việt Hồng