Ảnh minh họa.
Xu hướng phát triển vật liệu bền vững cho hạ tầng
Một loại polymer bê tông do các nhà khoa học Nga nghiên cứu phát triển với cường độ chịu nén lên tới 106 MPa cùng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cao đang thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu vật liệu xây dựng (VLXD). Dù cần thêm thời gian kiểm chứng trong điều kiện khai thác thực tế, nghiên cứu này phản ánh xu hướng chung của ngành xây dựng hạ tầng thế giới: Phát triển các vật liệu có độ bền cao, tuổi thọ dài và tối ưu chi phí trong suốt vòng đời công trình.
Theo thông tin từ Đại học Bách khoa Quốc gia Perm (PNRPU) của Nga, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại polymer bê tông trên cơ sở nhựa epoxy kết hợp sợi thủy tinh, cát thạch anh và các phụ gia chức năng.
Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu đạt cường độ chịu nén khoảng 106 MPa, cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường vốn phổ biến trong khoảng 20 - 40 MPa. Nhóm nghiên cứu cũng cho biết sản phẩm có các chỉ tiêu cơ học vượt từ 15 - 20% so với một số loại polymer bê tông tham chiếu đang được sử dụng trên thị trường quốc tế.
Bên cạnh khả năng chịu lực, vật liệu mới được đánh giá có ưu thế về chống thấm nước, chống ăn mòn hóa học và ổn định trong điều kiện nhiệt độ biến động. Theo các nhà khoa học Nga, đây là những đặc tính phù hợp với các công trình chịu tải trọng động lớn như cầu đường, đường sắt, nền móng thiết bị công nghiệp và các kết cấu thường xuyên chịu rung động.
Dù kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy nhiều triển vọng, các chuyên gia VLXD cho rằng cường độ chịu nén chỉ là một trong nhiều chỉ tiêu đánh giá chất lượng vật liệu.
Đối với các công trình giao thông, đặc biệt là cầu và đường bộ, tuổi thọ khai thác còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như khả năng chống mỏi, độ ổn định dưới tác động của nhiệt độ, độ bền liên kết với các vật liệu khác, khả năng thi công quy mô lớn cũng như hiệu quả kinh tế trong toàn bộ vòng đời công trình.
Thực tế, polymer concrete không phải là vật liệu hoàn toàn mới. Theo các nghiên cứu của Viện Hàn lâm Khoa học, Kỹ thuật và Y học Quốc gia Hoa Kỳ (NASEM), vật liệu này đã được sử dụng trong nhiều hạng mục sửa chữa kết cấu, lớp phủ mặt cầu và các công trình cần tăng cường khả năng chống thấm, chống ăn mòn.
Các tổng quan nghiên cứu quốc tế cho thấy polymer concrete thường có độ rỗng thấp, khả năng kháng hóa chất tốt và cường độ chịu nén dao động từ 70 MPa đến trên 120 MPa tùy theo thành phần cấu tạo. Nhờ đó, vật liệu được quan tâm trong các công trình đặc thù như cầu, cảng biển, nhà máy hóa chất hoặc các khu vực có môi trường xâm thực mạnh.
Nghiên cứu của Nga là một phần trong xu hướng đổi mới VLXD hạ tầng đang diễn ra tại nhiều quốc gia.
Tại Mỹ, bê tông siêu tính năng (UHPC) được Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA) đánh giá là giải pháp giúp nâng cao độ bền kết cấu, kéo dài tuổi thọ công trình và giảm nhu cầu sửa chữa trong quá trình khai thác. Trong khi đó, Nhật Bản và nhiều quốc gia phát triển đang đẩy mạnh nghiên cứu các loại vật liệu composite chống ăn mòn nhằm giảm chi phí bảo trì cho các công trình giao thông trong nhiều thập kỷ.
Theo các chuyên gia, tiêu chí lựa chọn vật liệu hiện nay không chỉ dựa trên chi phí đầu tư ban đầu mà ngày càng hướng tới tối ưu chi phí vòng đời công trình. Một công trình có chi phí xây dựng cao hơn nhưng giúp giảm đáng kể chi phí duy tu, sửa chữa trong 50 - 100 năm khai thác có thể mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể cao hơn.
Gợi mở hướng nghiên cứu cho Việt Nam
Đối với Việt Nam, phát triển và ứng dụng các VLXD công nghệ cao đang trở thành yêu cầu cấp thiết khi nhiều dự án hạ tầng quy mô lớn được triển khai như hệ thống đường bộ cao tốc Bắc - Nam, Cảng Hàng không quốc tế Long Thành, các tuyến đường ven biển, cảng biển và mạng lưới cầu vượt sông...
Điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, lượng mưa lớn cùng môi trường biển có độ ăn mòn cao khiến nhiều công trình phải đối mặt với nguy cơ suy giảm tuổi thọ nếu không có giải pháp vật liệu phù hợp.
Việc nghiên cứu và từng bước ứng dụng các loại bê tông tính năng cao, vật liệu composite, vật liệu chống thấm hoặc vật liệu tái chế sẽ là xu hướng tất yếu. Bên cạnh việc nâng cao độ bền công trình, các vật liệu này còn góp phần giảm phát thải carbon thông qua việc kéo dài tuổi thọ khai thác và hạn chế nhu cầu sửa chữa, thay thế.
Tuy nhiên, từ kết quả nghiên cứu đến ứng dụng thực tế vẫn là khoảng cách không dễ vượt qua đối với bất kỳ loại vật liệu mới nào.
Theo PGS. TS Tống Tôn Kiên - Phó Viện trưởng Viện Nghiên cứu và Ứng dụng VLXD nhiệt đới (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) khó khăn lớn nhất hiện nay không nằm ở bản thân công nghệ mà ở giai đoạn chuyển tiếp từ nghiên cứu sang ứng dụng. Quá trình phát triển một vật liệu mới thường phải trải qua nhiều bước, từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm quy mô nhỏ, thí điểm trên công trình thực tế cho tới ứng dụng ở quy mô công nghiệp.
Tuy nhiên, nhiều đề tài khoa học hiện mới dừng ở giai đoạn nghiên cứu hoặc thử nghiệm ban đầu, trong khi giai đoạn thương mại hóa mới là khâu đòi hỏi nhiều nguồn lực nhất.
“Đây là giai đoạn cần sự tham gia đồng bộ của cơ quan quản lý, doanh nghiệp, đơn vị tư vấn và chủ đầu tư. Nếu thiếu sự phối hợp giữa các bên, nhiều kết quả nghiên cứu có giá trị rất khó đi vào thực tiễn”, PGS. TS Tống Tôn Kiên nhận định.
Bên cạnh đó, tâm lý e ngại rủi ro cũng là rào cản đáng kể đối với việc ứng dụng vật liệu mới. Chủ đầu tư thường chưa sẵn sàng sử dụng những sản phẩm chưa có nhiều công trình thực tế kiểm chứng, trong khi hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn, định mức và đơn giá cho các vật liệu mới thường chưa được hoàn thiện.
Việt Nam cần các chương trình khoa học mang tính chiến lược và dài hạn hơn, hỗ trợ liên tục từ nghiên cứu, thử nghiệm quy mô lớn cho đến thương mại hóa sản phẩm.
PGS. TS Tống Tôn Kiên cũng cho rằng, điều Việt Nam còn thiếu không hẳn là công nghệ hay nguồn nhân lực nghiên cứu, mà là một hệ sinh thái đổi mới sáng tạo hoàn chỉnh cho ngành VLXD.
“Để một công nghệ mới phát triển thành sản phẩm thương mại cần sự kết nối đồng bộ giữa nghiên cứu, chính sách và thị trường. Nếu chỉ có công nghệ mà không có tiêu chuẩn, không có cơ chế khuyến khích hoặc không có những công trình tiên phong sử dụng thì rất khó tạo ra đột phá”, ông PGS. TS Tống Tôn Kiên nhấn mạnh.
Theo các chuyên gia lĩnh vực VLXD, việc nghiên cứu và từng bước ứng dụng các loại bê tông tính năng cao, vật liệu composite, vật liệu chống thấm hoặc vật liệu tái chế sẽ là xu hướng tất yếu. Bên cạnh việc nâng cao độ bền công trình, các vật liệu này còn góp phần giảm phát thải carbon thông qua việc kéo dài tuổi thọ khai thác và hạn chế nhu cầu sửa chữa, thay thế.
Mặc dù còn quá sớm để khẳng định polymer bê tông của Nga sẽ tạo ra bước ngoặt trong ngành xây dựng, nhưng nghiên cứu này phản ánh rõ xu hướng phát triển vật liệu hạ tầng trên thế giới: hướng tới độ bền cao hơn, tuổi thọ dài hơn và hiệu quả kinh tế tốt hơn trong suốt vòng đời công trình.
Đối với Việt Nam, trong bối cảnh nhu cầu đầu tư hạ tầng ngày càng lớn và yêu cầu phát triển bền vững ngày càng cao, việc làm chủ công nghệ vật liệu tiên tiến không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là yếu tố quan trọng nâng cao chất lượng công trình, tối ưu chi phí bảo trì và gia tăng hiệu quả sử dụng nguồn lực đầu tư công trong dài hạn.