Một nhóm nhà khoa học Nga vừa phát triển loại bê tông composite mới bằng cách kết hợp đất sét nung với bê tông truyền thống. Vật liệu này có độ bền cao hơn đáng kể và khả năng chống thấm tốt hơn, hứa hẹn tạo bước tiến quan trọng cho các công trình nổi và hạ tầng ngoài khơi.
Các nhà nghiên cứu thuộc Don State Technical University đã phát triển một loại composite mới kết hợp giữa bê tông và khoáng kermzit – một dạng đất sét nung có c ấu trúc rỗng
Trong nhiều thập kỷ qua, ngành xây dựng luôn tìm kiếm những loại vật liệu có thể đáp ứng đồng thời hai yêu cầu tưởng như mâu thuẫn: vừa nhẹ để giảm tải trọng, vừa đủ bền để chịu lực trong thời gian dài. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình hoạt động trên biển. Môi trường nước mặn, gió mạnh và nhiệt độ biến động liên tục khiến vật liệu xây dựng phải đối mặt với áp lực khắc nghiệt hơn nhiều so với các công trình trên đất liền. Chính vì vậy, việc phát triển vật liệu mới luôn được xem là chìa khóa cho sự tiến bộ của kỹ thuật xây dựng hiện đại.
Một nghiên cứu mới từ Nga đang thu hút sự chú ý của giới khoa học vật liệu và ngành công nghiệp xây dựng. Các nhà nghiên cứu thuộc Don State Technical University đã phát triển một loại composite mới kết hợp giữa bê tông và khoáng kermzit – một dạng đất sét nung có cấu trúc rỗng. Kết quả nghiên cứu được công bố trên Journal of Composites Science cho thấy vật liệu này có thể cải thiện đáng kể độ bền cơ học so với bê tông nhẹ thông thường.
Theo nhóm nghiên cứu, một trong những thách thức lớn nhất của các công trình nổi là phải duy trì độ ổn định trong khi vẫn đảm bảo khả năng chịu tải. Các giàn khai thác dầu khí hoặc trạm nghiên cứu biển thường mang theo hàng loạt thiết bị nặng. Nếu vật liệu xây dựng quá nặng, kết cấu sẽ mất khả năng nổi ổn định. Ngược lại, nếu vật liệu quá nhẹ nhưng không đủ bền, công trình có thể bị hư hại do lực tác động từ sóng và gió.
Trong thực tế, nhiều công trình ngoài khơi hiện nay sử dụng thép chống ăn mòn hoặc vật liệu composite sợi tổng hợp. Những vật liệu này có khả năng chịu lực tốt nhưng chi phí sản xuất và bảo trì khá cao. Ngoài ra, kim loại vẫn có nguy cơ bị ăn mòn trong môi trường nước biển nếu lớp bảo vệ bị hư hỏng. Điều này khiến các kỹ sư luôn tìm kiếm những giải pháp thay thế hiệu quả hơn.
Bê tông truyền thống vốn là vật liệu xây dựng phổ biến nhất thế giới nhờ chi phí thấp và quy trình sản xuất đơn giản. Tuy nhiên, bê tông thông thường có mật độ khá lớn, khiến nó trở nên quá nặng đối với nhiều loại kết cấu nổi. Ngoài ra, các lỗ rỗng nhỏ trong bê tông có thể hấp thụ nước theo thời gian. Khi nước biển thấm vào bên trong, các phản ứng hóa học có thể làm suy yếu cấu trúc vật liệu.
Chính vì vậy, các nhà khoa học Nga đã tìm cách cải tiến bê tông bằng cách kết hợp với kermzit. Đây là loại vật liệu được tạo ra bằng cách nung đất sét ở nhiệt độ cao. Trong quá trình nung, các hạt đất sét phồng lên và hình thành cấu trúc rỗng bên trong. Nhờ cấu trúc này, kermzit có trọng lượng nhẹ nhưng vẫn giữ được độ bền nhất định.
Kermzit thực ra không phải là vật liệu mới trong ngành xây dựng. Tại Nga và nhiều quốc gia châu Âu, nó thường được sử dụng làm cốt liệu nhẹ trong bê tông cách nhiệt hoặc vật liệu san lấp. Tuy nhiên, việc ứng dụng kermzit cho các cấu trúc nổi ngoài khơi vẫn chưa được nghiên cứu sâu. Nhóm nghiên cứu tại Don State Technical University đã nhìn thấy tiềm năng của vật liệu này trong việc giảm trọng lượng bê tông.
Điểm quan trọng trong nghiên cứu không chỉ nằm ở việc trộn kermzit vào bê tông. Các nhà khoa học đã phát triển một quy trình xử lý đặc biệt nhằm cải thiện liên kết giữa các hạt kermzit và ma trận xi măng. Nhờ vậy, vật liệu composite tạo ra có cấu trúc chặt chẽ hơn và giảm các khoảng rỗng không mong muốn.
Ngoài ra, vật liệu còn được gia cường bằng sợi bazan. Đây là loại sợi khoáng được sản xuất từ đá bazan nóng chảy và có độ bền cơ học rất cao. Sợi bazan cũng có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường nước biển. Sự kết hợp này giúp tăng cường độ bền tổng thể của vật liệu composite.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu mới có hiệu suất rất ấn tượng. Khả năng chịu uốn của kermzit-bê tông tăng khoảng 30–38% so với các mẫu bê tông nhẹ tương tự. Khả năng chịu nén cũng tăng thêm khoảng 25%. Đây là mức cải thiện đáng kể đối với vật liệu xây dựng.
Một yếu tố quan trọng khác là khả năng chống thấm nước. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu mới hấp thụ nước ít hơn khoảng 25–26% so với các mẫu đối chứng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình hoạt động trong môi trường biển. Khi nước thấm vào vật liệu ít hơn, nguy cơ suy giảm cấu trúc theo thời gian cũng giảm đáng kể.
Khả năng chống thấm tốt giúp kéo dài tuổi thọ của công trình. Trong môi trường biển, muối có thể xâm nhập vào vật liệu và gây ra nhiều phản ứng hóa học phức tạp. Những phản ứng này có thể làm giảm độ bền của bê tông sau nhiều năm sử dụng. Việc giảm mức hấp thụ nước giúp hạn chế các quá trình phá hủy này.
Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu mới đặc biệt phù hợp với các dự án tại vùng biển lạnh. Những khu vực gần Bắc Cực thường có nhiệt độ rất thấp trong thời gian dài. Khi nước thấm vào bê tông và đóng băng, thể tích của nó sẽ tăng lên, gây ra các vết nứt nhỏ. Nếu quá trình này lặp lại nhiều lần, vật liệu có thể bị phá hủy.
Nhờ cấu trúc cải tiến, kermzit-bê tông có khả năng chống lại hiện tượng này tốt hơn. Lượng nước thấm vào vật liệu ít hơn nên nguy cơ đóng băng bên trong cũng giảm. Điều này giúp vật liệu giữ được độ bền lâu hơn trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Đây là yếu tố quan trọng đối với các công trình ở vùng cực.
Các nhà khoa học Nga cho biết họ đang tiếp tục tiến hành các thử nghiệm bổ sung. Những thử nghiệm này tập trung vào khả năng chịu lạnh cực độ và độ bền lâu dài trong nước biển. Đây là hai yếu tố quyết định đối với việc ứng dụng vật liệu trong thực tế. Nếu vượt qua các thử nghiệm này, vật liệu có thể được sử dụng trong nhiều dự án ngoài khơi.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển các loại bê tông nhẹ cho kết cấu nổi. Một số dự án sử dụng vi cầu thủy tinh hoặc các hạt polymer siêu nhẹ để giảm mật độ vật liệu. Tuy nhiên, những vật liệu này thường có chi phí khá cao. Điều đó khiến việc triển khai trên quy mô lớn trở nên khó khăn.
Điểm khác biệt của nghiên cứu từ Nga nằm ở việc sử dụng vật liệu địa phương. Kermzit đã được sản xuất rộng rãi tại Nga trong nhiều năm. Do đó, việc ứng dụng nó vào bê tông composite không đòi hỏi chuỗi cung ứng mới quá phức tạp. Điều này có thể giúp giảm chi phí sản xuất.
Ngoài lĩnh vực khai thác dầu khí, vật liệu này còn có thể ứng dụng trong nhiều công trình khác. Các cầu cảng nổi, nền móng cho tua-bin gió ngoài khơi hoặc trạm nghiên cứu đại dương đều cần vật liệu nhẹ nhưng bền. Kermzit-bê tông có thể trở thành lựa chọn phù hợp cho những dự án như vậy. Điều này mở ra nhiều hướng phát triển mới cho ngành xây dựng biển.
Sự phát triển của vật liệu mới cũng phản ánh xu hướng đổi mới trong kỹ thuật xây dựng. Thay vì chỉ tìm kiếm vật liệu hoàn toàn mới, nhiều nhà khoa học tập trung vào việc cải tiến vật liệu quen thuộc. Bằng cách thay đổi cấu trúc vi mô hoặc bổ sung các thành phần gia cường, họ có thể tạo ra những đặc tính hoàn toàn mới. Phương pháp này thường hiệu quả hơn về mặt kinh tế.
Trong bối cảnh nhu cầu khai thác tài nguyên biển ngày càng tăng, các công trình ngoài khơi sẽ ngày càng nhiều. Điều đó đồng nghĩa với việc ngành xây dựng cần những vật liệu có khả năng hoạt động lâu dài trong môi trường khắc nghiệt. Những nghiên cứu như kermzit-bê tông cho thấy khoa học vật liệu vẫn còn rất nhiều tiềm năng phát triển. Và đôi khi, một cải tiến nhỏ trong thành phần vật liệu cũng có thể tạo ra tác động lớn cho cả ngành công nghiệp.
