Bước ngoặt ngành xây dựng: Công nghệ biến cát sa mạc thành bê tông sinh học, giải bài toán khan hiếm vật liệu toàn cầu

[Hoàng Khang]

Một nhóm nghiên cứu liên kết giữa Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) và Đại học Tokyo (Nhật Bản) vừa công bố một phát minh mang tính đột phá, hứa hẹn làm thay đổi cục diện ngành công nghiệp vật liệu xây dựng thế giới. Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp chế tạo bê tông từ cát sa mạc – loại tài nguyên vốn được coi là vô dụng trong xây dựng – thông qua việc kết hợp với các phụ gia thực vật tự nhiên.

Nghịch lý của cát sa mạc và cơn khát tài nguyên

Bê tông hiện là vật liệu được tiêu thụ nhiều thứ hai trên hành tinh, chỉ đứng sau nước, với hơn 4 tỷ tấn xi măng được sản xuất mỗi năm để đáp ứng nhu cầu xây dựng. Hoạt động khổng lồ này kéo theo một cái giá rất đắt về môi trường khi đóng góp tới 8% tổng lượng khí thải CO2 toàn cầu. Bên cạnh đó, ngành xây dựng đang đối mặt với cuộc khủng hoảng thiếu hụt trầm trọng nguồn cát sông và đá nghiền, dẫn đến tình trạng khai thác quá mức gây sạt lở và hủy hoại hệ sinh thái tự nhiên.

Trong bối cảnh đó, cát sa mạc dù có trữ lượng vô tận nhưng lâu nay vẫn bị "bỏ rơi". Nguyên nhân nằm ở cấu trúc vật lý của chúng: do bị gió bào mòn qua hàng nghìn năm, các hạt cát sa mạc trở nên quá mịn và tròn nhẵn. Điều này khiến chúng mất đi ma sát cần thiết để liên kết chặt chẽ với xi măng trong các công thức bê tông truyền thống, tạo ra các kết cấu yếu và dễ vỡ. Chính hạn chế vật lý này đã buộc nhân loại phải tiếp tục nạo vét các dòng sông dù sa mạc chiếm diện tích lớn trên bề mặt Trái Đất.

Công thức "Bê tông cát thực vật"

Để giải quyết bài toán hóc búa này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại vật liệu mới mang tên "bê tông cát thực vật" (Plant-based sand concrete). Thay vì sử dụng cơ chế liên kết hóa học của xi măng, các nhà khoa học đã chuyển sang phương pháp cơ-lý-hóa kết hợp. Họ trộn cát sa mạc hạt mịn với các chất kết dính có nguồn gốc thực vật và các hạt gỗ nhỏ, sau đó ép hỗn hợp này dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao.

Quá trình thí nghiệm được thực hiện nghiêm ngặt tại phòng thí nghiệm của Đại học Tokyo. Bằng cách tinh chỉnh các biến số như nhiệt độ, áp suất nén, tỷ lệ phối trộn nguyên liệu và thời gian ép, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra một vật liệu đặc, rắn chắc mà không cần đến một gam xi măng nào. Kết quả thử nghiệm cho thấy, dù không sử dụng chất kết dính truyền thống, cát sa mạc vẫn có thể đạt được độ bền kết cấu đáng kinh ngạc khi được xử lý trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ cùng vật liệu hữu cơ.

Tiềm năng ứng dụng và định hướng tương lai

Kết quả đánh giá sơ bộ cho thấy loại vật liệu mới này hoàn toàn đủ độ bền để ứng dụng cho các hạng mục không chịu lực tải trọng lớn, điển hình như gạch lát vỉa hè, lối đi bộ hay các công trình phụ trợ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng đưa ra những nhận định thận trọng rằng ở giai đoạn hiện tại, bê tông cát thực vật chưa phù hợp để thi công các tòa nhà cao tầng hay các công trình đòi hỏi khả năng chịu lực cực lớn trong môi trường ngoài trời khắc nghiệt.

Vật liệu này sẽ cần trải qua thêm nhiều vòng thử nghiệm để kiểm chứng độ bền lâu dài, đặc biệt là khả năng chống chịu với các chu kỳ đóng băng - tan băng ở những vùng khí hậu lạnh. Nhóm tác giả cũng nhấn mạnh chiến lược phát triển bền vững của vật liệu này nằm ở tính địa phương hóa. Mục tiêu là sử dụng cát sa mạc ngay tại chỗ để xây dựng các công trình trong khu vực, tránh việc phát sinh khí thải carbon từ quá trình vận chuyển vật liệu nặng đi quãng đường dài. Nếu tiếp tục được hoàn thiện và thương mại hóa, bê tông cát thực vật không chỉ giúp giảm áp lực khai thác lên các dòng sông mà còn biến những vùng hoang mạc cằn cỗi trở thành kho nguyên liệu xây dựng xanh của tương lai.