Phát minh một loại vật liệu mới gây bất ngờ cho ngành xây dựng: Bê tông làm từ cà rốt và củ dền, tiết kiệm đến 40kg xi măng/m3

Một nghiên cứu của các nhà khoa học Anh cho thấy các hạt nano chiết xuất từ chất thải cà rốt và củ dền có thể giúp tạo ra loại bê tông bền hơn, đồng thời giảm lượng xi măng sử dụng trong xây dựng. Nếu được ứng dụng ở quy mô lớn, công nghệ này có thể góp phần giảm đáng kể lượng phát thải carbon của ngành xây dựng toàn cầu.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Lancaster (Vương quốc Anh), phối hợp với công ty vật liệu CelluComp, đã công bố kết quả nghiên cứu về việc sử dụng các hạt nano dạng tấm (nano platelets) được chiết xuất từ chất xơ thực vật có trong cà rốt và củ cải đường để gia cường bê tông.

Điểm đáng chú ý là nguồn nguyên liệu này không phải các vật liệu công nghệ cao, đắt đỏ như graphene, ống nano carbon hay sợi nano tổng hợp, mà là các phụ phẩm nông nghiệp có giá trị kinh tế thấp. Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy chúng có thể mang lại hiệu quả tương đương, thậm chí vượt trội hơn một số chất phụ gia tiên tiến trong một số ứng dụng nhất định.

Theo nhóm nghiên cứu, các hạt nano dạng tấm có kích thước cực nhỏ nhưng sở hữu diện tích bề mặt lớn. Khi được phân tán trong hỗn hợp xi măng, chúng tác động trực tiếp đến quá trình thủy hóa, giúp tối ưu cấu trúc vi mô bên trong bê tông.

Kết quả là vật liệu có cấu trúc đặc hơn, giảm số lượng lỗ rỗng siêu nhỏ, qua đó cải thiện các đặc tính cơ học như độ bền và khả năng chịu lực mà không làm gia tăng đáng kể trọng lượng hoặc thể tích của hỗn hợp.

Các hạt nano này hoạt động ở quy mô nanomet, can thiệp vào những phản ứng hóa học hình thành ma trận xi măng, từ đó nâng cao hiệu suất của bê tông ngay từ giai đoạn cấu trúc vi mô.

Xi măng là thành phần cốt lõi của bê tông hiện đại, nhưng cũng là một trong những nguồn phát thải khí carbon dioxide (CO₂) lớn nhất trong lĩnh vực công nghiệp.

Quá trình sản xuất clinker – nguyên liệu chính của xi măng Portland – đòi hỏi nhiệt độ rất cao và tiêu tốn lượng năng lượng lớn, khiến ngành xi măng trở thành một trong những lĩnh vực phát thải carbon đáng kể trên toàn cầu.

Trong bối cảnh đó, bất kỳ công nghệ nào giúp giảm lượng xi măng sử dụng mà vẫn duy trì chất lượng bê tông đều nhận được sự quan tâm đặc biệt.

Theo ước tính của Đại học Lancaster, việc bổ sung các hạt nano có nguồn gốc thực vật có thể giúp tiết kiệm khoảng 40 kg xi măng cho mỗi mét khối bê tông trong một số công thức nhất định, đồng thời vẫn duy trì hoặc cải thiện hiệu suất của vật liệu.

Con số này có thể không quá lớn đối với từng công trình riêng lẻ, nhưng khi áp dụng trên quy mô lớn tại các dự án cầu, đường, đập thủy điện, nhà ở hay đường hầm – những lĩnh vực tiêu thụ hàng nghìn mét khối bê tông – lượng xi măng được cắt giảm có thể trở nên đáng kể, kéo theo sự sụt giảm tương ứng về phát thải khí nhà kính.

Một trong những kết quả gây chú ý của nghiên cứu là hiệu suất của các hạt nano từ cà rốt và củ dền được đánh giá cao hơn một số chất phụ gia nano từng được thử nghiệm trước đó, bao gồm cả những vật liệu có chi phí sản xuất cao như graphene hay ống nano carbon.

Ngoài yếu tố kỹ thuật, lợi thế lớn của công nghệ này nằm ở chi phí. Nguyên liệu đầu vào là chất thải nông nghiệp dồi dào và giá rẻ, trong khi các vật liệu nano tiên tiến thường đòi hỏi quy trình sản xuất công nghiệp phức tạp và chi phí cao.

Bên cạnh đó, việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp còn tạo ra hướng đi mới cho kinh tế tuần hoàn, khi những vật liệu vốn có giá trị thấp được chuyển đổi thành các thành phần có giá trị gia tăng cao cho ngành xây dựng.

Dù kết quả trong phòng thí nghiệm được đánh giá tích cực, các nhà nghiên cứu cho rằng việc ứng dụng vật liệu thực vật trong bê tông kết cấu vẫn cần thêm nhiều giai đoạn thử nghiệm, đánh giá và kiểm chứng ở quy mô công nghiệp.

Như Quỳnh