Bê tông - ông vua vật liệu: Câu chuyện chưa ai kể

Bê tông, chúng ta có thể nói gì về nó? Một vật liệu xây dựng rất phổ biến trong cuộc sống hiện đại, một vài người biết nó là kết quả của quá trình trộn xi măng, nước và vôi... và gì nữa? Hình như hết rồi đúng không? Có vẻ như chúng ta biết quá ít về một thứ trong khi tưởng bản thân biết nhiều về nó...

Ngày xửa ngày xưa

Như đã nói phía trên, bê tông là vật liệu nhân tạo được hình thành từ nhiều nguyên liệu khác nhau: xi măng, nước, vôi... Mặc dù vậy, nó chỉ đúng với dạng bê tông hiện đại - nhân tố chính của một nền công nghiệp trị giá 100 tỷ USD - trong khi đó, bê tông lại có nguồn gốc từ rất lâu rồi. Theo các nghiên cứu khảo cổ khoảng 2 ngàn năm trước, người dân La Mã đã biết sửa dụng tro núi lửa trộn với nước như một loại "bê tông đặc biệt" trong việc tạo nên những công trình thế kỷ sau này, điển hình nhất là đấu trường Colosseum tại thủ đô Rome.

Đấu trường Colosseum - Rome, Italy.

Cụ thể, những thợ thủ công cổ đại của thành phố cảng Pozzuoli (nay là thủ phủ tỉnh Naples, Italy) trở nên cực kỳ nổi tiếng nhờ một loạt vật liệu có tên pozzolana - thành phần chính là tro núi lửa của ngọn núi Campi Flegrei gần đó. Theo những ghi chép khảo cổ, pozzolana được mệnh danh là "vật liệu thần thánh" khi chỉ cần trộn nó với nước là được một loại đất dẻo có thể tạo hình theo ý muốn và khi để khô nó sẽ cùng với đá khối tạo ra những bức tường thành bất khả xâm phạm với kẻ thù. Đây chính là dạng "bê tông" đầu tiên của nhân loại.

Tro núi lửa pozzolana - Bê tông thời cổ đại.

Vậy tại sao tro núi lửa lại có thể làm nên thứ vật liệu thần kỳ như vậy? Các nhà khảo cổ đã phát hiện ra pozzolana là hỗn hợp của Silic dioxide (SiO₂), có nhiều trong cát, và vôi sống (CaO) - 2 trong 3 thành phần chính của bê tông trước khi xi măng xuất hiện. Ngay lập tức, đội ngũ khảo cổ đã nhờ đến sự trợ giúp của các chuyên gia địa chất của đại học Stanford để nghiên cứu khu vực miệng núi lửa Campi Flegrei.

Đội ngũ nghiên cứu sau khi thu thập đủ dữ liệu đã phát hiện ra khu vực miệng núi lửa có rất nhiều đá vôi (CaCO₃), dưới nhiệt cực cao của khu vực này thì một phản ứng hóa học cơ bản đã xảy ra:

CaCO₃ → CaO CO₂

Khi núi lửa phun trào, lớp CaO tích tụ lâu ngày sẽ bắn lên không trung và bay xa. Không ít mảng lớn sẽ bay về phía bờ biển cách đó không xa và lẫn với cát biển, những người thợ thủ công tại Pozzuoli đã phát hiện ra chúng và họ tình cờ nhận thấy những mảng bị ẩm ướt có thể trở nên cực kỳ rắn chắc khi chúng bị phơi khô dưới ánh nắng. Bê tông có nguồn gốc như vậy đấy.

Bộ mặt thời hiện đại

Sau khi đế chế La Mã sụp đổ, những tưởng những gì pozzolana làm được sẽ biến mất mãi mãi thì năm 1824, Joseph Aspdin chính thức sáng tạo ra xi măng Portland - đặt nền móng cho bê tông hiện đại. Với việc nung đá vôi và đất sét giàu silic dưới điều kiện 600 độ C, Joseph Aspdin đã tạo canxi silicat (Ca₂SiO₄) giống như cách núi lửa Campi Flegrei đã từng làm.

Với sự xuất hiện của xi măng Portland, ngành xây dựng thực sự đã thay đổi sau những năm 40 của thế kỷ 19. Thậm chí, các chuyên gia đã tạo ra nhiều loại bê tông khác nhau để phù hợp với những mục đích sử dung cụ thể. Dưới đây là những loại bê tông hiện đại điển hình nhất:

- Bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép rất quen thuộc với con người.

Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép. Sự kết hợp này đem lại nhiều ưu điểm nổi bật cho bê tông cốt thép. Thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau, do đó tránh được sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.

Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trường, thép định vị bê tông nhằm tránh nứt vỡ. Bê tông có đặc tính chịu kéo và uốn kém, khi có cốt thép nhược điểm này sẽ được khắc phục do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt. Trong hầu hết các công trình hiện nay, bê tông cốt thép đóng vai trò là kết cấu chịu lực chính cho cả công trình.

- Bê tông tiêu thấm

Bê tông tiêu thấm được dùng làm đường giao thông nhờ khả năng thấm nước của mình.

Bê tông tiêu thấm nước với những ưu điểm vượt trội như làm giảm thiểu ô nhiễm nước mưa, bảo vệ nguồn nước ngầm là một hướng mới về công nghệ bê tông thân thiện với môi trường. Công nghệ bê tông mới này đang được các nước trên thế giới chú trọng phát triển đặc biệt là với những nước mà vấn đề ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm môi trường mang tới những hậu quả nghiêm trọng.

Khả năng cho nước thấm qua bê tông mà vẫn đảm bảo về cường độ và tuổi thọ giúp cho loại bê tông này vượt trội hơn các loại bê tông truyền thống. Trên thế giới, đã có một số nước áp dụng bê tông thấm nước vào trong các công trình xây dựng như đường giao thông, vỉa hè, bãi đỗ xe… và đã đạt được hiệu quả cao về mặt môi trường, kinh tế, kết cấu, thẩm mỹ…

- Bê tông nano

Bê tông nano sẽ tạo một cuộc cách mạng xanh trong ngành vật liệu xây dựng.

Hiện nay, bê tông trên cơ sở chất kết dính xi măng là loại vật liệu xây dựng được sản xuất nhiều nhất trên thế giới với khoảng 5,2 tỉ mét khối hàng năm. Trong đó quá trình sản xuất xi măng tiêu thụ rất nhiều năng lượng, với lượng sản xuất hàng năm trên thế giới khoảng 2,1 tỉ tấn xi măng tương đương phát thải khoảng 5 % lượng khí trên toàn cầu.

Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng vật liệu nano như là phụ gia đối với vật liệu xây dựng trên cơ sở chất kết dính xi măng đã tạo ra độ bền chắc ở những vùng chuyển tiếp làm cho các tính chất của chúng được cải thiện rõ rệt. Với việc sử dụng bột nano và sợi nano như là phụ gia trong sản xuất bê tông không chỉ làm cho cường độ của bê tông tính năng siêu việt (Ultra High Performance Concrete) có thể tăng lên gấp hàng chục lần, mà còn nhiều tính chất khác như độ chảy và bám dính (trong bê tông tự đầm, bê tông phun, bê tông trộn sẵn), bền ăn mòn hoặc ngăn cản từ trường có thể đạt được tối ưu nhất.

- Bê tông sinh học

Bê tông dù thuộc loại vật liệu "nồi đồng cối đá" nhưng nó vẫn không thể chiến thắng được thời gian khi những công trình làm từ bê tông sẽ xuất hiện những vết nứt không thể chữa lành. Giáo sư sinh vật Jonkers đã đề xuất loại một loại bê tông có thể tự "hàn gắn" các vết nứt chỉ nhờ vào vi khuẩn và nước mưa.

Cụ thể, những loại vi khuẩn Bacillus và/hoặc Sporosarcina sẽ được cho ngủ đông và đóng gói trong những hạt rất nhỏ, tương tự như bột trắng, mịn và bổ sung vào kết cấu bê tông trong quá trình xây dựng. Chúng sẽ được đóng gói cùng với thức ăn là canxi lactat.

Khi các vết nứt xuất hiện trên kết cấu công trình, những viên siêu nhỏ sẽ vỡ ra, nước xâm nhập vào và vi khuẩn bị đánh thức. Khi đó chúng bắt đầu "ăn thức ăn" đã dự trữ sẵn. Kết quả là chúng sẽ thải ra hợp chất đá vôi cứng, lấp vào các vết nứt và ngăn chặn nước tiếp cận phá hủy cấu trúc công trình (nước có thể khiến bộ khung sắt thép bị gỉ sét).

Theo giáo sư Jonkers, phần lớn các công trình có tuổi thọ vào khoảng 20-30 năm thì chủng vi khuẩn này có thể ngủ yên trong 200 năm mà không cần thức ăn. Do đó, cách làm này có thể kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng thêm nhiều thập kỷ so với bình thường.

Trường tồn cùng thời gian?

Trong thời gian gần đây, con người đã bắt đầu tìm kiếm những vật liệu để thay thế bê tông nhưng trước khi bất kỳ ý tưởng nào trở thành hiện thực thì bê tông vẫn là lựa chọn số một cho những công trình xây dựng. Cũng phải thôi, theo thống kê mới nhất thì bê tông là vật liệu nhân tạo được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, thậm chí sản lượng tiêu thụ của nó còn lớn hơn sản lượng tiêu thục của nhựa, thép và nhôm cộng lại.

Xuất hiện từ sớm. Mất tích khá lâu. Trở lại mạnh mẽ. Bê tông - vua vật liệu.