Bàn về định hướng phát triển công nghiệp vật liệu xây dựng trong thế kỷ XXI

ptnn1412

Moderator
Bàn về định hướng phát triển công nghiệp vật liệu xây dựng trong thế kỷ XXICông nghiệp vật liệu xây dựng (VLXD) có vai trò và vị trí quan trọng ở các quốc gia, là một trong số các ngành công nghiệp chủ đạo đảm bảo sự tăng trưởng chung cho nền kinh tế quốc dân. Ở nước ta Chính phủ đã phê duyệt "Quy hoạch tổng thể phát triển VLXD Việt Nam đến năm 2020" theo Quyết định số 121/2008/QĐ-TTg ngày 29/8/2008.
Để thực hiện tốt sự định hướng này và giúp cho việc tư vấn các dự án đầu tư, đổi mới công nghệ trong Công nghiệp VLXD, xin mạnh dạn đưa ra trong bài viết này lời bàn về định hướng phát triển của ngành trên kinh nghiệm của các nền kinh tế phát triển của thế giới.

Công nghệ xây dựng hiện đại yêu cầu sự đa dạng của các loại VLXD với các tổ hợp các tính chất khác nhau để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao như về tuổi thọ các kết cấu chịu lực, kết cấu bao che cách nhiệt, cách âm, tính chống xuyên nước, tính chống cháy, tính thẩm mỹ,... Trong thế kỷ XXI bê tông vẫn là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng. Để chế tạo bê tông dùng trong các kết cấu xây dựng chất kết dính vô cơ được sử dụng phổ biến nhất, trong đó xi măng pooclăng đóng vai trò chủ đạo. Theo dự báo nhu cầu VLXD ở Việt Nam đến năm 2020 [1], thì năm 2010 sản lượng xi măng đạt 59,02 triệu tấn, với công suất thiết kế 65,59 triệu tấn và năm 2020 trên 112 triệu tấn. Trong quy hoạch này không nói đến vôi xây dựng. Ở Việt Nam trước những năm chín mươi của thế kỷ XX vôi vẫn chiếm tỷ trọng lớn dùng làm chất kết dính để chế tạo vữa xây và vật liệu hoàn thiện. Nhưng hiện nay vôi xây dựng đã mất dần vị trí của mình, thay vào đó là xi măng pooclăng. Xét về nguồn dự trữ nguyên vật liệu đá vôi sẵn có ở mọi nơi, tuy vậy chúng ta đã không quan tâm lập kế hoạch về hướng phát triển công nghiệp sản xuất chất kết dính - vôi trong xây dựng và trong công nghiệp hoá chất. Trong lộ trình thay thế vật liệu không nung, năm 2010: 10-15%, năm 2015: 20-25%, năm 2020: 30-40% chỉ mới nhìn vào loại chất kết dính sử dụng chủ yếu là xi măng pooclăng. Sản xuất vôi ít tốn kém về năng lượng hơn so với xi măng, chi phí đầu tư ban đầu thấp, trong công nghệ sản xuất các cấu kiện silicát có sử dụng avtoclav sản phẩm từ vôi cát thu được đạt chất lượng cao. Vì vậy cần thiết mở rộng chủng loại chất kết dính vôi xây dựng. Đó chưa kể một lượng lớn vôi cần thiết cho công nghiệp luyện kim.

Trong vài thập kỷ trở lại đây, thế giới đang tập trung nghiên cứu sản xuất các chất kết dính hỗn hợp, thí dụ như các chất kết dính có lượng dùng nước thấp (CKD LDNT) và các chất kết dính trộn lẫn có sử dụng nguyên liệu tro xỉ và các chất biến tính tổng hợp cấu trúc nano. Điều này cho phép tăng sản lượng chất kết dính với cùng một lượng dùng xi măng, và tương ứng tăng sản lượng bêtông sản xuất ra làm giảm chi phí ximăng trong sản xuất bê tông và vữa (1 kg chất biến tính tiết kiệm được 30-50 kg xi măng), nâng cao chất lượng và độ bền lâu của bê tông, vữa và vật liệu compozit xây dựng, làm tốt hơn điều kiện sinh thái ở các khu vực. Đặc điểm của CKD LDNT là tiêu thụ năng lượng nhỏ, còn về quan điểm môi trường công nghệ mới cho phép hầu như giảm tới hai lần khí thải công nghiệp trong công nghiệp xi măng và đưa vào sản xuất một lượng lớn phế thải công nghiệp đa dạng. Đã có kết quả nghiên cứu chứng tỏ rằng khi sử dụng nguyên lý hoạt hóa cho phép nhận được chất kết dính với hàm lượng 50 ¸ 70 % các phụ gia khoáng có chất lượng không kém hơn xi măng PC50 PC60 [2, 4]. Hiệu quả sử dụng CKD LDNT còn thể hiện ở chỗ giảm chi phí chất kết dính chế tạo 1m3 bê tông cùng cường độ: đối với bê tông nặng 1,7 ¸ 2,4; đối với bê tông hạt nhỏ 1,3 ¸ 1,4 (hệ số sử dụng xi măng pooclăng 0,6 - 0,9; tức là mỗi một kg chi phí xi măng cho 0,06 - 0,09 MPa cường độ của bê tông).

Tuy nhiên, trên thực tế bê tông trên cơ sở CKD LDNT đối với công nghiệp còn chưa được sự ứng dụng rộng rãi do hai nguyên nhân: thứ nhất - do thiếu một lượng lớn CKD LDNT từ ngành xi măng, thứ hai - do tăng đáng kể giá thành xi măng cần nghiền mịn với các phụ gia siêu dẻo. Vì vậy cần có sự đột phá mạnh mẽ ở công tác chỉ đạo của các nhà hoạch định chính sách công nghệ thì việc áp dụng các kết quả nghiên cứu về CKD LDNT vào thực tế sản xuất mới nhanh chóng được.

Sự phát triển của công nghệ bê tông trong những năm cuối thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI được tổng kết và tiên đoán tương lai như trên hình 1 [2].

Hình 1: Sự phát triển của công nghệ bê tông
1- tăng cường độ do giảm tỷ lệ nước/xi măng (N/X); 2 - tăng cường độ do giảm tỷ lệ N/X và sự cải biến cấu trúc do sử dụng các giải pháp công nghệ khác nhau: HD - chất hóa dẻo; S - sợi; SD - chất siêu dẻo; SF - silicafume; SDC - siêu dẻo tầm cao; SSM - sợi siêu mịn; HN - các hạt nanô; BCL - bê tông chất lượng cao; BTTĐ - bê tông tự đầm; BBH - bê tông bột hoạt hóa.


Cấu trúc và các tính chất của bê tông trước tiên được quyết định bởi chất lượng đá xi măng và tỷ lệ N/X. Yếu tố giảm tỷ lệ N/X, đưa vào các phụ gia hóa học và khoáng hóa làm ảnh hưởng tới sự thay đổi đặc tính thủy hóa của đá xi măng, thúc đẩy sự nhận được các hyđrosilicat có độ bền, cường độ lớn hơn, cấu trúc đặc và mỏng hơn của đá xi măng và như vậy càng làm tăng cường độ bê tông. Theo số liệu trên hình 1 cho thấy đến năm 2010 có thể chế tạo bê tông có cường độ trên 200 MPa. Để đạt được mức cường độ này có thể áp dụng giải pháp giảm tỷ lệ N/X và sử dụng SSM, HN, SF, SDC. Các gel hạt mịn từ các chất mới tạo thành của xi măng kết hợp với các phân tử chất siêu dẻo và siêu dẻo tầm cao được hình thành khi thuỷ hoá xi măng sẽ lấp đầy nhanh hơn và đầy hơn lỗ rỗng ban đầu ít hơn của pha rắn. Kết quả là làm tăng độ bền của bê tông và cho phép chế tạo các cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn không cần đến gia công nhiệt ẩm, tiết kiệm đáng kể nguồn năng lượng, cũng như đẩy nhanh việc chế tạo các cấu kiện đúc sẵn và làm giảm nhẹ việc thi công chúng trong mùa đông. Ở nước ta hiện nay các công trình xây dựng nhà cao tầng, cầu, tuynen chỉ mới dùng bê tông cường độ dưới 60-70 MPa [3].

Sử dụng trong bê tông các vật liệu nano, các vật chất với kích thước từ 0,1 đến 100 nm mở ra một triển vọng lớn, trong đó sự thay đổi kích thước của các hạt dẫn tới việc xuất hiện chất lượng mới của vật liệu. Công nghệ chế tạo các hạt như vậy và sự làm việc tiếp tục với chúng thuộc công nghệ nanô. Các hạt nanô chứa trong nhiều nguyên liệu khoáng dùng cho bê tông và xuất hiện trong quá trình chế tạo chúng. Trong công nghệ bê tông thường sử dụng các vật liệu bột phân tán khác nhau, một trong các số đó được nêu trong bảng 1. Sử dụng nguyên liệu có kích thước hạt khác nhau rất quan trọng, do chúng còn có khả năng tương tác và tạo thành các vùng tiếp xúc bền vững và đặc chắc trên bề mặt của các hạt của pha rắn. Đối với bê tông và các compozit xây dựng dạng bột đóng rắn thuỷ hiện nay đã sử dụng các vật liệu nano: nanosilicát, fulleren và các loại khác. Năm 1985, các nhà vật lý người Mỹ Robert Kerl, Kherold Kroto và Richard Smoli đã tình cờ phát hiện ra một hợp chất mới của các bon là Phulleren, năm 1996 các ông đã được nhận giải thưởng Nobel về công trình này. Trước đây chúng ta đã biết về hai dạng thù hình chính của cácbon: grafit và kim cương. Còn giờ đây thêm một dạng thù hình nữa là Phulleren. Phulleren được long trọng gọi theo tên của kiến trúc sư Bacminster Phuller, người đã nghĩ ra cấu trúc tương tự để ứng dụng chúng trong kiến trúc. Phulleren có cấu trúc khung trông giống như hình thù quả bóng đá có múi năm hoặc sáu cạnh. Coi đỉnh của các đa giác đó là vị trí cácbon, thì ta nhận được Phulleren ổn định nhất C60. Trong phân tử Phulleren C60 số lục giác là 20. Trong đó mỗi hình ngũ giác tiếp nối trực tiếp chỉ với các lục giác, còn mỗi một lục giác có ba cạnh chung với các lục giác và ba - với các ngũ giác. Trong thực tế đã tổng hợp và nghiên cứu các phân tử của chúng chứa số các nguyên tử cácbon khác nhau - từ 36 đến 540. Năm 1991 giáo sư người Nhật Symio Ildzima đã tìm ra các khối trụ các bon dài, gọi là các ống nano. Các ống nano - đó là phân tử từ hơn một triệu các nguyên tử cácbon, chúng là một ống có đường kính gần 1 nm và chiều dài vài chục micro. Trong các thành của ống các nguyên tử cácbon bố trí trên các đỉnh của các lục giác đều. Ống nano mỏng hơn 100 ngàn lần sợi tóc con người, nhưng bền hơn 50-100 lần so với thép, có tỷ trọng bé hơn thép 6 lần. Môđun đàn hồi của ống nano cao gấp hai lần so với sợi các bon thông thường. Một sợi chỉ đường kính 1 mm được làm từ các ống nano có thể treo được vật nặng 20 tấn

Những thành tựu khoa học của những năm gần đây đã được kiểm tra thực nghiệm cho phép ứng dụng các loại bê tông chuyên dụng có sử dụng nguyên liệu khoáng chứa các hạt nano rộng rãi vào sản xuất và vào xây dựng. Các chất biến tính tổng hợp của cấu trúc và các tính chất của bê tông, vữa và vật liệu compozit xây dựng thế hệ mới, nhận được khi sử dụng công nghệ nano sẽ hiệu quả hơn 1,5 đến 2 lần so với các vật liệu truyền thống. Sản xuất các vật liệu này khối lượng không lớn, ít tốn kém, nhưng đòi hỏi công nghệ cao. Dạng sản xuất này áp dụng dễ dàng cho các xí nghiệp vừa và nhỏ khi đã có các thiết bị tương ứng và đội ngũ cán bộ chuyên ngành. Các bê tông chuyên dụng, vữa và các compozit thế hệ mới dùng chế tạo các kết cấu và công trình xây dựng (nhà cao tầng, các cầu, tuynen, các nhà công nghiệp và dân dụng, các công trình khai thác khoáng sản trên thềm lục địa, biển,...). Với sự sử dụng các hệ nano nhận được bê tông chảy tự đầm; bê tông cường độ cao với độ bền đến 200 MPa, các loại bê tông này theo các công nghệ khác không thể chế tạo được; bê tông với các tính chất chuyên biệt, thí dụ như dùng để bảo vệ phóng xạ, trang trí; các vật liệu sơn, hoàn thiện và sửa chữa, keo dính và các vật liệu có các công dụng đặc biệt trên cơ sở của các hệ đóng rắn thuỷ và các tổ hợp xi măng polime; các công nghệ mới có hiệu quả sản xuất bê tông và vữa, chúng đảm bảo nhận được cấu trúc hạt mịn chất lượng cao, do tạo ra và giữ được các chi tiết hệ nano của cấu trúc vật liệu.


Bảng 1. Thành phần và các tính chất của các vật liệu khác nhau
Nguyên lý sử dụng các chất độn của xi măng để nhận được bê tông cùng cường độ so với clanhke không chứa phụ gia đã được nghiên cứu từ những năm 30-40 của thế kỷ XX. Hai thập kỷ trở lại đây các nghiên cứu theo hướng này chủ yếu tập trung tìm kích thước hạt tối ưu của các chất độn, mức độ độn của xi măng clanhke, thành phần khoáng hóa cần thiết của chất độn, tối ưu hóa quá trình nghiền riêng với sự trộn sau đó xi măng với chất độn, sử dụng công nghệ riêng tích cực để nhận được cấu trúc của đá xi măng ít khuyết tật từ chất kết dính compozit. Cũng cần lưu ý rằng giá của các chất độn mịn hiệu quả cao thường cao hơn vài lần giá của xi măng, nên để giải được bài toán kinh tế của vấn đề này cần thiết tìm kiếm các chất độn mịn rẻ tiền. Những vấn đề đã nêu ở trên chưa thể áp dụng đại trà vào thực tế sản xuất bê tông cường độ cao và bê tông không cần dưỡng hộ nhiệt ẩm do còn phải giải quyết một số vấn đề sau: sự đảm bảo phát triển nhanh cường độ ở tuổi sớm và cường độ tiêu chuẩn của bê tông cao; sự đạt được độ mịn của chất độn cao hơn, so với của xi măng để đảm bảo khả năng hoạt hóa cao với các sản phẩm thủy hóa của xi măng và tạo ra các tâm kết tinh; chọn cốt liệu với sự phối hợp tốt với chất phụ gia để nâng cao tác dụng lưu biến của chúng và nhận được độ rỗng nhỏ và mật độ của bê tông cao.

Hàm lượng chất độn mịn trong xi măng dùng cho bê tông cường độ cao cần không lớn và hàm lượng tối ưu của chúng không vượt quá 10 20% [2, 4, 6]. Các tính toán chỉ ra rằng ở hàm lượng thí dụ như silicafume, chúng có thể kết hợp với vôi thủy phân, hàm lượng của chúng trong đá xi măng sau 28 ngày đóng rắn ẩm thường chiếm tới 8 - 10% liên kết thành hyđrosilicát. Ở sự thủy hóa hoàn toàn của xi măng lượng vôi hydrát tách ra từ các pha silicát theo phản ứng:

2(3CaOSiO2) + 6H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaOSiO2) + H2O = 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2

Ở hàm lượng C3S và C2S trong clanhke thông dụng tương ứng bằng 60% và 20% là 34%. Vì vậy nếu dựa trên cơ sở sự hấp thụ hoàn toàn của vôi thành hyđrosilicát (I) trong thời gian đóng rắn dài của xi măng (vài chục năm), hàm lượng của silicafume không nên vượt quá 30% so với khối lượng xi măng.

Các phụ gia trong thiên nhiên có độ hoạt tính cao - opoka, trepen, điatomit không thể sử dụng được trong công nghệ bê tông cường độ cao do có độ rỗng lớn, lượng dùng nước cao và phân tán kém hơn so với phụ gia siêu dẻo. Khác với thạch anh độ mịn cao các phụ gia thuỷ thiên nhiên ở hàm lượng trong xi măng khoảng 15 ¸ 20% làm giảm chỉ tiêu giảm nước 1,3 ¸ 1,5 lần so với xi măng clanhke. Chất độn truyền thống dùng cho xi măng là cát nghiền, cát thạch anh, xỉ lò cao axit và kiềm vê viên nghiền mịn. Trong nhiều công trình nghiên cứu xi măng hỗn hợp không dùng phụ gia siêu dẻo chỉ ra rằng độ mịn của cát nghiền mịn không vượt quá 100 ¸ 150 m2/kg. Ở độ mịn như vậy thạch anh tinh thể: thứ nhất - không thể thực hiện chức năng của tâm kết tinh, thứ hai - không có độ hoạt tính phản ứng hóa học cao, thứ ba - không làm tăng chức năng lưu biến của chất siêu dẻo. Vì vậy cần nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiền mịn cao hơn của cát tự nhiên ở hàm lượng cần thiết trong bê tông cường độ cao biến tính, tới cơ chế đóng rắn của chúng và sự tăng các tính chất vật lý kỹ thuật.

Tro trong thành phần của mình thường chứa một lượng vôi tự do cao và hàm lượng than chưa cháy không cho phép lớn. Đa số các loại xỉ có tính chọn lọc lưu biến tăng đối với chất siêu dẻo. Tăng độ mịn của chúng đến 600 ¸ 700 m2/kg cho phép nâng cao đáng kể hoạt tính thủy hóa và khả năng tự đóng rắn trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm tiêu chuẩn.

Chức năng có lợi của đá cacbonat sử dụng với vai trò là chất độn mịn trong bê tông thông dụng hoặc trong hỗn hợp xi măng - cacbonat được nhiều nhà nghiên cứu phát hiện. Tuy nhiên vai trò của chất độn mịn cacbonat trong bê tông cường độ cao còn ít được nghiên cứu.

Một lượng lớn phế thải của bê tông trong các nhà máy bê tông cốt thép và sau khi tháo dỡ các ngôi nhà cũ hết niên hạn sử dụng có thể sử dụng chúng ở dạng nghiền mịn với chức năng là chất độn, bởi vì chúng về thành phần là đa khoáng và chứa đá vôi, granit, hydrat các khoáng của clanhke và phần còn lại của clanhke.

ở Việt Nam tuy đã có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng các phụ gia tro, xỉ nhà máy nhiệt điện, tro trấu, meta cao lanh trong chế tạo bê tông chất lượng cao, nhưng sản phẩm công nghiệp về các loại phụ gia này cho đến nay vẫn chưa được giải quyết. Vì vậy cần có sự đầu tư nghiên cứu và sản xuất tro trấu thay thế cho lượng silicafume cần nhập khẩu để chế tạo bê tông chất lượng cao. Trong thời gian gần đây, trong thực tế xây dựng khi chế tạo các bê tông thế hệ mới ngày càng sử dụng rộng rãi hơn các chất siêu dẻo policacbosilat, chúng được gọi theo tên thương mại là các chất siêu dẻo tầm cao, bởi vì khả năng hiện thực để giảm tỷ lệ N/X (đến 40%) và sự chảy lỏng hỗn hợp ở chúng cao hơn đáng kể so với ở polimetilennaftalin sunphat và polimetilenmelaminsunfonat. Nền công nghiệp đã đưa ra nhiều loại khác nhau chất siêu dẻo tầm cao policacbosilat, với các hình thái khác nhau của phân tử. Đối với bê tông toàn khối cấu trúc của các phân tử cần đảm bảo làm chậm thời gian ninh kết và làm tăng sự phát triển cường độ sau khi tạo hình, đối với bê tông đúc sẵn- đảm bảo tính dễ đổ khi giảm tối đa hàm lượng nước của hỗn hợp bê tông, điều này đảm bảo tốc độ đóng rắn nhanh và làm tăng đáng kể cường độ của bê tông. Các policacbosilat đảm bảo sự ổn định cao của hỗn hợp bê tông, điều này càng làm hấp dẫn thêm cho công trình xây dựng liền khối và khi vận chuyển lâu hỗn hợp bê tông.

Policacbosilat có vai trò đặc biệt khi chế tạo các hỗn hợp bê tông tự lèn, tự đo điều chỉnh, bê tông bột hoạt tính, các loại bê tông này mở ra một giai đoạn tương lai mới của công nghệ bê tông. Hiện nay hàng năm policacbosilat sử dụng trong công nghiệp VLXD trên thế giới khoảng 150 ngàn tấn (để so sánh: tổng sử dụng naftalinsunfonat và melaminsunfonat - 550 ngàn tấn, còn lignosunfonat - 700 ngàn tấn).

Khi tập hợp các nhánh chính của hướng "Hệ nano trong vật liệu học xây dựng" [5] có thể thấy được rằng chế tạo các hạt nano mịn đối với vật liệu học xây dựng từ nguồn nguyên liệu truyền thống trong giai đoạn hiện nay không thông dụng và không thể được. Để áp dụng hệ nano trong vật liệu học xây dựng cần tìm cơ sở nguyên liệu mới. Chính do sự hấp dẫn của vật liệu nano và công nghệ nano mà năm 2000 chính quyền Mỹ đã công bố "Sáng kiến công nghệ nano quốc gia" (National Nanotechnology Initiative), cùng với ngân sách được phân bố là 500 triệu USD. Năm 2002 con số này là 604 triệu USD, năm 2003 là 710 triệu USD, năm 2004 tăng ngân sách lên 3700 triệu USD cho 4 năm. Toàn thế giới năm 2004 đã đầu tư gần 12 tỷ USD cho công tác nghiên cứu công nghệ nano. Công nghệ nano và thiết bị nano là bước đi có quy luật trên con đường hoàn thiện các hệ thống kỹ thuật. Và cũng rất có thể sau vùng các giá trị của đơn vị đo nano là vùng pico (10-12), Femto (10-15), atto (10-18) m,... có các tính chất chưa thể tiên đoán trước được.

Trong lĩnh vực vật liệu học, chất lượng của nhiều loại vật liệu quen thuộc có thể được tăng lên do sử dụng các hạt nano và gia công nguyên tử. Công nghệ nano cho phép tạo được các vật liệu compozit bền, mỏng và nhẹ hơn. Sẽ xuất hiện các vật liệu rất bền, rất nhẹ, và không cháy (trên cơ sở họ kim cương), chúng có thể được sử dụng trong công nghiệp ô tô và vũ trụ.

Các phương pháp chế tạo các hạt có kích thước nhỏ hơn micron rất nhiều, rất phức tạp. Có thể sơ bộ phân chia chúng thành 4 nhóm: các phản ứng hoá học trong dung dịch và trong pha khí; sự ngưng tụ trong pha khí; các phản ứng hoá học chất rắn hoặc sự thâm nhập của các ion; sự nuclon hoá từ dung dịch và các chất nóng chảy hoặc sự biến đổi gel-zol (các hệ keo).

Ở LB Nga các nghiên cứu về công nghệ nano được biết từ những năm bảy mươi của thế kỷ XX về sự hình thành nên các cấu trúc nano màng đối với các chất bán dẫn khác nhau. Công nghệ nano cho phép thực hiện sự hoạt hoá cục bộ các phản ứng hoá học ở mức phân tử, làm thay đổi các tính chất của các vật liệu kết cấu truyền thống do biến tính cấu trúc của chúng, làm tăng cường độ, độ bền nước và độ bền chống ăn mòn. Hiện nay ở Nga đang tiến hành các nghiên cứu định hướng và đã đạt được những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực vật liệu học xây dựng trên cơ sở công nghệ nano. Các nhà khoa học ở Xanpeterbyrg, Matxcơva, Novocherkask đã chế tạo được siêu bê tông mới, chúng vượt trội bê tông thông dụng về nhiều thông số - cực nhẹ, cường độ rất cao, rất bền vững với sự biến đổi nhiệt độ. Các phụ gia chuyên dụng - được gọi là các sáng kiến nano - đã làm tăng đáng kể các chất lượng vật lý của chúng. Độ bền cơ học của bê tông nano lớn hơn 150% so với bê tông thông thường, độ bền băng giá cao hơn 50%, còn sác suất xuất hiện vết nứt thấp hơn 3 lần. Không kém phần quan trọng còn có yếu tố là khối lượng kết cấu được làm từ loại bê tông này nhẹ hơn 6 lần. Khối lượng thể tích của bê tông biến tính nano khoảng 1,5 t/m3, trong khi đó đối với bê tông thông thường có khối lượng thể tích tới 2,4 t/m3. Người ta đưa vào thành phần bê tông biến tính nano các hạt cầu siêu nhỏ, các sợi bazant siêu mịn và chất biến tính hạt mịn nano. Tập đoàn CTTNHH bê tông Xanpeterbyrg cùng với các chuyên gia bộ môn Công nghệ các kết cấu và cấu kiện xây dựng Trường Đại học tổng hợp Xây dựng-kiến trúc Xanpeterbyrg bắt đầu sử dụng chất biến tính nano để sản xuất các hỗn hợp bê tông. Đây là kinh nghiệm đầu tiên ứng dụng công nghệ nano các chất biến tính trong xây dựng không những ở Nga mà còn trên toàn thế giới.

Theo số liệu các nghiên cứu thực nghiệm sự sáng tạo ra các chất độn sợi môđun cao, cường độ cao, sự nghiên cứu khả năng hiện thực các tính chất hoá lý của chúng trong các matric polime cho phép tạo ra được các vật liệu compozit mới có đa công dụng. Các chất độn sợi các bon làm cốt cho các chất polime, các tính chất chuyên dụng như tính dẫn nhiệt và dẫn điện chống lại ma sát, độ chống mài mòn, làm tăng các tính chất cơ học của chúng. Một tập hợp rộng lớn các tính chất với tính công nghệ cao của sự gia công cácbon tổng hợp nhiệt dẻo làm mở rộng đáng kể lĩnh vực sử dụng chúng, cho phép cạnh tranh tốt với kim loại màu. Công nghệ biến tính matric cho phép mở rộng đáng kể giới hạn các thông số vận hành của các chất cácbon tổng hợp.

Tại Mỹ vào những năm 2000 sự phát triển của công nghệ nano đã được nhóm thành các danh mục nhà nước ưu tiên với sự tập trung nghiên cứu hướng sử dụng chúng trong lĩnh vực quân sự để chế tạo hiệu ứng "không nhìn thấy"của các thiết bị vận tải quân sự, tăng cường độ kết cấu của gốm, các màng bảo vệ chống ăn mòn và không thấm nước, sự tự hàn gắn của các khuyết tật nhỏ của sơn nano, của các sản phẩm có thể trung hoà các tác động của các chất hoá học và sinh học độc hại, sự tạo ra các nguồn năng lượng lý tưởng và nhiều loại khác. Cùng với vấn đề này, theo các kết quả nghiên cứu và các sáng chế, hiện nay đã mở ra hướng mới ứng dụng công nghệ nano trong dân sự trong số đó có lĩnh vực vật liệu xây dựng, bảo vệ ăn mòn và cơ học các vật liệu kết cấu và làm cốt.

Sử dụng bê tông nano sẽ xây dựng công trình rẻ hơn từ 2-3 lần. Vật liệu loại này cũng có thể dùng trong sửa chữa, trùng tu các công trình - trong các trường hợp, khi các công nghệ truyền thống không thể sử dụng được. Khi đưa quét lên cấu kiện bê tông cốt thép nano bê tông sẽ lèn đầy tất cả các lỗ rỗng siêu nhỏ và các vết nứt cực bé và đóng rắn tại đó, đồng thời hồi phục cường độ của chúng. Nếu cốt thép bị rỉ thì chất mới sẽ tham gia phản ứng với lớp bị ăn mòn, thay thế chúng và hồi phục lại mối dính kết giữa bê tông với cốt thép.

Thí dụ điển hình nhất sử dụng công nghiệp của công nghệ nano trong xây dựng là cốt thép có biến tính cấu trúc nano, do hãng MMFX steel Corp. của Mỹ chế tạo. Loại thép này giống như thép không rỉ, nhưng lại rẻ hơn rất nhiều. So với thép các bon thông thường thép MMFX có trong thước nano cấu trúc lớp, vì lẽ đó mà làm tăng các tính chất cơ học, thí dụ như cường độ, tính dễ biến dạng và sức cản sự mỏi so với các loại thép cường độ cao khác đã biết. Các tính chất này của vật liệu dẫn đến thời hạn sử dụng chúng lâu hơn trong các môi trường ăn mòn và làm giảm giá thành công trình xây dựng.

Một hướng tương lai mới trong vật liệu học hiện đại là các chất nano compozit - vật liệu có cấu trúc kích thước trung bình của một trong những pha dưới 100 nm. Các tính chất vật lý, các tính chất điện tử của các hạt nano, được đánh giá bởi bề mặt riêng của chúng rất phát triển, khác đáng kể về các tính chất so với các nguyên tử đơn lẻ cũng như các vật liệu blốc. Độ trải dài của ranh giới giới hạn và mức độ của lớp giáp ranh trong các compozit như vậy tăng đến 50%. Tương ứng làm tăng ảnh hưởng của chúng đến tính chất của vật liệu compozit. Ngay cả khi hàm lượng của chất độn khoảng dưới 1% thực tế hầu như toàn bộ polime chuyển sang trạng thái lớp tiếp xúc, trạng thái này được đặc trưng bởi các chỉ số độ bền đàn hồi tăng, điều này làm thúc đẩy sự làm việc đồng thời tốt hơn của chất dính kết polime với các sợi các bon.

Loại ống nano cácbon do hãng CNT Technologies chế tạo là các sợi có độ bền rất cao. Theo lời của nhóm tác giả chế tạo ra các loại ống sợi nano đó, về cường độ chúng vượt 500% tất cả các loại vật liệu hiện đại và như vậy đây quả là một cuộc cách mạng. "Điều này chẳng khác gì chuyển từ thời đại đồ đồng sang thép và nhôm". Vật liệu này có thể sử dụng để chế tạo máy bay, ôtô, vệ tinh, các dụng cụ thể dục thể thao và hàng loạt các sản phẩm khác, trong đó kể cả các chi tiết quan trọng và làm cốt cho các kết cấu xây dựng.

Các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực các màng nano bảo vệ có tính ứng dụng cao. Các chuyên gia từ trường Đại học tổng hợp Chicago cùng với phòng thí nghiệm quốc gia Argonne đã tạo ra được màng nano rất bền, bề dày của chúng khoảng 50 nguyên tử. Cường độ của nó có thể so sánh với lá dày từ plekxiglac. Đây là các vật liệu của thế kỷ XXI và ngày càng chiếm vị trí xứng đáng trong các sáng chế được ứng dụng trong thực tế. Để đưa các vật liệu nano vào các compozit khác nhau đòi hỏi phải tạo ra các công nghệ rất chuyên biệt. Sự sử dụng các nano silicát (hình 2, bảng 2) có bề mặt riêng không nhỏ hơn 180 m2/g - lớn hơn bề mặt riêng của silicafume một ký tự và các chất siêu dẻo tầm cao - chất làm phân tán từ policácbosilát của các đizai phân tử chuyên dụng đảm bảo đạt được các cấu trúc và cường độ mới của đá xi măng, tạo ra tiền đề cho sự phát triển tiếp tục của các compozit bột hoạt tính có cường độ nén gần 800 MPa và cường độ kéo khi uốn gần 100 MPa. Một tiềm năng bổ sung để phát triển thành các vật liệu kết cấu có độ bền lâu cao hơn, cứng hơn, bền hơn nhiều do các hạt nano, các sợi và các ống nano cácbon đem lại, ngày nay chúng đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp tại nhiều hãng.

Một sự thay đổi lớn lao xẩy ra trong lĩnh vực chế tạo và sử dụng các chất phủ tự làm sạch thế hệ mới. Quan trọng là các chất này hiện nay được xem xét trong biện pháp tổng thể của cuộc đấu tranh giảm chi phí và thời gian dành cho sự bảo dưỡng sửa chữa và hồi phục các kết cấu của các công trình phức tạp. Trong số các sản phẩm do các hãng của nước Đức và Tây Ban Nha chế tạo từ những năm 90 của thế kỷ XX trên cơ sở công nghệ nano có các chất phủ dùng kỵ nước hoàn toàn các bề mặt để chống tổn thất grafit, để loại trừ nguồn ăn mòn vi sinh như nấm mốc,...

Các chất phủ bền va đập, có độ dẻo cao, cường độ cao là nhóm đặc biệt, chúng đồng thời bền với các tác động hoá học và bảo vệ các kết cấu khỏi bị ăn mòn. Kinh nghiệm sử dụng titan đioxyt tăng nhạy từ công nghệ nano do các nhà nghiên cứu của nước Nhật sáng chế ra rất thú vị. Dưới tác dụng của tia cực tím TiO2 biến tính làm việc như chất xúc tác ánh sáng, chúng tách ôxy nguyên tử từ hơi nước hoặc ôxy từ không khí. Ôxy hoạt tính được tách ra đủ để ôxy hoá và phân giải các chất bẩn hữu cơ, làm sạch căn phòng, diệt các vi khuẩn. Sự làm việc tiếp tục với chất xúc tác ánh sáng đã đưa tới sự phát minh các tính chất siêu ưa nước của bề mặt.

Trong lĩnh vực gốm xây dựng, phổ của các vật liệu gốm xây dựng và kỹ thuật hiện đại có thể thực tế được mở rộng trên cơ sở sử dụng các phương pháp công nghệ nano hiện đại của các thành tựu các cấu tạo cấu trúc nano, điều này cho phép giải quyết vấn đề loại bỏ được tính dòn cao của gốm, đặc tính này hiện nay vẫn là cản trở chính trong việc sử dụng chúng làm vật liệu kết cấu.

Việc sử dụng rộng rãi các thành tựu của công nghệ nano còn nằm trong lĩnh vực thuỷ tinh [3, 5]. Thí dụ, màng polivinhilbytirat có các hạt nano gekxaborid lantan LaB6, được đưa vào nằm giữa hai lớp thuỷ tinh thông thường tạo thành lớp lọc tuyệt vời đối với phát xạ hồng ngoại. Nhóm các nhà khoa học từ Nhật bản, Nam Triều Tiên và Mỹ đã tổng hợp được cấu trúc nano rỗng ba chiều của thuỷ tinh có kích thước lỗ rỗng 10-15 nm và lần đầu tiên nhận được ảnh ba chiều trong kính hiển vi điện tử. Sự phát minh này rất lỗi lạc là khi sử dụng trong quá trình tổng hợp kính hiển vi điện tử quét có thể thực hiện việc kiểm tra kích thước và cấu trúc lỗ rỗng nano trong thuỷ tinh. Phụ thuộc vào kích thước và số lượng lỗ rỗng vật liệu nhận được có thể sử dụng trong kết cấu laze, sợi quang học và như lớp phủ đối với các chip máy tính. Trên cơ sở thuỷ tinh nano rỗng đã tạo ra được sợi cáp quang, có tốc độ truyền thông tin cao hơn nhiều lần so với cáp tương tự.
Hình 2: Sự so sánh kích thước của silicafume (a) và nanosilicat (b)

Các điều kiện khắc nghiệt, cần thiết để đảm bảo sự làm việc của thiết bị có độ chính xác cao đặt ra các nhiệm vụ phức tạp trước các nhà thiết kế và chế tạo. Các yêu cầu đối với môi trường làm việc có thể bao gồm: sự kiểm tra nhiệt độ và độ ẩm, độ sạch của không khí, sự bảo vệ chống các rủi ro sinh học, sự hạn chế đến các trường điện từ, các điều kiện năng lượng điện đặc biệt, cũng như sự kiểm tra rung và âm thanh. Đa số trong các vấn đề của việc thiết kế đã thể hiện từ lâu - từ các yêu cầu đặc biệt, mà với chúng các chuyên gia khi làm việc với các đối tượng cực nhỏ đã gặp phải. Chỉ với một số lượng rất nhỏ từ các ngôi nhà đang sử dụng đáp ứng được các yêu cầu đó, nên chủ yếu cần xây dựng các công trình khác.
Các nguyên lý của công nghệ nano quyết định sự điều khiển, trong đó các thiết bị xác định mẫu với độ chính xác đến vài nm, đo đại lượng (như lực - nN) và tập hợp các đối tượng bề dày vài phân tử với diện tích vài nm2. Như vậy, khi làm việc với thang nano sự thay đổi nhiệt độ phòng không được lớn, đến mức để đối tượng không biến đổi với kích thước lớn hơn tới vài nm, nếu không hệ kiểm tra mẫu sẽ không đạt được giới hạn cần đo. Trường điện từ ở trong ngôi nhà cần phải ổn định, để các tín hiệu điện có thể đo được ở trong các đơn vị như nA, nV. Một vài ngôi nhà cần đạt âm học có thể ngang bằng với các cơ sở ghi âm nhạc. Kích thước các hạt bụi, nằm trong không khí có thể bằng vài ngàn nm, vì vậy kiểm tra mức độ ô nhiễm môi trường - như các hạt cũng như các chất hoá học - cần nằm trong giới hạn rất ngặt nghèo. Trong tất cả các trường hợp, độ rung cần đạt mức nhỏ hơn 2-3 chỉ số nhỏ hơn giới hạn con người cảm nhận được.

Tất cả các yêu cầu đó xác định các đòi hỏi mới cho việc thiết kế các ngôi nhà và nhu cầu về vật liệu, sử dụng trong xây dựng, phải ở một mức mới, mức độ ấy khác xa so với thông thường hàng trăm lần. Vào đầu năm 2003 trên toàn thế giới đã xây dựng xong một số ngôi nhà để vận hành các thiết bị có độ chính xác cao dùng trong công nghệ nano. Trong số đó có các toà nhà ở các trường đại học tổng hợp Đông-Tây và Kornel nước Mỹ, ở trường đại học tổng hợp tại Luân Đôn nước Anh, ngôi nhà sạch lớn trong phòng thí nghiệm Quốc gia để phát triển công nghệ nano tại Đài Loan và ngôi nhà bé hơn nhiều trong Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân ở Oasintơn, quận Colombia. Giá thành của các công trình này lên tới 12-60 triệu USD. Mức đầu tư như vậy là rất cao. Nhưng để so sánh, chỉ một cơ sở sản xuất đang hoạt động trong công nghiệp bán dẫn có thể lên tới khoảng 700 triệu USD và chiếm từ 10000 đến 15000 m2 các ngôi nhà sạch. Vào năm 2010 tại Hy Lạp sẽ xây dựng biệt thự đầu tiên, nó có thể chịu được sự tàn phá của động đất sức phá trung bình trên cơ sở các thành tựu của công nghệ nano. Các hạt nano polime nằm trong thành phần của vật liệu compozit dưới áp suất chuyển sang chất lỏng có khả năng chèn vào các vết nứt sau đó ổn định dần kết cấu chịu lực của nhà sau sự tổn hại, làm giảm sự phá hoại nghiêm trọng.

Những thí dụ và các nguyên lý đưa ra trên đây chỉ mới là một số trong nhiều thí dụ về sự phát triển công nghệ nano trong xây dựng. Trong tương lai gần chờ đợi sự xuất hiện của chúng trong chế tạo các bột nano mịn và siêu mịn chất lượng cao có thành phần hạt, thành phần pha và thành phần hoá học ổn định, để chế tạo các dạng cốt mới (các tinh thể sợi chỉ, các sợi, các khối siêu cầu, các hạt siêu mịn) trong sáng tạo ra bê tông bột, hoạt tính, cường độ cực cao, không khuyết tật, các vật liệu compozit bền nhiệt, vật liệu có độ điện dẫn khác nhau, các hệ nano dùng cho các nền sản xuất độc hại và năng lượng hạt nhân, trong sự phát triển các cơ sở khoa học thiết kế các thiết bị công nghệ chuyên dụng với hệ thống tự động hoá kiểm tra chất lượng các compozit xi măng.

Những vấn đề nêu ra trên đây hiện nay đang được các nhà nghiên cứu, sản xuất VLXD trên thế giới tập trung giải quyết. Thiết nghĩ rằng định hướng phát triển ngành VLXD của nước ta cũng cần chứa đựng và bao quát các vấn đề đã nêu





TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. "Quy hoạch tổng thể phát triển VLXD Việt Nam đến năm 2020" theo quyết định số 121/2008/QĐ-TTg ngày 29/8/2008.

2. GS. TSKH. IU.M. Bazhenov, PGS., TS. Bạch Đình Thiên, TS. Trần Ngọc Tính. Công nghệ bê tông. NXB Xây dựng. Hà Nội 2004. 493 tr.

3. PGS., TS. Bạch Đình Thiên. Công nghệ thuỷ tinh xây dựng. NXB Xây dựng. Hà Nội 2004. 555 tr.

4. Bagienôv.Iu.M. Công nghệ bê tông (tiếng Nga). NXB: ACB, 2007 - 528 trang.

5. Tuyển tập báo cáo hội nghị bàn tròn "Các hệ Nano trong xây dựng và sản xuất VLXD" (tiếng Nga). NXB:ACB, 2007.

6. Bagiennôv Iu.M. và cộng sự. "Công nghệ bê tông, chế phẩm và kết cấu xây dựng" (tiếng Nga). NXB ACB, 2008 - 350 trang.



PGS., TSKH. Bạch Đình Thiên - ĐH Xây dựng Hà Nội

Theo VLXD Việt Nam số 3(29)/2010
 
Top