Chất trám công nghệ nano giúp bê tông siêu bền

Phần lớn cơ sở hạ tầng quan trọng của Mỹ, như hệ thống đường cao tốc, được xây dựng từ những năm 1950 đến những năm 1970 đang đi đến cuối vòng đời mà nó được thiết kế. Khoảng 8% trong số khoảng 600.000 cây cầu ở Mỹ được coi là thiếu kết cấu, và cứ 5 dặm đường cao tốc thì có một dặm đang trong tình trạng kém. Vấn đề càng trở nên trầm trọng hơn ở những vùng có khí hậu lạnh bởi nhiều chu kỳ đóng băng và rã đông, cùng với việc sử dụng ngày càng nhiều muối deicer trong những thập kỷ gần đây, có thể thúc đẩy sự phân hủy của bê tông.

"Bê tông có vẻ giống như đá rắn, nhưng về cơ bản vẫn là một vật xốp khi bạn nhìn nó dưới kính hiển vi. Đó là loại vật liệu composite không đồng nhất và có độ xốp cao", Giáo sư Xianming Shi từ Khoa Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường thuộc Đại học Bang Washington (WSU), người đứng đầu công trình, cho biết.

Keo dán tại chỗ và các chất trám trên thị trường hiện nay cung cấp một số mức độ bảo vệ, nhưng hơi ẩm vẫn có thể xâm nhập vào bê tông.

Trong nghiên cứu của mình, Shi cùng các cộng sự đã bổ sung hai vật liệu nano, graphene oxide và montmorillonite nanoclay, vào một chất trám dựa trên siliconat thương mại. Các vật liệu nano này giúp làm đặc cấu trúc vi mô của bê tông, khiến nước lỏng khó xâm nhập hơn. Chúng cũng tạo thành một rào cản chống lại sự xâm nhập của hơi nước và các khí khác.

"Chúng tôi tập trung vào một trong những thủ phạm chính ảnh hưởng đến tính toàn vẹn và độ bền của bê tông, đó là độ ẩm. Nếu bạn có thể giữ cho bê tông khô ráo, phần lớn các vấn đề về độ bền sẽ biến mất", Shi nhấn mạnh.

Ngoài khả năng chống độ ẩm, vật liệu nano cũng bảo vệ bê tông khỏi sự tấn công vật lý và hóa học của muối, đồng thời đóng vai trò là chất hỗ trợ bảo dưỡng cho bê tông tươi.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy chất trám sử dụng công nghệ nano giúp cải thiện 75% khả năng chống nước của bê tông và làm giảm 44% tác hại của muối. Công trình nghiên cứu - được xuất bản gần đây trên tạp chí Materials in Civil Engineering - có thể cung cấp một cách bổ sung để giải quyết thách thức của những cây cầu và mặt đường xuống cấp ở Mỹ.

Do có nguồn gốc từ nước thay vì sử dụng bất kỳ dung môi hữu cơ nào, chất trám của WSU thân thiện hơn với môi trường và an toàn cho người lao động.

"Thông thường, khi bạn chuyển từ dung môi hữu cơ sang nước, bạn phải hy sinh hiệu suất của chất trám. Chúng tôi đã chứng minh được rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể ngăn sự sụt giảm hiệu suất", trưởng nhóm nghiên cứu nói thêm.

Trong giai đoạn tiếp theo, Shi cùng các cộng sự sẽ tìm cách tối ưu hóa chất trám dựa trên vật liệu nano của họ, nghiên cứu xem nó có thể bảo vệ bê tông khỏi sự phá hủy hoặc ăn mòn của vi sinh vật hay không, và triển khai thử nghiệm cơ sở hạ tầng bê tông với chất trám mới trong khuôn viên WSU hoặc tại thành phố Pullman ở bang Washington.