Để chinh phục thử thách “xây lâu đài không cần cát”, các nhà khoa học đang theo đuổi những ý tưởng khó tin, song các thử nghiệm ban đầu cho kết quả rất khả quan.

Thế giới sẽ không còn cát

Các sa mạc bạt ngàn dễ khiến chúng ta nghĩ cát là nguồn tài nguyên vô tận. Rất ít người nhận ra vạn vật trên đời này thực chất được làm từ cát, và loài người đang thực sự đứng trước nguy cơ... thiếu cát.

“Nếu biết rằng cát có thể tạo ra những gì - bê tông, thủy tinh và cả silicon - bạn sẽ nhận ra chúng ta đang sống trong thế giới làm từ cát, vốn sẽ cực kỳ khác biệt nếu không còn cát nữa” - nhà báo Vince Beiser viết trên trang web của Trung tâm Pulitzer.

Beiser cho rằng tài nguyên cát đang dần cạn kiệt là một thực tế khó chối bỏ. Cát ở sa mạc không thích hợp để làm bê tông vì không có tính kết dính, và chúng ta đang phải nạo vét cát từ các lòng sông và ven biển để có nguồn cát xây dựng.

“Quá trình đô thị hóa nhanh chóng khắp thế giới đang đẩy nhu cầu bê tông lên cao chưa từng thấy, và việc khai thác cát từ sông lại càng được gia tăng, làm ảnh hưởng hệ sinh thái” - Beiser, hiện đang viết sách về “cuộc chiến tranh cát chết chóc” giữa các nhóm “cát tặc” trên thế giới, cảnh báo.

Theo trang The Next Future, Trung Quốc và các quốc gia đang phát triển sẽ cần hàng tỉ tấn cát để làm bê tông trong những năm tới nhằm đáp ứng nhu cầu đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế.

The Next Future cũng cảnh báo trữ lượng cát trong tự nhiên ngày càng cạn kiệt và nhu cầu cát sẽ chóng vượt cung. Theo Cục Khảo sát địa chất Hoa Kỳ, chỉ trong năm 2013 đã có 4 tỉ tấn bê tông được sản xuất.

Trước tình thế đó, nhiều phương án tìm kiếm cốt liệu mới thay thế cát đã được cân nhắc nhưng bài toán không hề đơn giản chút nào. Vậy cái gì có thể thay thế cát?
Trộn bê tông bằng rác thải nhựa

Tháng 11/2014, Đại học Bath (Anh) cùng các nhà nghiên cứu Ấn Độ khởi động dự án táo bạo: thay thế một phần cát trong hỗn hợp bê tông bằng rác thải nhựa.

Theo Đại học Bath, dự án kéo dài hai năm được thực hiện ở Ấn Độ sẽ là “một mũi tên trúng hai đích”, bởi quốc gia này đang đau đầu với nạn khai thác cát trái phép và có lượng rác thải nhựa khổng lồ. Mục tiêu của dự án là chế tạo bê tông trong đó khoảng 10% cát sẽ được thay thế bằng rác thải nhựa đã nghiền vụn.

“Nghiên cứu nhằm xem xét việc thay thế một phần cát bằng nhựa trong bê tông sẽ ảnh hưởng thế nào đến các yếu tố độ chắc, bền, kháng lửa của vật liệu” - thông cáo của Đại học Bath viết.
Theo tiến sĩ Orr, sau nhiều lần thử nghiệm, dự án cho thấy việc thay thế 10% cát trong hỗn hợp bê tông bằng rác thải nhựa là hoàn toàn khả thi, “miễn là chỗ nhựa đó được nghiền đúng kích cỡ”.

Nhóm nghiên cứu đã sản xuất thành công các mẫu bê tông có nhựa trong thành phần ở cả Ấn Độ và Anh. Tiến sĩ Orr cho biết các chai nhựa PET, túi nilông hoàn toàn có thể là vật liệu thích hợp để thay thế cát, và “dù chỉ thay 10% lượng cát, phương pháp dùng nhựa thay thế có thể tiết kiệm 820 triệu tấn cát mỗi năm”.

Trưởng nhóm nghiên cứu nhấn mạnh 10% là tỉ lệ vừa phải bởi “có nhiều nghiên cứu trước đã thử với tỉ lệ cao đến 50% nhưng không hiệu quả bởi phần xi măng không dính được với các phân tử nhựa, dẫn đến thất bại”. Sau thành công bước đầu, Đại học Bath vẫn đang tiến hành một vài thử nghiệm khác, trong đó có việc nghiên cứu khả năng tăng độ kết dính bằng cách xử lý thêm phần rác thải nhựa trước khi đưa vào trộn bê tông. “Chúng tôi vẫn đang tiếp tục công việc, chủ yếu là ở Anh. Chúng tôi sẽ đầu tư thêm nếu có vốn, nhưng vấn đề này hơi khó khăn một chút” - tiến sĩ Orr chia sẻ.

Đúc bê tông từ CO2 và bùn thải

Nếu trộn bao nilông vào hỗn hợp bê tông nghe đã có vẻ phi thực tế, thì ý tưởng đúc khí cacbonic (CO2) thành bê tông lại còn “hoang đường” bội lần. Ấy vậy mà hồi tháng 4-2016, các nhà khoa học thuộc Đại học California, Los Angeles (UCLA) đã thực sự tạo được bê tông bằng cách ấy, dù sản phẩm chỉ mới dừng lại ở mức một mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Nhóm nghiên cứu UCLA gọi sản phẩm của họ là CO2NCRETE (ghép từ CO2 và concrete-bê tông), được tạo ra bằng phương pháp in 3D với nguyên liệu là khí CO2 từ khói thải ra trong quá trình nung đá vôi.
 
Nhóm nghiên cứu tin tưởng kết quả này chứng tỏ khái niệm bê tông từ CO2 là hoàn toàn khả thi. “Công nghệ này cho thấy chúng ta hoàn toàn có thể biến CO2 phát ra từ ống khói nhà máy, thứ vốn gây phiền phức, trở nên có giá trị” - giáo sư J.R. DeShazo, giám đốc Trung tâm sáng tạo Luskin thuộc UCLA, giải thích.

Giáo sư DeShazo cho rằng CO2NCRETE có thể là nhân tố mang đến thay đổi quan trọng trong nỗ lực chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Trưởng nhóm nghiên cứu, phó giáo sư Gaurav Sant, cũng cho rằng công trình của ông mở ra cơ hội mới khi CO2 trở thành một nguồn tài nguyên có thể được tái sử dụng để tạo ra một loại vật liệu xây dựng mới.

Từ thành công của thí nghiệm trong phòng lab, nhóm nghiên cứu vẫn đang làm việc để có thể thương mại hóa sản phẩm “bê tông cacbonic”.

Trong khi đó, các nhà khoa học thuộc Đại học Universiti Teknologi MARA (Malaysia) lại tin rằng có thể tái chế bùn thải công nghiệp thành bê tông.

Theo trang web khoa học phys.org, nhóm nghiên cứu thu thập bùn từ các nhà máy xử lý nước thải, đốt cháy và sấy khô chúng để khử ẩm, cuối cùng là nghiền nát phần bùn rắn thành một dạng bột gọi là DWSP.

Phần bột này sau đó được trộn với xi măng thông thường theo nhiều tỉ lệ khác nhau (3, 5, 7, 10 và 15%) để tạo nên hỗn hợp bê tông với các cấp độ khác nhau. Khi so sánh bê tông trộn từ DWSP với bê tông thông thường dựa trên các tiêu chí cường độ nén, độ hút/thấm nước, các nhà khoa học nhận thấy lượng DWSP trong hỗn hợp tỉ lệ nghịch với cường độ nén, song lại tỉ lệ thuận với độ hút/thấm nước của bê tông thành phẩm.

Điều này có nghĩa bê tông với tỉ lệ DWSP cao sẽ chống thấm nước tốt hơn bê tông thông thường, chứng tỏ bột bùn thải thực sự có tác dụng lên độ bền của vật liệu.

“Nhìn chung DWSP vẫn có tiềm năng trở thành vật liệu thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp bê tông - các nhà nghiên cứu kết luận trong bài báo đăng trên tạp chí Pertanika Journal of Science and Technology - Song vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp tạo ra loại bột DWSP có chất lượng”.
 
Định nghĩa lại bê tông

Nhu cầu “xanh hóa bê tông” đang được nhiều quốc gia nghiêm túc cân nhắc, bởi vật liệu này là nguyên nhân gây ra đến 5% lượng khí nhà kính thải ra trên toàn cầu.

Ngoài dự án bê tông từ bùn thải, Đại học Universiti Teknologi MARA cũng công bố công trình nghiên cứu liên quan đến “xanh hóa bê tông” - tức tạo bê tông từ các quy trình sản xuất khác nhau mà không gây hại cho môi trường, sử dụng nguyên vật liệu bền vững thay vì tài nguyên không tái tạo được.

Hướng tiếp cận này ngoài việc tạo vật liệu thân thiện môi trường, chi phí thấp còn góp phần giảm tải cho các bãi rác, thêm đầu ra cho vật liệu tái chế.

Trong bài báo công bố tháng 5-2016, các nhà nghiên cứu công bố loại “bê tông xanh” sản xuất bằng cách thay thế một phần các nguyên liệu thông thường với các nguyên liệu mới như tro bay (sản phẩm từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện), cốt liệu bê tông tái chế và sợi nhôm (tướt từ vỏ lon).

Tro bay vốn được xử lý bằng cách chôn lấp ở bãi rác, song nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng loại tro này có tiềm năng thay thế xi măng, vật liệu vốn gây hại cho môi trường do ô nhiễm không khí từ các nhà máy xi măng.

Các nghiên cứu của Đại học Universiti Teknologi MARA cho thấy sử dụng các nguyên liệu thay thế nói trên có thể tăng độ bền của bê tông thành phẩm lên đến 30% so với thông thường.

Nhóm nghiên cứu kết luận “bê tông xanh” của họ có những lợi ích như bền chắc, phù hợp cho công trình nhà cửa, ít để lại dấu chân carbon hơn bê tông thông thường và có tiềm năng thương mại hóa.

Trong khi đó, một nhóm nghiên cứu thuộc khoa kỹ thuật xây dựng dân dụng và môi trường Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) lại theo đuổi mục tiêu “định nghĩa lại bê tông”, theo hướng tìm ra công thức trộn bê tông mới với nguồn cảm hứng lấy từ các vật liệu sinh học như xương, bọt biển và xà cừ.

Các vật liệu này được chọn bởi chúng vốn được tự nhiên cấu tạo với các cấu trúc kết dính vững chắc tương tự hồ xi măng trong hỗn hợp bê tông.

Hướng nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học là tìm hiểu cơ chế tạo nên tính vững chắc của các vật liệu tự nhiên nói trên và tìm cách áp dụng các cơ chế đó trong việc tạo ra bê tông thế hệ mới mà không cần dùng xi măng. Nhóm nghiên cứu nói trên cũng xem xét khả năng dùng tro núi lửa để trộn bê tông, một kỹ thuật được cho là có từ thời La Mã cổ đại.
 

Bê tông đất sét Công ty Argilus (Pháp) đã sản xuất một loại vật liệu đặc biệt, bền chắc như bê tông nhưng thân thiện với môi trường hơn, với nền tảng là đất sét thay vì cát. bê tông đất sét của công ty được tạo ra từ một phản ứng phân tử với các kim loại kiềm, biến bột đất sét thành vật liệu “cứng như đá”. Theo Argilus, việc sản xuất ra 1 tấn bê tông từ đất sét chỉ thải ra 50-100kg khí CO2, thấp hơn 10-20 lần so với 1 tấn xi măng. Ngoài ra, ưu điểm của loại bê tông đất sét là có thể được tạo ra bằng cách tái chế bất kỳ loại cát nào, kể cả cát từ các công trình đã được phá hủy. Chi phí làm ra nó tương đương, thậm chí rẻ hơn xi măng hiện tại.