Nhóm nghiên cứu tại Phân viện STEM, Đại học RMIT (Melbourne, Australia) do TS Trần Phương dẫn đầu, đã phát triển bê tông in 3D có thành phần từ nhựa tái chế để tăng độ kiên cố cho dầm bê tông. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Automation in Construction (Tự động hóa trong xây dựng). Phương pháp mới nhằm cải thiện độ bền uốn và vấn đề ăn mòn của kết cấu bê tông bằng việc dùng nhựa in 3D làm giàn giáo để gia cố bê tông.

TS Trần Phương cho biết, dầm bê tông cốt nhựa in 3D có khả năng chịu lực mạnh hơn bốn lần, bền hơn và chống nứt cao hơn so với các mẫu bê tông được đúc bằng khuôn và không có bất kỳ gia cố nào.

Anh giải thích, thông thường khuôn gia cường phải được gia cố bằng các thanh cốt thép. Tuy nhiên thép nặng gấp 9 lần nhựa nên sẽ làm tăng khối lượng bê tông đáng kể. Ngoài ra rỉ thép khiến chất lượng bê tông giảm đi theo thời gian.

Trong khi đó, khuôn gia cường bằng vật liệu nhựa rất nhẹ, khi đổ bê tông vào sẽ giúp làm tăng độ cứng của cả khối bê tông lên tới 20-30% do tạo được độ dẻo. Mặt khác, cốt (gia cường cho bê tông) bằng nhựa không bị ăn mòn. "Dùng công nghệ in 3D và nhựa tái chế sẽ giúp tạo ra các khối bê tông nhẹ, bền hơn theo thời gian. Phương pháp gia cố này "khá thực tế, bền vững và có khả năng mở rộng", anh nói.

Nguyễn Văn Vương, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết, thiết kế dầm bê tông cốt nhựa được lấy cảm hứng từ cấu trúc sinh học của xương, được tối ưu hóa theo cách tự nhiên. Vật liệu nhựa được bổ sung vào khuôn và in bằng công nghệ in 3D ngay từ đầu với kết cấu được thiết kế bằng công nghệ tính toán tối ưu. Độ dày của khuôn có thể tuỳ chỉnh để đảm bảo độ cứng phù hợp và độ ổn định khi đổ bê tông vào. Bê tông cốt nhựa in 3D còn có thể ứng dụng khác trong các chế phẩm như kết cấu phức tạp đúc sẵn, tấm tường chắn tiếng ồn, kết cấu bê tông dùng trong môi trường nước biển.

Cũng trong năm 2020-2021, nhóm nghiên cứu viên Đại học RMIT phát triển quy trình in bê tông 3D thay thế 50% cát sông tự nhiên bằng thủy tinh tái chế. Nghiên cứu của nhóm được đăng trên tạp chí Construction and Building Materials (Xây dựng và Vật liệu xây dựng). Công trình chỉ ra rằng in 3D theo cấu trúc tải chéo và sử dụng lượng hạt thủy tinh thô với nồng độ tối ưu là giải pháp phù hợp và bền vững để thay thế cát sông tự nhiên.

Theo TS Phương, cát và hạt thủy tinh có chung nguồn gốc hoá học nên có thể thay thế lẫn nhau trong bê tông. Nghiên cứu chỉ ra rõ cách chọn kích cỡ hạt thuỷ tinh, khối lượng thay thế sẽ ảnh hưởng tới cường độ của bê tông. Nhóm đã thử nghiệm từ 10% đến 50% khối lượng thay thế, ở đó hạt thuỷ tinh được trộn vào cùng cát và đưa vào máy trộn cơ học từ 30-45 phút để tạo sự phân bố đồng đều. Kết quả thấy rằng có thể thay thế tới 50% lượng cát trong bê tông in 3D mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng bê tông. Việc sử dụng thủy tinh vi mô thay cát trong công nghệ in 3D giúp giải quyết hai vấn đề gồm: giảm việc khai thác và sử dụng cát tự nhiên trong xây dựng và giảm rác thải thủy tinh.

Anh cho biết một vài công trình nghiên cứu về vấn đề này từng được thực hiện bởi các nhà khoa học Singapore. Tuy nhiên, các công trình không đi sâu giải thích nguyên lý của việc dùng hạt thuỷ tinh tái chế trong bê tông in 3D.

TS Phương cho biết thêm việc kết hợp hai phương pháp sử dụng vật liệu thuỷ tinh thay cát và vật liệu nhựa để gia cường bê tông vẫn có thể khả thi với công nghệ in 3D. Ví dụ các kết cấu tường, cột, trụ có thể sử dụng hai phương pháp đồng thời.

Dẫn số liệu thống kê từ Bộ Tài nguyên và Môi trường (Báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2019), mỗi năm tại Việt Nam có khoảng 1,8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra môi trường, nhưng chỉ 27% được tái chế, TS Phương cho biết việc tái sử dụng vật liệu nhựa hợp lý sẽ giải quyết vấn đề môi trường, đồng thời đưa công nghệ cốt lõi trở thành giải pháp bền vững cho ngành xây dựng trong nước. "Nếu có thể biến những rác thải này thành vật liệu xây dựng hữu ích một cách sáng tạo thông qua công nghệ in 3D, điều này sẽ mở ra nhiều cánh cửa cơ hội mới", anh nói.