Công nghệ "in bê tông" 3D của nhà khoa học Việt

In bê tông 3D là một kỹ thuật mới và đang phát triển nhanh, cho phép xây dựng các công trình bằng cách in ra các tấm bê tông một cách tự động. Tuy nhiên, một trở ngại lớn đối với công nghệ này là phát triển vật liệu mới sử dụng cho in 3D.

Nhanh hơn gần 80%, giá thành giảm 20% so với xây thô, thi công được những công trình có thiết kế nghệ thuật phức tạp, giảm chất thải xây dựng... là những điểm mạnh của công nghệ in 3D do các nhà khoa học Việt Nam làm chủ.

Xây nhà bằng in 3D

In bê tông 3D trong xây dựng là quá trình tạo hình các đối tượng (vật thể công trình) ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer-Aided Design). Quá trình tạo hình bằng công nghệ in 3D có nét độc đáo là có thể tạo ra vật thể với bất kỳ hình dáng nào, thực hiện nhanh mà không cần khuôn.

Công trình nhà bê tông có tạo hình đẹp được thi công ở TPHCM.

Trở ngại lớn nhất đối với công nghệ in bê tông 3D là phát triển vật liệu mới sử dụng cho in 3D. Vì vậy, nhóm các nhà khoa học ở Đại học Bách khoa (ĐHQG TPHCM) đã thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ "Nghiên cứu công nghệ bê tông in 3D dùng cho công trình xây dựng" nhằm triển khai ứng dụng loại vật liệu bê tông in 3D mới trong thi công công trình nhà ở.

PGS.TS Trần Văn Miền (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết, nhóm thực hiện mong muốn tạo ra vật liệu bê tông in 3D tạo hình hướng đến ứng dụng cho xây dựng ở 2 mảng gồm: In tường công trình xây dựng dân dụng và tạo hình mặt dựng trang trí công trình (Facade).

Vì vậy, nhóm tập trung chế tạo hỗn hợp bê tông in 3D sử dụng hệ nguyên liệu bao gồm xi măng PC50, tro bay loại F, silicafume (SF), sợi Polypropylene (PP), cát, nước, phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VMA) và phụ gia siêu dẻo.

PGS.TS Trần Văn Miền chia sẻ, nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông in 3D có đặc trưng là cốt liệu nhỏ (kích thước hạt cốt liệu lớn nhất phổ biến không quá 5mm) và hàm lượng chất kết dính thấp, vì vậy tốc độ co ngót và ứng suất kéo do co ngót sinh ra trong giai đoạn đầu (1 đến 3 ngày sau khi in tạo hình cấu kiện) là lớn hơn đáng kể so với bê tông nặng truyền thống.

Do vậy, hầu hết bê tông in 3D sẽ có khả năng xuất hiện nứt trên cấu kiện ở tuổi sớm. Để bê tông in 3D có khả năng đùn và khả năng đắp dần lên cao tốt thì hỗn hợp bê tông này cần phải có độ nhớt thấp nhất nhưng không được phân tầng, và có ứng suất chảy tĩnh cao.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, ngoài việc thay đổi tỷ lệ CL/CKD (cốt liệu/chất kết dính) và tỷ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) để điều chỉnh lưu biến cho bê tông in 3D thì có một cách khác là thay đổi hàm lượng phụ gia siêu dẻo cùng với hàm lượng phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VMA). Khi tăng hàm lượng phụ gia siêu dẻo, các thông số lưu biến của hỗn hợp bê tông như độ nhớt dẻo, ứng suất chảy tĩnh và chảy động đều giảm.

Nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông in 3D có đặc trưng là cốt liệu nhỏ.

Tạo hình tường có hình dạng phức tạp

Theo PGS.TS Trần Văn Miền, việc hỗn hợp bê tông quá chậm ninh kết ảnh hưởng đến quá trình thi công và sự ổn định của khối in, cho nên cần rút ngắn thời gian. Khoảng thời gian ninh kết của bê tông không quá 12 tiếng sẽ phù hợp với công tác thi công và đảm bảo sự ổn định cho khối in trong và sau khi kết thúc quá trình in.

Cường độ bám dính giữa 2 lớp bê tông phụ thuộc và tỉ lệ thuận với cường độ chịu nén của vật liệu bê tông in 3D. Tất cả các cấp phối bê tông thành công đều có cường độ bám dính giữa 2 lớp là trên 1 MPa.

Ưu thế nổi trội của công nghệ in bê tông 3D là có thể tạo hình tường bao công trình có hình dạng phức tạp, ví dụ như có độ cong, độ uốn lượn có quy luật hoặc không có quy luật nhất định.

Nhóm thực hiện đã thi công thử nghiệm thành công 2 công trình nhà ở bằng công nghệ in bê tông 3D: Công trình 1 rộng 5m, dài 14m và cao 4m (có 1 phòng khách, 1 phòng ăn – bếp và 1 phòng ngủ); Công trình 2 rộng 8,5m, dài 15m và cao 3,8m (có 2 phòng ngủ, 1 phòng ăn – bếp, 1 phòng khách và 1 phòng làm việc, tường nhà thiết kế tạo kiểu dáng cánh hoa hồng, tường dày 200mm bao gồm 2 lớp tường, mỗi lớp thiết kế dày 50mm).

Ưu điểm của công nghệ này là có thể tạo hình tường bao công trình có hình dạng phức tạp.

Các công trình được tiến hành in bê tông 3D ngoài trời nên việc thi công phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, chẳng hạn như sự co ngót và khả năng gây nứt của khối tường bê tông.

Qua quá trình thi công, nhóm thực hiện nhận xét, nếu tiến hành in liên tục và tưới ẩm bảo dưỡng đầy đủ cho bê tông ngay sau khi kết thúc quá trình in thì khối tường bê tông hầu như không xuất hiện nứt.

Ngược lại, nếu trong quá trình đang in và gặp sự cố phải ngừng in thì khoảng 30 - 40 phút sau, khối tường bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt theo phương đứng.

So sánh khả năng kháng thấm nước, tường bê tông in 3D tốt hơn so với tường gạch đất sét nung tô vữa xi măng một mặt. Hệ số thấm nước của tường bê tông thấp hơn đáng kể so với tường gạch đất sét nung.

Tuy nhiên, tương tự như tường xây bằng gạch đất sét nung, nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ yếu tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông. Điều này có nghĩa là tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông không đủ đặc chắc, có tồn tại khuyết tật và lỗ rỗng đủ lớn để nước thấm xuyên qua.

Theo PGS.TS Trần Văn Miền, để gia tăng khả năng chống thấm cho tường bê tông in 3D trong công trình xây dựng, nhóm thực hiện cho rằng cần có biện pháp cải thiện, gia tăng độ đồng nhất tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông.

Mặt khác, cường độ chịu nén của tường bê tông cao hơn gần 30% so với tường gạch đất sét nung, nên có thể hướng đến thiết kế tường bê tông in 3D với vai trò là tường chịu lực thay vì chỉ là kết cấu bao che.

• Lò phản ứng biến rác nhựa và khí nhà kính thành nhiên liệu bền vững và các chất hữu ích
• Trung Quốc phát triển thép siêu cứng có thể kéo giãn
• Ăn côn trùng là góp phần bảo vệ Trái đất