Buzz
Thách thức lớn nhất đối với công nghệ in bê tông 3D là việc phát triển vật liệu mới để sử dụng trong quá trình in 3D.
Công trình xây dựng nhà bê tông có hình dạng đẹp được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh.
Nhanh hơn gần 80%, chi phí giảm 20% so với phương pháp xây dựng truyền thống, khả năng thi công các công trình có thiết kế nghệ thuật phức tạp, giảm lượng chất thải xây dựng... là những ưu điểm nổi bật của công nghệ in 3D do các nhà khoa học Việt Nam làm chủ.
Xây dựng nhà bằng công nghệ in 3D
In bê tông 3D trong ngành xây dựng là quá trình tạo hình các đối tượng (công trình) ba chiều bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu lên nhau và được điều chỉnh bởi máy tính để tạo ra sản phẩm đã được thiết kế trước trên phần mềm CAD (Computer-Aided Design). Quá trình tạo hình bằng công nghệ in 3D có đặc điểm độc đáo là có thể tạo ra sản phẩm với bất kỳ hình dáng nào, thực hiện nhanh chóng mà không cần khuôn.
Thách thức lớn nhất đối với công nghệ in bê tông 3D là việc phát triển vật liệu mới để sử dụng trong quá trình in 3D. Vì vậy, nhóm các nhà khoa học tại Đại học Bách khoa (Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh) đã thực hiện dự án khoa học và công nghệ 'Nghiên cứu công nghệ bê tông in 3D cho các công trình xây dựng' nhằm triển khai ứng dụng loại vật liệu bê tông in 3D mới trong quá trình thi công các công trình nhà ở.
PGS.TS Trần Văn Miền (chủ nhiệm nhiệm vụ) đã chia sẻ rằng, nhóm nghiên cứu mong muốn phát triển vật liệu bê tông in 3D để áp dụng trong lĩnh vực xây dựng ở hai phương diện: In tường cho các công trình dân dụng và tạo hình các bề mặt trang trí (Facade).
Vì vậy, nhóm tập trung vào việc pha trộn hỗn hợp bê tông in 3D sử dụng các nguyên liệu như 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 đã chia sẻ, các nguyên liệu được sử dụng để sản xuất bê tông in 3D có đặc điểm là kích thước hạt cốt liệu nhỏ (phổ biến nhất là không quá 5mm) và hàm lượng chất kết dính thấp, do đó tốc độ co ngót và ứng suất kéo do co ngót tạo ra trong giai đoạn đầu (từ 1 đến 3 ngày sau khi in tạo hình cấu kiện) lớn hơn nhiều so với bê tông truyền thống.
Vì vậy, hầu hết các cấu kiện bê tông in 3D thường xuất hiện nứt sớm. Để bê tông in 3D có khả năng chịu được sự đàn hồi và việc đắp dần lên cao tốt, hỗn hợp bê tông này cần 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 điều chỉnh tỷ lệ cốt liệu/chất kết dính (CL/CKD) và tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) để điều chỉnh lưu biến của bê tông in 3D, còn có một phương pháp 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.
Tạo hình tường với hình dạng phức tạp
Theo PGS.TS Trần Văn Miền, việc thời gian phản ứng của bê tông quá chậm ảnh hưởng đến quá trình thi công và sự ổn định của khối in, vì vậy cần rút ngắn thời gian này. Thời gian phản ứng của bê tông không nên vượt quá 12 giờ để phù hợp với công việc thi công và đảm bảo sự ổn định của khối in trong và sau quá trình in.
Sức mạnh liên kết giữa hai lớp bê tông phụ thuộc vào cường độ chịu nén của vật liệu bê tông in 3D. Tất cả các kết cấu bê tông in thành công đều có sức mạnh liên kết giữa hai lớp vượt trội hơn 1 MPa.
Một trong những lợi thế nổi bật của công nghệ in bê tông 3D là khả năng tạo hình các cấu trúc tường có hình dạng phức tạp, bao gồm cả các đường cong và uốn lượn có hoặc không có quy luật cố định.
Nhóm thực hiện đã thành công trong việc thi công thử nghiệm hai công trình nhà ở bằng công nghệ in bê tông 3D: Công trình 1 có chiều rộng 5m, dài 14m và cao 4m (bao gồm 1 phòng khách, 1 phòng ăn – bếp và 1 phòng ngủ); Công trình 2 có chiều rộng 8,5m, dài 15m và cao 3,8m (bao gồm 2 phòng ngủ, 1 phòng ăn – bếp, 1 phòng khách và 1 phòng làm việc, với tường được thiết kế theo dạng cánh hoa hồng, dày 200mm bao gồm 2 lớp, mỗi lớp có độ dày 50mm).
Các công trình in bê tông 3D được tiến hành ngoài trời, do đó quá trình thi công phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết như co ngót và khả năng gây nứt của tường bê tông.
Sau quá trình thi công, nhóm thực hiện nhận thấy rằng, nếu tiến hành in liên tục và bảo dưỡng bê tông đầy đủ ngay sau khi hoàn thành quá trình in, thì tường bê tông hầu như không xuất hiện nứt.
Tuy nhiên, nếu quá trình in bị gián đoạn và phải tạm ngưng, khoảng 30 - 40 phút sau đó, tường bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt theo chiều dọc.
So sánh khả năng chống thấm nước, tường bê tông in 3D hiệu quả hơn so với tường gạch đất sét nung và xi măng. Hệ số thấm nước của tường bê tông thấp hơn đáng kể so với tường gạch đất sét nung.
Tuy nhiên, như các tường xây bằng gạch đất sét nung, nước thấm qua tường bê tông in 3D chủ yếu xảy ra tại vị trí tiếp xúc giữa hai lớp bê tông. Điều này ngụ ý rằng ở vị trí tiếp xúc giữa hai lớp bê tông không đủ chắc chắn, tồn tại các khuyết điểm và lỗ trống đủ lớn để nước thấm qua.
Theo PGS.TS Trần Văn Miền, để cải thiện khả năng chống thấm cho tường bê tông in 3D trong xây dựng, nhóm nghiên cứu cho rằng cần có biện pháp cải thiện, nâng cao sự đồng nhất tại vị trí tiếp xúc giữa hai lớp bê tông.
Ngược lại, cường độ chịu nén của tường bê tông cao hơn gần 30% so với tường gạch đất sét nung, do đó có thể hướng đến thiết kế tường bê tông in 3D như một phần của kết cấu chịu lực thay vì chỉ là kết cấu bao che.
Trong thực tế, sử dụng công nghệ in bê tông 3D để xây dựng có ưu điểm hơn so với phương pháp truyền thống về mặt tiến độ (nhanh hơn gần 80%) và chi phí xây dựng (giảm khoảng 20%) khi thực hiện phần thô trên cùng một thiết kế công trình xây dựng.
Ngoài ra, công nghệ in bê tông 3D có điểm mạnh là có thể thực hiện các công trình có thiết kế nghệ thuật và phức tạp mà phương pháp truyền thống gần như không thể làm được, đồng thời giảm lượng chất thải xây dựng đáng kể, có thể tận dụng các chất thải rắn (như tro xỉ từ nhà máy điện, xà bần từ công trường xây dựng, v.v.).
