In bê tông 3D từ tro bay

Năm 2017, cả thế giới ngạc nhiên khi thấy nhóm nghiên cứu ở trường ĐH Công nghệ Eindhoven, trong hợp tác với nhóm xây dựng cơ sở hạ tầng BAM, đã cho ra mắt một cây cầu dành cho xe đạp bằng phương pháp in bê tông 3D dài 8 mét, rộng 3 mét và có thể chịu được tải trọng 5 tấn ở Hà Lan. Đó là một công nghệ đầy hứa hẹn, không chỉ giúp các nhà thầu tiết kiệm thời gian, nhân lực mà còn đem lại nhiều không gian tự do cho thiết kế và xây dựng các cấu trúc công trình phức tạp.

Ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa có nhiều nhóm nghiên cứu đủ năng lực và điều kiện cơ sở vật chất để theo đuổi ý tưởng công nghệ này, ngoại trừ bốn nhóm tại Viện Vật liệu xây dựng (Bộ Xây dựng), trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, trường ĐH Bách khoa (ĐHQG-HCM) và trường ĐH Hải Phòng. Dẫu chỉ là “em út” trong số này nhưng nhóm QLAT ở Khoa Xây dựng, trường ĐH Hải Phòng, đang từng bước nghĩ đến chuyện khởi nghiệp, với sự tư vấn của KisStartup, một công ty cung cấp các công cụ và kiến thức hỗ trợ khởi nghiệp đổi mới sáng tạo.

Phát triển giải pháp hai trong một

Theo TS. Phạm Thị Loan, thành viên chủ chốt của QLAT hình thành từ cơ sở nghiên cứu của nhóm nghiên cứu phát triển kết cấu và công nghệ xây dựng bền vững ở trường ĐH Hải Phòng, thách thức lớn nhất đối với công nghệ này là thời gian mở in của một mẻ trộn bê tông, nghĩa là khi trộn một mẻ, thời gian in lâu làm ảnh hưởng đên thời gian ninh kết của bê tông, khiến sợi bê tông in ra sẽ khác với khi bê tông chưa bắt đầu ninh kết hoặc gây ra khó khăn, cản trở trong đùn vữa ra khỏi đầu in. Giải pháp của QLAT đòi hỏi các kỹ thuật xử lý cùng với những trang thiết bị phải được đầu tư và hiện đại.

Câu chuyện của TS. Phạm Thị Loan như mở ra cánh cửa phòng thí nghiệm cho những người tò mò về thứ công nghệ tiên tiến này thưởng lãm. “Nói về in bê tông 3D thì chúng ta buộc phải nói về thiết bị in, với hai phần là phần mềm điều khiển và các phần cứng gồm máy in và bộ phối trộn bê tông”, chị nói khái quát.

Con đường từ một vật thể được vẽ theo hình dạng ba chiều đến một sản phẩm hữu hình trong thế giới thực cần tuân theo nhiều bước, trong đó các phần mềm thiết kế trên máy tính giúp các nhà nghiên cứu cắt lớp, chia lớp, hiểu được hình thể của vật cần in với chiều cao lớp in…, để điều khiển máy in, đặt tốc độ đầu đùn, tốc độ di chuyển trục xyz... “Việc sử dụng các phần mềm cũng tùy thuộc vào kỹ năng và thói quen của các nhóm nghiên cứu. Với nhóm nghiên cứu QLAT thì sử dụng Mach3”, chị cho biết.

Việc làm chủ được một công nghệ trong phòng thí nghiệm, với QLAT vẫn chỉ là một nửa của giải pháp. Họ mơ ước về những quy trình tối ưu có thể tạo ra được những sản phẩm có “vòng đời xanh”, đó là tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có, những phế phẩm của một quá trình sản xuất khác: tro bay.

“Trên thế giới có xu hướng sử dụng các vật liệu bền vững. Điều đó khiến chúng tôi suy nghĩ là làm sao sử dụng được tro bay vì ở Hải Phòng có nhà máy nhiệt điện Hải Phòng cách trường khoảng tầm vài chục cây số. Khi cần nguyên liệu, mình có thể tận dụng địa chỉ này”, TS. Phạm Thị Loan nói. “Việc tận dụng những lợi thế của tro bay sẽ giảm thiểu được phần xi măng sử dụng trong thành phần của bê tông”.

Thực tế cho thấy, việc sử dụng tro bay trong in bê tông 3D của QLAT hóa ra đem lại thuận lợi không ngờ. Thông thường, bê tông in vẫn sử dụng các cốt liệu/nguyên liệu thô tương đối nhỏ so với bê tông truyền thống. Nguyên liệu tro bay giúp cho bê tông được đẩy ra khỏi đầu đùn dễ dàng hơn, nghĩa là tính linh hoạt của bê tông cao hơn và sợi in có độ linh hoạt và độ mịn hơn, theo nhận xét của TS. Phạm Thị Loan.

Qua quá trình phối trộn thử và sai, chị và cộng sự phát hiện ra hàm lượng tro bay cũng ảnh hưởng ít nhiều đến cường độ của bê tông. “Nếu mình thay thế khoảng 20-30% thì không tác động nhiều đến cường độ chịu nén của bê tông, nhưng nếu mình thay đổi tỉ lệ từ trên 30% đến khoảng 50% thì cường độ chịu nén của bê tông khi đưa tro bay vào sẽ thấp hơn so với bê tông sử dụng hoàn toàn xi măng”, chị giải thích.


Phần sáng tạo về nguyên liệu đầu vào của QLAT không chỉ gói gọn ở tro bay. TS. Phạm Thị Loan không khỏi tự hào: “Có thể nói hiện nay trong thành phần cấp phối bê tông in của chúng tôi còn có cát nghiền - hỗn hợp các hạt cốt liệu có kích thước nhỏ hơn 5mm từ việc đập hoặc nghiền từ bất cứ loại đá nào có cường độ tốt, ổn định - thay thế cát tự nhiên. Cả hai không chỉ làm giảm giá thành sản phẩm - giá tro bay thấp hơn khá nhiều so với xi măng, và cát nghiền cũng thấp hơn so với cát tự nhiên - mà đem cho sản phẩm của chúng tôi ý nghĩa lớn về kinh tế và môi trường”.

Khó khăn của người đi trước

Với những điểm mạnh ấy, QLAT đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được nhiều sản phẩm bằng công nghệ in 3D từ bê tông “xanh”. Ngoài các sản phẩm kết cấu là các cấu kiện chịu uốn như dầm, bản bê tông, nhóm chủ yếu tập trung vào mảng sản phẩm phi kết cấu mang tính trang trí hoặc không đòi hỏi khả năng chịu lực quá cao khi sử dụng, như biểu tượng, biểu trưng, bàn ghế trang trí và các mô hình thu nhỏ làm tiểu cảnh. Trong đó, sản phẩm bàn ghế trang trí cho các khuôn viên đã được thương mại hóa từ cách đây 2-3 năm.

Ngoài công năng thông thường, các sản phẩm bàn ghế của QLAT còn tạo ra cảnh quan đẹp và đồng bộ bởi được thiết kế cho phù hợp với không gian sử dụng và hài hòa với các công trình, cây cối xung quanh.

Việc có trong tay một giải pháp nhiều hứa hẹn như vậy không phải bảo đảm bằng vàng để QLAT có được một hành trình khởi nghiệp nhiều thuận lợi, dẫu theo đánh giá của Giám đốc KisStartup Nguyễn Đặng Tuấn Minh, thuận lợi lớn nhất của QLAT là “sở hữu công nghệ, chủ động được công nghệ” và một trưởng nhóm rất tập trung phát triển sản phẩm và tư duy sẵn sàng hợp tác. “Điều ấy là chắc chắn rồi. Thật ra nếu TS. Phạm Thị Loan không có tư duy hợp tác ấy thì không thể có một đội nhóm như bây giờ. Cái hay của người trưởng nhóm này là cứ thấy ở đâu có cơ hội cho QLAT là chị ấy bám sát, không bỏ lỡ một cơ hội nào cả”, chị Tuấn Minh nói.

Những thuận lợi này vẫn chưa đủ để QLAT có được một vị trí nào đó trên thị trường. Bởi có một nghịch lý là dù chi phí nguyên liệu đầu vào thấp nhưng giá thành vẫn là rào cản chính trong việc thương mại hóa các sản phẩm của QLAT. Theo TS. Phạm Thị Loan, công nghệ in bê tông 3D vẫn còn là phương pháp khá mới trong ngành xây dựng, khiến chi phí đầu tư ban đầu của sản phẩm còn cao. “Đến thời điểm này, vì công nghệ in bê tông chưa phổ biến nên chi phí đầu tư ban đầu còn lớn, khách hàng có thể cảm nhận là về chi phí, giá thành sẽ bị cao hơn”, chị chia sẻ về nỗi chật vật tìm thị trường của mình.

Tuy nhiên, nếu xét theo vòng đời sản phẩm, TS. Phạm Thị Loan tin rằng sản phẩm của QLAT vẫn có mức giá hợp lý: “Ví dụ như bàn ghế bằng đá granito, hằng năm các bệnh viện đều phải thay vì bị gãy, nhưng nếu dùng [sản phẩm của QLAT] thì khoảng 3-5 năm, chẳng may có vấn đề gì khiến nó đứt gãy thì mới phải thay thế”.

Một trong những thách thức lớn mà QLAT hiện phải đối mặt đó là giải pháp của họ còn quá mới mẻ với thị trường Việt Nam nên tiêu chuẩn, quy chuẩn liên quan đến sản phẩm vẫn chưa sẵn sàng.

“Về bài toán của công nghệ in bê tông thì cũng có thể thấy, các nghiên cứu và xuất bản khoa học trong thời gian gần đây có rất nhiều, góp phần đem lại những bước tiến triển rất lớn”, TS. Phạm Thị Loan chia sẻ. “Tuy nhiên, nếu xét về tính phổ biến của công nghệ trong thực tiễn ngành xây dựng thì chưa vì nó còn thiếu khá nhiều vấn đề liên quan đến quy chuẩn, tiêu chuẩn, và còn có những thách thức của công nghệ này mà hiện nay cũng chưa giải quyết được một cách tối ưu”.

Tận dụng từng cơ hội

Có lẽ, chỉ khi lăn xả vào thực tế, QLAT mới thấm thía được những chật vật mà mình sẽ phải quen. Việc có được một giải pháp hay, một dòng sản phẩm độc đáo chưa chắc đem lại thành công mà cần có nhiều yếu tố khác đi kèm, “ví dụ như ý tưởng sử dụng tro bay muốn thành hiện thực thì cũng cần phải có hỗ trợ”, TS. Phạm Thị Loan nói. “Một công ty trung gian đã hỗ trợ đưa tro bay của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng về cho nhóm nghiên cứu. Dù ý tưởng của mình hay, xuất phát từ khoa học nhưng cũng cần phải có những nguồn lực hỗ trợ mới thành hiện thực được”.

Những nhóm khởi nghiệp với những dòng sản phẩm có đủ nguyên tắc 3R (reduce, reuse, recycle) và có nhiều ý nghĩa với môi trường như QLAT cần nhiều đến sự hỗ trợ như vậy, cả về chính sách lẫn quan điểm xã hội. Theo quan sát của TS. Phạm Thị Loan, nếu không đưa được công nghệ vào giải bài toán thực chất thì sẽ rất khó để phát triển công nghệ in bê tông 3D.

“Mục tiêu cao nhất của công nghệ in bê tông này là làm thế nào nó phải phát triển song hành với công nghệ xây dựng truyền thống. Tuy nhiên, để làm được như vậy cần có sự quan tâm và đầu tư có tầm vĩ mô, qua đó mới tạo động lực cho những người làm công nghệ này có thể đi xa và đạt được những bước tiến quan trọng”, chị nói.

Trong lúc có được những điều kiện thuận lợi như vậy, QLAT không ngồi chờ, ngược lại đi tìm những cơ hội mới ở các “thị trường ngách”. Một trong số đó là nghiên cứu thiết kế và chế tạo các rạn san hô nhân tạo bằng công nghệ in bê tông, một thị trường hoàn toàn mới mẻ ở Việt Nam. Việt Nam đang mất đi nhiều rạn san hô tự nhiên, vì vậy QLAT kỳ vọng những rạn san hô nhân tạo có thể trở thành môi trường sống mới của nhiều loài sinh vật biển.

“Điều QLAT cần là phải tìm những thị trường nào mà QLAT có thể tham gia giải quyết được một vấn đề sâu sắc”, mentor Tuấn Minh chỉ ra và đánh giá cao lựa chọn rất tiềm năng về san hô nhân tạo. “TS. Phạm Thị Loan nhìn thấy ở đấy nhiều cơ hội vì hiện nay san hô bị phá hủy nhiều trong khi sự phát triển của nó lại chậm”.

Theo quan sát của TS. Phạm Thị Loan, các rạn san hô nhân tạo tận dụng được rất nhiều lợi thế của công nghệ in bê tông về cả độ nhám, tạo ra được những cấu trúc phức tạp (vì không cần đưa vào các phần cốt thép hay kết cấu cứng), và vật liệu (có thể hoàn toàn sử dụng cát biển để đưa vào thành phần vật liệu cấp phối). Những công trình này cũng không có các yêu cầu quá khắt khe về tiêu chuẩn, quy chuẩn chịu lực.

Ý tưởng này được nhiều nhà khoa học đánh giá có tính khả thi cao khi cả Việt Nam và thành phố Hải Phòng đều có đường bờ biển rất dài. “Nhóm chưa có đơn đặt hàng nào nhưng cũng đã bắt tay vào nghiên cứu thiết kế hình dáng của rạn san hô nhân tạo sao cho đạt được các tiêu chí trong nguyên tắc thiết kế, đồng thời phải phù hợp với năng lực sản xuất của mình”, chị nói.