Phát minh có thể thay đổi toàn bộ ngành xây dựng: Thép hỏng tự lành, tự 'ghi nhớ' hình dạng, bền gấp đôi vật liệu ban đầu

Các nhà khoa học Thụy Sĩ vừa đạt được bước tiến quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của các cây cầu bê tông đang xuống cấp. Họ phát triển một loại thép “thông minh” có khả năng tự co lại khi được gia nhiệt, từ đó khép kín các vết nứt và tăng gấp đôi độ chịu lực của kết cấu.

Hệ thống gia cố này do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Liên bang Thụy Sĩ về Khoa học và Công nghệ Vật liệu (Empa) phát triển, dựa trên sự kết hợp giữa bê tông siêu bền gia cường sợi (UHPFRC) và hợp kim thép nhớ hình dạng (Fe-SMA). Điểm đặc biệt của vật liệu là khả năng “ghi nhớ” hình dạng ban đầu và tự trở lại trạng thái đó khi được làm nóng.

Trong phương pháp mới, lớp bê tông UHPFRC được phủ trực tiếp lên mặt cầu. Loại bê tông này có cấu trúc đặc, khả năng chống thấm nước cao và độ bền vượt trội so với bê tông truyền thống. Bên trong lớp bê tông, thay vì sử dụng cốt thép thông thường, nhóm nghiên cứu lắp đặt các thanh Fe-SMA đã được kéo giãn trước đó. Khi được nung tới khoảng 200 độ C, các thanh thép này có xu hướng co lại về trạng thái ban đầu.

Điều quan trọng là các thanh thép bị “khóa” trong khối bê tông, nên không thể co tự do. Thay vào đó, chúng tạo ra lực nén nội tại trong kết cấu. Chính lực này giúp khép kín các vết nứt, nâng các phần bị võng và cải thiện đáng kể khả năng chịu tải của cầu. Theo các nhà nghiên cứu, cơ chế này cho phép gia cố mà không cần đến các thiết bị kéo căng phức tạp như trong phương pháp truyền thống.

Angela Sequeira Lemos, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm kỹ thuật kết cấu của Empa, cho biết điểm hấp dẫn của công nghệ nằm ở sự đơn giản: chỉ cần cố định các thanh thép, gia nhiệt, và phần còn lại hệ thống sẽ tự thực hiện.

Trong các thử nghiệm, giải pháp lai giữa bê tông siêu bền và thép nhớ hình dạng đã phục hồi các tấm sàn cầu bị hư hại, đóng kín các vết nứt hiện hữu và tăng gấp đôi khả năng chịu tải.

Kết quả này đặc biệt có ý nghĩa trong bối cảnh nhiều cây cầu tại Thụy Sĩ và châu Âu được xây dựng trước thập niên 1980 đang dần hết tuổi thọ thiết kế. Việc phá bỏ và xây mới không chỉ tốn kém mà còn gây gián đoạn giao thông lớn. Do đó, các giải pháp gia cố hiệu quả, nhanh gọn và ít xâm lấn như công nghệ mới đang được quan tâm.

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên năm tấm bê tông kích thước thật, dài khoảng 5 mét, mô phỏng sàn cầu dạng công-xôn. Trước khi gia cố, các tấm này được cố tình tạo vết nứt nhằm tái hiện điều kiện hư hại thực tế. Một tấm được giữ nguyên làm đối chứng, các tấm còn lại được gia cố bằng UHPFRC hoặc kết hợp với thép Fe-SMA.

Trong quá trình thử nghiệm, các kỹ sư theo dõi biến dạng của kết cấu một cách liên tục. Hệ thống camera kỹ thuật số ghi nhận sự thay đổi của các vết nứt trên bề mặt, trong khi các cảm biến sợi quang được gắn dọc theo thanh thép để đo biến dạng bên trong. Công nghệ này hoạt động tương tự cáp quang viễn thông, nhưng thay vì truyền dữ liệu, các nhà khoa học phân tích ánh sáng phản xạ để xác định chính xác sự biến dạng của vật liệu.

Kết quả cho thấy hệ thống lai mới vượt trội so với phương pháp gia cố truyền thống trong điều kiện tải trọng hàng ngày, chẳng hạn như lưu lượng xe cộ thông thường. Tuy vậy, chi phí của vật liệu Fe-SMA hiện vẫn khá cao, nên nhóm nghiên cứu đề xuất ưu tiên áp dụng cho các công trình đã bị hư hỏng nặng hoặc biến dạng lớn.

Ngoài cầu đường, công nghệ này còn có thể ứng dụng trong nhiều cấu kiện bê tông khác như ban công, mái phẳng hoặc các kết cấu cần giải pháp gia cố gọn nhẹ.

Dự án được tài trợ bởi Innosuisse, với sự tham gia của nhiều đối tác, trong đó có Trường Khoa học Ứng dụng Đông Thụy Sĩ, công ty spin-off re-fer của Empa và Hiệp hội Công nghiệp Xi măng Thụy Sĩ.