Tuy nhiên, nghịch lý là dù các sa mạc bao phủ khoảng một phần ba diện tích lục địa của Trái đất, loại cát dồi dào này từ lâu lại ít được sử dụng trong xây dựng do đặc tính hạt quá mịn và tròn, khó liên kết với xi măng theo cách truyền thống.

Theo nhóm nghiên cứu do Giáo sư Mohamad Arab và Giáo sư Maher Omar thực hiện, mục tiêu của dự án là tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có tại địa phương cùng các phụ phẩm công nghiệp để tạo ra vật liệu xây dựng thân thiện hơn với môi trường, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào xi măng Portland truyền thống. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Journal of Materials in Civil Engineering của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ (ASCE).

Từ lâu, cát sa mạc được xem là khó phù hợp để sản xuất bê tông và vật liệu xây dựng thông thường. Khác với cát sông hay cát nghiền có bề mặt góc cạnh, hạt cát sa mạc thường được gió bào mòn trong thời gian dài nên có dạng tròn và nhẵn, làm giảm khả năng liên kết với xi măng. Chính vì vậy, nhiều quốc gia Trung Đông dù sở hữu trữ lượng cát khổng lồ vẫn phải nhập khẩu cát xây dựng phục vụ các dự án hạ tầng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học UAE đã tiếp cận vấn đề theo một hướng khác. Thay vì cố gắng sử dụng cát sa mạc với xi măng Portland như thông thường, họ kết hợp loại cát này với xỉ lò cao, tro bay và chất kết dính hoạt hóa kiềm (alkali-activated binder – AAB). Hệ vật liệu này thuộc nhóm vật liệu geopolymer, được xem là một trong những giải pháp tiềm năng thay thế một phần xi măng Portland và giảm phát thải carbon của ngành xây dựng.

Xi măng Portland hiện là loại chất kết dính phổ biến nhất trên thế giới, nhưng quá trình sản xuất xi măng đòi hỏi nhiệt độ rất cao và được cho là đóng góp khoảng 8% lượng phát thải CO2 toàn cầu. Trong khi đó, vật liệu hoạt hóa kiềm có thể tận dụng các phụ phẩm công nghiệp như tro bay và xỉ lò cao để tạo ra chất kết dính có tính năng tương đương mà không cần trải qua quá trình nung tiêu tốn nhiều năng lượng.

Một ưu điểm đáng chú ý của loại gạch mới là quá trình dưỡng hộ được thực hiện ở nhiệt độ môi trường, thay vì phải sử dụng nhiệt độ cao như nhiều công nghệ vật liệu khác. Điều này giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và hạn chế phát sinh khí thải trong quá trình sản xuất.

Kết quả thử nghiệm và đặc tính kỹ thuật

Kết quả thử nghiệm cho thấy các viên gạch sử dụng cát sa mạc và chất kết dính hoạt hóa kiềm đạt các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM. Bên cạnh khả năng chịu lực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vật liệu còn có độ hút nước thấp và thể hiện khả năng chống xâm thực sulfate tốt hơn so với gạch sử dụng xi măng thông thường.

Khả năng chống sulfate được đánh giá là đặc biệt quan trọng đối với các công trình xây dựng ở khu vực ven biển hoặc những nơi có đất và nước ngầm chứa hàm lượng muối cao. Trong môi trường này, các hợp chất sulfate có thể xâm nhập vào vật liệu, gây nứt và suy giảm cường độ theo thời gian. Theo Giáo sư Maher Omar, loại gạch mới duy trì được độ ổn định tốt trong môi trường giàu sulfate, qua đó hứa hẹn kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì.

Ngoài khả năng chống xâm thực hóa học, vật liệu mới còn thể hiện độ bền tốt trong các chu kỳ khô – ướt và khả năng chống hiện tượng kết tinh muối, vốn là nguyên nhân gây xuống cấp ở nhiều công trình tại khu vực khí hậu nóng và khô. Những đặc tính này giúp vật liệu phù hợp với điều kiện môi trường khắc nghiệt ở Trung Đông cũng như nhiều khu vực ven biển khác trên thế giới.

Ý nghĩa kinh tế tuần hoàn và tiềm năng ứng dụng

Theo các nhà nghiên cứu, việc tận dụng cát sa mạc và phụ phẩm công nghiệp còn mang ý nghĩa quan trọng đối với mô hình kinh tế tuần hoàn. Thay vì coi tro bay và xỉ lò cao là chất thải cần xử lý, chúng có thể trở thành nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất vật liệu xây dựng có giá trị cao hơn. Cách tiếp cận này không chỉ giúp giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên mà còn hạn chế lượng chất thải công nghiệp phải xử lý.

Trong những năm gần đây, vật liệu geopolymer và chất kết dính hoạt hóa kiềm đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn trên thế giới. Australia, Trung Quốc và nhiều quốc gia Trung Đông đã triển khai các chương trình nghiên cứu nhằm phát triển vật liệu xây dựng phát thải thấp, hướng tới mục tiêu trung hòa carbon trong lĩnh vực xây dựng. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương cũng được xem là giải pháp giúp giảm chi phí vận chuyển và tăng tính bền vững của chuỗi cung ứng vật liệu.

Hiện nay, công nghệ của Đại học Sharjah vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo sẽ là sản xuất thử nghiệm quy mô pilot, đánh giá chi phí và hoàn thiện quy trình công nghệ trước khi hướng tới khả năng ứng dụng trong thực tế.

Mặc dù còn cần thêm thời gian để kiểm chứng ở quy mô lớn, nghiên cứu của các nhà khoa học UAE cho thấy loại vật liệu từng bị xem là khó sử dụng hoàn toàn có thể trở thành một phần của lời giải cho bài toán phát triển bền vững. Trong bối cảnh ngành xây dựng đang chịu áp lực ngày càng lớn về giảm phát thải carbon và sử dụng hiệu quả tài nguyên, cát sa mạc cùng các phụ phẩm công nghiệp có thể mở ra hướng phát triển mới cho thế hệ vật liệu xây dựng xanh trong tương lai.

Nguồn: Techxplore.com, Sharjah.ac.ae, Scimex.org
ND: Đức Toàn