Nhóm các nhà khoa học Nga dưới sự dẫn dắt của GS. Viện sỹ A. Ponomarev (Viện Nghiên cứu khoa học Xây dựng Saint Peterburg) đã đạt được những kết quả khả quan đầu tiên trong các nghiên cứu về bê tông nano từ năm 1993. Đến nay, công tác nghiên cứu và ứng dụng những sản phẩm bê tông công nghệ nano đã được rất nhiều tập đoàn, doanh nghiệp tại Nga tham gia, mở ra một hi vọng về loại vật liệu mới thay thế các loại bê tông truyền thống.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nano

Trên thế giới, các vật liệu nano cacbon được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau: hồ quang điện, bay hơi bằng tia laser hay ánh sáng mặt trời, lắng hơi bằng phương pháp hóa học… Về nguyên tắc, các phương pháp tổng hợp phần tử nano cacbon do các nhà khoa học đề xuất tương đối phức tạp, đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng đắt tiền và nguyên liệu đầu vào phải là những nguyên liệu đặc biệt để từ đó có thể thu nhận các phân tử kích thước nano. Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường đã có các phương pháp mới về mặt công nghệ - đó là các phương pháp chế tạo vật liệu nano cacbon với giá thành hợp lý.

Tại phòng thí nghiệm của Viện Nghiên cứu khoa học Belarussia, với sự phối hợp của khoa Vật liệu Xây dựng (Đại học Tổng hợp Quốc gia Belarussia), vật liệu như vậy đã được chế tạo từ hỗn hợp không khí và CO₂, sử dụng ngọn lửa từ tia điện phóng. Phương pháp trên được coi là phương pháp tổng hợp, bởi vì khí đốt tự nhiên, cacbon dạng lỏng (cồn, dầu hỏa…) đều có thể sử dụng như một nguồn cung cacbon. Giá thành sản phẩm thu được hiện tại xấp xỉ 0,5 USD/gr.

Nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu hóa chất Ucraina, dưới sự chỉ đạo của Viện trưởng V. Shmalko, đã nghiên cứu và chứng minh được rằng: Than đá và các sản phẩm từ than đá qua công đoạn xử lý nhiệt (sản phẩm từ quá trình luyện cốc - trong đó có bụi cốc) đều là nguyên liệu đầu vào lý tưởng. Bụi cốc là sản phẩm phụ của than đá qua quá trình luyện cốc.

Nguyên liệu này khá hợp lý (về mặt kinh tế) để tổng hợp các phần tử nano cacbon. Một lò luyện cốc bình quân mỗi năm xuất 710 tấn sản phẩm phụ dưới dạng bụi cốc. Theo tính toán, các phần tử kích thước nano trong bụi cốc chiếm 3% tổng khối lượng bụi. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng một trong những biện pháp để thu nhận phân tử nano cacbon là áp dụng biện pháp siêu âm để phân tán bụi cốc trong nước. Tuy nhiên, tỷ lệ các phân tử nano cacbon trong tro hoặc bụi cốc không được vượt quá 3%.

Tại các quốc gia có nền khoa học và kinh tế phát triển như các nước thành viên EU, Mỹ, Nhật, Nga và Trung Quốc, các nghiên cứu về công nghệ nano luôn được xem là một trong những ưu tiên hàng đầu. Công nghệ nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực xây dựng

Công nghệ đưa nano vào bê tông

Có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng công nghệ nano: y học nano, điện tử nano, sinh học nano (kỹ thuật gen)… Các nghiên cứu về công nghệ nano ứng dụng trong ngành Xây dựng đã được đề cập tới trong nhiều bài báo, tạp chí khoa học.

Hiện nay trên thế giới vẫn tồn tại hai phương án công nghệ nhằm đưa các phần tử kích thước nano vào thành phần bê tông. Phương án thứ nhất là nghiền xi măng đến cỡ hạt nano, khi đó, thành phần các chất tham gia phản ứng với nước của loại xi măng này tăng lên đáng kể. Nếu ở xi măng thông thường tỷ diện riêng xấp xỉ 3.000 cm2/gr, chỉ có khoảng 1/3 khối lượng xi măng phản ứng với nước, chủ yếu là các phần tử gần sát bề mặt, phần còn lại sẽ thực hiện chức năng cốt liệu trơ, thì ở xi măng nghiền tới cỡ hạt nano sẽ có tới 80 - 90% khối lượng tham gia phản ứng với nước, dẫn đến thành phẩm thu được đòi hỏi lượng xi măng ít hơn. Xi măng nghiền bảo đảm cấu trúc rất bền vững. Trong quá trình sản xuất xi măng, một phần năng lượng đáng kể bị tiêu hao khi nghiền clinker (nguyên liệu để chế tạo xi măng). Một lượng nhỏ phụ gia nano biến tính gốc cácbon sẽ giúp giảm thời gian nghiền. 

Phương án thứ hai là biến tính các vật liệu xây dựng. Công nghệ này được thực hiện thông qua ứng dụng phụ gia biến tính nano. Các nhà khoa học thường ứng dụng các chất C, Ag, Cu, TiO₂, SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃, sợi nano, phân tử nano polyme… làm phụ gia biến tính nano.

Phụ gia biến tính nano với nồng độ cực thấp sẽ tăng cường các đặc tính cơ lý của bê tông: cải thiện cường độ và modun đàn hồi, nâng cao khả năng chống thấm và tính bền băng giá cho bê tông, giảm ngưỡng biến dạng co ngót.

Những năm gần đây, các nhà khoa học đã dành sự quan tâm đặc biệt cho các nghiên cứu nguyên tố cacbon (C) kích thước nano. Việc ứng dụng nguyên tố này vào thành phần vữa bê tông dựa trên nguyên lý: độ đặc sít của các cấu trúc bê tông tăng lên đáng kể, tới phần nghìn micron; nhờ đó cường độ cũng như tính bền vững của toàn bộ kết cấu tăng cao. Bên cạnh đó, các nguyên tố cacbon kích thước nano chính là những trung tâm kết tinh sẵn có. Từ đây, các đặc tính mới của bê tông được hình thành, đồng thời tuổi thọ của bê tông được nâng cao.

Theo các số liệu của Viện hóa silicat PAN (Nga), phụ gia biến tính nano cacbon trong thành phần sẽ thúc đẩy nhanh quá trình thủy phân của xi măng pooc lăng, cải thiện cường độ của đá xi măng và một số đặc tính khác. Các phân tử kích thước nano có thể là phụ gia biến tính triển vọng nhất trong cấu trúc đá xi măng và bê tông, bởi đây chính là trung tâm kết tinh ở một pha mới, thể hiện hoạt tính hóa học cao và bảo đảm giảm áp suất bên trong cho toàn hệ kết cấu, qua đó nâng cao cường độ và tuổi thọ cho vật liệu. Nhờ những liên kết hóa học tự do bảo đảm nâng cao độ bám dính của vữa bê tông và cốt liệu, cường độ các vật liệu nano cacbon sẽ được cải thiện đáng kể. Sợi nano và các vật liệu nano có thể đóng vai trò là vật liệu có cốt nhờ cường độ cao và module đàn hồi được cải thiện.