Tạo hình đặc sắc cho nhà ở dân dụng bằng công nghệ in bê tông 3D

Ưu điểm công nghệ mới là xây dựng công trình với tốc độ nhanh chóng, tự do thiết kế hình học theo hình dạng phức tạp, không dùng ván khuôn, sử dụng ít nhân công lao động.

In bê tông 3D trong xây dựng là quá trình tạo hình các đối tượng (vật thể công trình) ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu bê tông lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer-Aided Design). Quá trình tạo hình vật thể bằng công nghệ in 3D có nét độc đáo là có thể tạo ra vật thể với bất kỳ hình dáng nào, và quá trình tạo hình được thực hiện nhanh mà không cần khuôn.

Trở ngại lớn nhất đối với công nghệ in bê tông 3D là cần phát triển các vật liệu mới sử dụng cho in 3D. Vì vậy, nhóm các nhà khoa học ở Đại học Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM) đã thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu công nghệ bê tông in 3D dùng cho công trình xây dựng” nhằm triển khai ứng dụng loại vật liệu bê tông in 3D mới trong thi công công trình nhà ở.

Một công trình nhà ở tại TP Thủ Đức được thi công bằng công nghệ in bê tông 3D

PGS.TS Trần Văn Miền (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết, nhóm thực hiện mong muốn tạo ra vật liệu bê tông in 3D tạo hình hướng đến ứng dụng cho xây dựng ở 2 mảng gồm: in 3D tường công trình xây dựng dân dụng và in 3D tạo hình mặt dựng trang trí công trình (Facade). Vì vậy, nhóm tập trung chế tạo hỗn hợp bê tông in 3D sử dụng hệ nguyên liệu bao gồm 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.

“Khối bê tông in 3D có mặt thoáng tiếp xúc với môi trường lớn cho nên quá trình co ngót sẽ diễn ra nhanh hơn so với các kết cấu bê tông tạo hình trong khuôn truyền thống. Kết cấu bê tông in 3D chịu tác động bất lợi khi toàn bộ mặt hở của kết cấu tiếp xúc với môi trường, từ đó làm gia tăng tốc độ co ngót, đặc biệt là co ngót dẻo tại thời điểm sớm sau khi in 3D, tốc độ co ngót nhanh có thể dẫn đến hình thành nứt và phá hoại kết cấu in 3D. Vì vậy, nguyên vật liệu cùng với tỉ lệ thành phần nguyên vật liệu lựa chọn sử dụng để chế tạo bê tông in 3D vừa phải đảm bảo khả năng in 3D được, đồng thời bê tông cũng phải có tốc độ co ngót thấp và có thời gian ninh kết (thời gian mà bê tông sau khu trộn đông đặc lại hoàn toàn, đủ khả năng kết dính vững chắc) không quá 12 tiếng phù hợp với điều kiện thi công.”, PGS.TS Trần Văn Miền chia sẻ.

Nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông in 3D có đặc trưng là cốt liệu nhỏ (kích thước hạt cốt liệu lớn nhất phổ biến dử dụng là không quá 5mm) và hàm lượng chất kết dính thấp, vì vậy tốc độ co ngót và ứng suất kéo do co ngót sinh ra trong giai đoạn đầu (1 đến 3 ngày sau khi in tạo hình cấu kiện) là lớn hơn đáng kể so với bê tông nặng truyền thống, do đó hầu hết bê tông in 3D sẽ có khả năng xuất hiện nứt trên cấu kiện ở tuổi sớm. Để hỗn hợp bê tông in 3D có khả năng đùn và khả năng đắp dần lên cao tốt thì hỗn hợp bê tông này cần phải có độ nhớt thấp nhất có thể nhưng không được phân tầng, và có ứng suất chảy tĩnh cao. 

Cận cảnh cụm hệ thống thực hiện in bê tông 3D tại một công trình

Kết quả thí nghiệm cho thấy, ngoài việc thay đổi tỷ lệ CL/CKD (cốt liệu/chất kết dính) và tỷ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) để điều chỉnh lưu biến cho bê tông in 3D thì có một cách 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 thì các thông số lưu biến của hỗn hợp bê tông như độ nhớt dẻo, ứng suất chảy tĩnh và chảy động đều giảm. Trong khi đó, tăng hàm lượng phụ gia VMA thì độ nhớt dẻo giảm nhưng không ảnh hưởng đến các giá trị ứng suất chảy của hỗn hợp bê tông, điều này có nghĩa là hỗn hợp bê tông dễ in 3D hơn và vật thể bê tông tạo hình vẫn có khả năng duy trì hình dáng trong suốt quá trình in. Tuy nhiên, sử dụng nhiều phụ gia siêu dẻo cùng với phụ gia VMA cũng có khả năng làm cho hỗn hợp bê tông trở nên quá chảy dẻo và không thành công khi in 3D, ngoài ra bê tông cũng có thể bị kéo dài ninh kết hoặc thậm chí là không ninh kết được.

In 3D bê tông khối hộp 600x600 mm và kiểm tra liên kết bám dính giữa 2 lớp bê tông in liền kề nhau

Theo PGS.TS Trần Văn Miền, việc hỗn hợp bê tông quá chậm ninh kết ảnh hưởng đến quá trình thi công và sự ổn định của khối in 3D, cho nên cần rút ngắn quá trình ninh kết của bê tông để đảm bảo sự ổn định cho khối bê tông in 3D, khoảng thời gian ninh kết của bê tông không quá 12 tiếng sẽ phù hợp với công tác thi công và đảm bảo sự ổn định cho khối in trong và sau khi kết thúc quá trình in 3D. Cường độ bám dính giữa 2 lớp bê tông in 3D phụ thuộc và tỉ lệ thuận với cường độ chịu nén của vật liệu bê tông in 3D. Tất cả các cấp phối bê tông in 3D thành công đều có cường độ bám dính giữa 2 lớp bê tông là trên 1 MPa.

Theo đó, nhóm thực hiện sử dụng hỗn hợp bê tông với tỷ lệ CL/CKD = 1 và 1,5 (có cường độ chịu nén và uốn ở 28 ngày lần lượt là trên 60 và 10 MPa) để chế tạo sản phẩm Facade trang trí, còn hỗn hợp bê tông với tỷ lệ CL/CKD = 2 (có cường độ chịu nén và uốn ở 28 ngày lần lượt là trên 40 và 6 MPa) thì được dùng cho sản phẩm tường công trình xây dựng. Ưu thế nổi trội của công nghệ in bê tông 3D là có thể tạo hình tường bao công trình có hình dạng phức tạp, ví dụ như các hình dạng có độ cong, độ uốn lượn có quy luật hoặc không có quy luật nhất định.

Nhóm thực hiện đã thi công thử nghiệm thành công 2 công trình nhà ở bằng công nghệ in bê tông 3D: công trình 1 có quy mô rộng 5m, dài 14m và cao 4m (có 1 phòng khách, 1 phòng ăn – bếp và 1 phòng ngủ), công trình 2 có quy mô rộng 8,5m, dài 15m và cao 3,8m (có 2 phòng ngủ, 1 phòng ăn – bếp, 1 phòng khách và 1 phòng làm việc, tường nhà thiết kế tạo kiểu dáng cánh hoa hồng, tường dày 200mm bao gồm 2 lớp tường, mỗi lớp thiết kế dày 50mm).

Công trình in 3D có tường nhà thiết kế tạo kiểu dáng cánh hoa hồng, tường dày 200mm

Các công trình được tiến hành in bê tông 3D ngoài trời nên việc thi công phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, chẳng hạn như sự co ngót và khả năng gây nứt của khối tường bê tông in 3D. Qua quá trình thi công, nhóm thực hiện nhận xét nếu tiến hành in liên tục và tưới ẩm bảo dưỡng đầy đủ cho bê tông ngay sau khi kết thúc quá trình in thì khối tường bê tông in 3D hầu như không xuất hiện nứt. Ngược lại, nếu trong quá trình đang in và gặp sự cố phải ngừng in thì khoảng 30-40 phút sau, khối tường bê tông in 3D sẽ xuất hiện các vết nứt theo phương đứng cắt từ lớp in trên cùng và hướng xuống 4-5 lớp in cận kề bên dưới. Điều này là do bê tông kết thúc thời gian mở thi công, co dẻo nhanh trong điều kiện môi trường thi công nắng nóng ngoài trời từ đó dẫn đến hình thành các vết nứt.

So sánh khả năng kháng thấm nước, tường bê tông in 3D tốt hơn so với tường gạch đất sét nung tô vữa xi măng một mặt. Hệ số thấm nước của tường bê tông in 3D thấp hơn đáng kể so với tường gạch đất sét nung. Tuy nhiên, tương tự như tường xây bằng gạch đất sét nung, nước thấm xuyên qua tường bê tông in 3D chủ yếu tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D, điều này có nghĩa là tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D không đủ đặc chắc, có tồn tại khuyết tật và lỗ rỗng đủ lớn để nước thấm xuyên qua. Vì vậy, để gia tăng khả năng chống thấm cho tường bê tông in 3D trong công trình xây dựng, nhóm thực hiện cho rằng cần có biện pháp cải thiện, gia tăng độ đồng nhất tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông in 3D. Mặt khác, cường độ chịu nén của tường bê tông in 3D cao hơn gần 30% so với tường gạch đất sét nung, nên có thể hướng đến thiết kế tường bê tông in 3D với vai trò là tường chịu lực thay vì chỉ là kết cấu bao che.

Kiến trúc bên trong lạ mắt, sang trọng đúng theo ý tưởng của nhà thiết kế

Thực tế cho thấy, ứng dụng công nghệ in bê tông 3D để thi công xây dựng có lợi thế hơn so với công nghệ thi công truyền thống về tiến độ (nhanh hơn gần 80%) và giá thành xây dựng (giảm khoảng 20%) khi thi công phần thô trên cùng một thiết kế công trình xây dựng. Ngoài ra, công nghệ in bê tông 3D có điểm nổi bật là có thể thi công được những công trình có thiết kế nghệ thuật và phức tạp mà việc thi công truyền thống hầu như không thể thực hiện được, lại giảm đáng kể chất thải xây dựng, có thể tận dụng các chất thải rắn (tro xỉ nhiệt điện, xà bần xây dựng, thạch cao…).

Từ kết quả thực hiện nhiệm vụ, nhóm thực hiện kiến nghị Sở KH&CN TP.HCM tiếp tục hỗ trợ nghiên cứu mở rộng các giải pháp hạn chế hiện tượng nứt trong quá trình thi công công trình in bê tông 3D ngoài trời, kết hợp đánh giá khả năng chống cháy của công trình. Bên cạnh đó, nhóm thực hiện cũng đề xuất thực hiện thiết kế đồng bộ nội ngoại thất và cảnh quan đi kèm với công trình thi công bằng công nghệ in bê tông 3D để nâng cao giá trị thẩm mỹ và thương mại.