Trong nhiều thập kỷ qua, cát sa mạc được coi là một nghịch lý đối với ngành vật liệu xây dựng toàn cầu. Mặc dù bao phủ những vùng lãnh thổ rộng lớn tại các quốc gia Trung Đông như Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (UAE), loại cát này luôn bị xem là nguyên liệu không phù hợp để sản xuất bê tông và vữa xây dựng.
Nguyên nhân nằm ở đặc tính vật lý của các hạt cát, qua hàng nghìn năm chịu tác động liên tục của gió, chúng trở nên quá mịn và có hình dạng tròn, làm giảm khả năng bám dính cần thiết để tạo thành những cấu trúc vững chắc.
Hạn chế này vô hình trung tạo ra gánh nặng kinh tế cho các quốc gia vùng sa mạc, buộc họ phải tiêu tốn nguồn lực để nhập khẩu cát nhằm duy trì hoạt động xây dựng.
Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Sharjah tại UAE đã công bố một giải pháp kỹ thuật có tiềm năng thay đổi hoàn toàn thực trạng này. Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công loại gạch được cấu tạo từ cát sa mạc phối hợp cùng chất kết dính hoạt hóa kiềm.
Điểm đặc biệt của loại vật liệu này là khả năng tự đông cứng ở nhiệt độ phòng mà không cần đến quá trình nung nóng. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ giúp giảm bớt sự lệ thuộc vào xi măng Portland, một trong những loại vật liệu xây dựng chịu trách nhiệm cho khoảng 10% tổng lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu.
Cát sa mạc, từng bị loại bỏ vì quá nhẵn để làm bê tông, nay trở thành vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.
Trong ngành xây dựng truyền thống, các kỹ sư thường ưa chuộng cát từ sông, mỏ đá hoặc các nguồn chuyên dụng nhờ đặc điểm hạt có góc cạnh, giúp gia tăng liên kết trong hỗn hợp bê tông.
Theo các chuyên gia tại Đại học Sharjah, hình dạng hạt quá tròn và mịn của cát sa mạc là rào cản chính khiến chúng không đạt tiêu chuẩn chất lượng. Việc nhập khẩu cát phù hợp từ bên ngoài để thay thế nguồn tài nguyên sẵn có tại chỗ không chỉ làm tăng chi phí mà còn tạo ra sự lãng phí tài nguyên cục bộ.
Để vượt qua những trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã thu thập cát tại vùng Sharjah và kết hợp với chất kết dính hoạt hóa kiềm, còn được gọi là AAB. Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên Tạp chí Vật liệu trong Kỹ thuật Xây dựng cho thấy, các chất kết dính này sử dụng dung dịch kiềm để khởi tạo phản ứng hóa học, từ đó liên kết các hạt cát thành một cấu trúc rắn chắc như đá.
Một ưu điểm nổi bật khác của hệ thống này là khả năng tận dụng các sản phẩm phụ từ quá trình công nghiệp như tro và xỉ lò cao. Việc không cần sử dụng lò nung trong quá trình xử lý nhiệt giúp giảm đáng kể lượng năng lượng tiêu thụ cũng như hạ thấp chi phí sản xuất tiềm năng so với các quy trình sản xuất xi măng Portland truyền thống.
Các thử nghiệm độ bền đã chứng minh hiệu suất vượt trội của loại gạch mới này. Kết quả thực nghiệm tại Đại học Sharjah chỉ ra rằng, các khối gạch cát sa mạc sở hữu độ bền cơ học cao, khả năng hấp thụ nước thấp và thể hiện hiệu suất ổn định trong nhiều thử nghiệm kỹ thuật.
Đáng chú ý, vật liệu này còn cho thấy khả năng chống lại sự tấn công của sunfat rất tốt. Đây là đặc tính kỹ thuật quan trọng đối với các công trình nằm tại khu vực ven biển hoặc trên những vùng đất giàu muối khoáng, nơi mà các công trình xi măng thông thường dễ bị hư hại theo thời gian.
Các khối gạch được làm từ cát sa mạc.
Việc ứng dụng công nghệ này cũng mang lại ý nghĩa lớn trong nỗ lực cắt giảm phát thải khí nhà kính. Sản xuất xi măng Portland lâu nay luôn là mục tiêu của các sáng kiến giảm thiểu tác động môi trường do quá trình sản xuất và vận chuyển nguyên liệu đòi hỏi mức năng lượng rất lớn.
Bằng cách sử dụng cát sẵn có tại địa phương và tận dụng chất thải công nghiệp làm nguyên liệu phụ trợ, quy trình sản xuất mới này không chỉ giảm phát thải carbon mà còn phù hợp với các nguyên tắc của mô hình kinh tế tuần hoàn.
Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tiến hành các chương trình thử nghiệm thí điểm để kiểm chứng tính nhất quán của sản xuất trên quy mô công nghiệp. Các nhà khoa học cũng đang song song thực hiện phân tích tính khả thi về kinh tế, nhằm đánh giá chi phí vận hành, công tác hậu cần và hiệu suất thực tế của vật liệu khi đưa vào các dự án xây dựng dân dụng thực tế.
Dù công nghệ này vẫn cần trải qua nhiều giai đoạn kiểm định nghiêm ngặt trước khi có thể thương mại hóa trên quy mô lớn, nhưng thành công từ phòng thí nghiệm của Đại học Sharjah đã mở ra cơ hội mới cho ngành xây dựng tại các vùng khô hạn. Nếu được áp dụng thành công, những cồn cát sa mạc từng bị bỏ qua trong nhiều thập kỷ nay có thể trở thành nguồn nguyên liệu quan trọng cho các đô thị bền vững trong tương lai.
