“Bê tông biết nói” tiết kiệm triệu đô, giảm hàng tỷ giờ tắc nghẽn

Cách làm cũ gây lãng phí

Theo dữ liệu do cơ quan đường cao tốc liên bang Mỹ công bố, hiện tại, đường bê tông chiếm chưa đến 2% trong tổng số kilomet đường của Mỹ nhưng chiếm khoảng 20% hệ thống đường liên bang - hạ tầng quan trọng phục vụ vận tải trên cả nước.

GS Luna Lu, quyền Trưởng khoa kỹ thuật dân dụng tại Đại học Purdue, bang Indiana cho biết, lâu nay, khi làm đường bê tông, người ta thường không biết chắc chắn khi nào bê tông thực sự đông cứng, đủ tiêu chuẩn để quyết định thời điểm cho phép các phương tiện lưu thông. Do đó, bê tông có thể bị hỏng sớm dẫn đến thường xuyên phải sửa chữa.

"Đây chính là một phần nguyên nhân gây tắc đường hoặc buộc các phương tiện phải đi đường vòng xa hơn, ước tính gây lãng phí 4 tỷ giờ và hơn 11 tỷ lít xăng mỗi năm", bà Lu cho hay.

Trong hơn một thế kỷ qua, khi muốn biết độ cứng của mặt bê tông, ngành xây dựng công trình giao thông tại Mỹ thường phải lấy những mẫu bê tông lớn để thử nghiệm tại phòng thí nghiệm hoặc tại hiện trường.

Sử dụng các dữ liệu này, các kỹ sư sẽ ước tính sức chịu đựng mà một hỗn hợp bê tông cụ thể có thể chịu được sau khi hoàn tất thi công và đưa vào khai thác.

Tuy ngành xây dựng Mỹ đã nắm rất rõ kỹ thuật thử nghiệm nhưng vẫn có rủi ro sai lệch giữa điều kiện trong phòng thí nghiệm và ngoài trời. Đó là chưa kể mỗi hỗn hợp xi măng khác nhau và nhiệt độ môi trường khác nhau sẽ dẫn đến độ chịu lực của bê tông cũng khác.

Ứng dụng đường "bê tông biết nói"

Để cải thiện tình trạng này, nhóm nghiên cứu do bà Lu đứng đầu đã bắt tay vào phát triển công nghệ bê tông thông minh từ năm 2017, theo đề nghị hỗ trợ của Sở Giao thông bang Indiana để giải quyết tình trạng đường vừa đổ bê tông đã bị hỏng. Sở này muốn xây dựng cách thức để có thể đưa ra quyết định chính xác khi nào mặt đường sẵn sàng đưa vào sử dụng.

Nghiên cứu của bà Lu tập trung vào việc cải thiện điều kiện của mặt đường bê tông trước vì loại vật liệu này gây ra rất nhiều khó khăn khi sửa chữa, bảo trì.

Với công nghệ mà bà Lu và nhóm sáng tạo, các kỹ sư không còn phải dựa vào các mẫu bê tông để ước tính khi bê tông tươi đã khô. Thay vào đó, họ có thể trực tiếp giám sát bê tông tươi và ước lượng chính xác nhiều đặc tính cùng một lúc.

Cảm biến này sẽ gửi thông tin tới các kỹ sư thông qua ứng dụng điện thoại khi lớp bê tông vừa đủ cứng cho phép phương tiện vào lưu thông.

Bê tông càng đủ sức chịu lực trước khi đưa vào sử dụng thì càng ít phải sửa chữa. Khi thông tin này được báo sớm, thời gian thông đường cũng sớm hơn.

Cách thức thực hiện cũng rất đơn giản, công nhân xây dựng có thể lắp đặt các cảm biến một cách đơn giản. Đó là gắn vào dầm bê tông và đổ bê tông lên trên. Sau đó, họ sẽ cắm cáp cảm biến vào trong thiết bị cầm tay (có thể tái sử dụng) và từ đây thiết bị tự động báo dữ liệu.

Qua đó, các kỹ thuật viên có thể nhận thông tin về độ cứng bê tông thay đổi theo thời gian thực.

Nhờ hạn chế phải sửa chữa đường, giảm thời gian xây dựng, công nghệ này còn giảm phát thải khí CO2 mà phương tiện thải ra khi phải đi vòng, chờ công trình giao thông hoàn thành.

Vì vậy, sáng kiến "bê tông biết nói" được kỳ vọng giúp giảm thời gian thi công và thời gian sửa chữa, bảo trì đường bộ, đồng thời cải thiện độ bền của đường, giảm phát thải CO2.

Hiện hơn một nửa bang của Mỹ có đường bê tông liên bang đã đăng ký tham gia vào nghiên cứu và được cơ quan đường cao tốc liên bang tài trợ để lắp đặt cảm biến. Trong số đó, có hai bang Indiana và Texas thử lắp đặt các cảm biến khi thực hiện xây dựng đường cao tốc.

Sau khi lắp thử cảm biến thử nghiệm vào một số đoạn trên các đường cao tốc của Indiana, sở giao thông địa phương này đã đưa công nghệ cảm biến vào chỉ số đánh giá của Indiana. Đây là danh sách các bài thử nghiệm để các nhà thầu, công nhân xây dựng sử dụng nhằm đảm bảo chất lượng thảm mặt đường bộ.

Ngoài ra, sẽ có thêm một số bang khác sẽ tham gia thử nghiệm phương án này thời gian tới. Công nghệ này đã được Hiệp hội các kỹ sư dân dụng Mỹ bình chọn là một trong những công nghệ có thể tạo đột phá của năm 2021, dự kiến sẽ được tung ra thị trường vào cuối năm nay.

Nhiều tổ chức khác như Hiệp hội các quan chức giao thông, cao tốc bang tại Mỹ cũng theo dõi sự phát triển của công nghệ từ khi mới được giới thiệu vào năm 2019.

Nhiều chuyên gia kỳ vọng, sáng kiến của Purdue sẽ dần trở thành phương án thay thế tốt hơn các tiêu chuẩn thử nghiệm chung đã được ngành xây dựng công trình giao thông tại Mỹ áp dụng từ đầu những năm 1900.

Hướng tới mục tiêu sản xuất thiết bị trên quy mô lớn hơn, bà Lu đã thành lập công ty WaveLogix vào năm 2021. Công ty khởi nghiệp WaveLogix không chỉ tập trung vào công nghệ này mà còn phát triển một phương thức để cắt giảm khí thải C02 qua việc tính toán tỉ lệ xi măng vừa đủ trong mỗi hỗn hợp bê tông.

Công ty đã xây dựng được giải pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa công thức trộn bê tông dựa trên dữ liệu mà cảm biến gắn dưới lớp bê tông thu thập được từ các tuyến đường cao tốc tham gia thử nghiệm trên cả nước.

Tính đến nay, hoạt động sản xuất xi măng chiếm khoảng 8% trong tổng lượng khí thải carbon của thế giới. Nếu trộn tỉ lệ xi măng quá mức sẽ gây ra khoảng 1 tỷ tấn khí thải carbon/năm, theo bà Lu.