Công nghệ mới có tên gọi Hệ thống cảm biến cường độ bê tông (REBEL), cho phép bê tông có thể “nói chuyện”. Theo đó, một cảm biến nhỏ gọn được gắn vĩnh viễn vào lớp bê tông trong quá trình đổ bê tông, liên tục cung cấp dữ liệu đánh giá cường độ chịu tải trong nhiều năm và nhu cầu sửa chữa với mức độ chính xác và nhất quán hơn so với các công cụ và phương pháp hiện đang sử dụng.
GS. Luna Lu - Đại học Purdue, Mỹ cho biết: "Trước đây, chúng tôi không biết khi nào bê tông sẽ đạt cường độ cần thiết để chịu tải sau khi xây dựng. Bê tông có thể bị hỏng sớm, dẫn đến việc phải sửa chữa thường xuyên. Mặt khác, việc sửa chữa kéo dài trong 72 giờ thậm chí lâu hơn nữa cũng khiến gây ra tình trạng tắc đường".
Các phương pháp đã sử dụng trong hơn một thế kỷ yêu cầu thử nghiệm các mẫu bêtông lớn tại phòng thí nghiệm hoặc cơ sở tại chỗ. Sử dụng dữ liệu đó, các kỹ sư ước tính mức độ cứng cụ thể sẽ đạt được sau khi thi công.
Tuy nhiên, sự khác biệt giữa phòng thí nghiệm và ngoài trời có thể dẫn đến ước tính không chính xác về cường độ của bêtông do thành phần xi măng và nhiệt độ khác nhau của khu vực xung quanh dẫn đến việc đưa vào sử dụng sớm và hư hỏng đường sớm. Trong khi đường bê tông khó sửa chữa hơn đường nhựa.
Với công nghệ mới này, các kỹ sư có thể theo dõi trực tiếp bêtông tươi và đo lường chính xác nhiều đặc tính của nó cùng một lúc.
Đây được coi là bước đột phá nhằm tiết kiệm chi phí trong quá trình xây dựng, tần suất bảo dưỡng và sửa chữa các tuyến đường.
Ông Yen-Fang Su - Trường Kỹ thuật Xây dựng Lyles, Mỹ cho biết: "1 giờ sau khi cảm biến được nhúng vào bê tông, chúng tôi bắt đầu tiến hành kết nối. Chúng tôi đo trực tiếp các tín hiệu thay vì các dữ liệu cơ học thông thường. Các phép đo được thực hiện trong 12 giờ, sau đó chúng tôi phân tích dữ liệu để có được cường độ nén của bê tông, rồi gửi kết quả cho các kỹ sư".
Tắc đường do sửa chữa cơ sở hạ tầng ước tính gây lãng phí 4 tỉ giờ và hơn 11 tỉ lít xăng mỗi năm. Theo Giáo sư Lu, vấn đề này xảy ra chủ yếu là do không có đủ kiến thức và hiểu biết về mức độ cường độ của bêtông.
Theo dữ liệu từ Cục Quản lý đường cao tốc liên bang Mỹ, mặt đường bêtông chiếm chưa đến 2% đường của nước này, nhưng chiếm khoảng 20% hệ thống đường liên bang.
Đến nay, hơn một nửa số tiểu bang của Mỹ có mặt đường bêtông liên tiểu bang đã đăng ký tham gia vào nghiên cứu quỹ chung của Cục Quản lý đường cao tốc liên bang Mỹ để triển khai các cảm biến mới này. Các tiểu bang khác dự kiến sẽ tham gia khi nghiên cứu bắt đầu trong những tháng tới.
Công nghệ này cũng sẽ sớm được tung ra thị trường vào cuối năm nay.Giáo sư Luna Lu đã thành lập WaveLogix vào năm 2021 để sản xuất công nghệ này trên quy mô lớn hơn. Công ty đã nhận cấp phép công nghệ này từ Văn phòng Thương mại hóa Công nghệ của Quỹ Nghiên cứu Purdue, đơn vị đã đăng ký bảo hộ bằng sáng chế đối với tài sản trí tuệ.
Phát nh của Purdue đang dần nổi lên như một giải pháp thay thế tốt hơn cho các thử nghiệm vốn là tiêu chuẩn của ngành từ đầu những năm 1900.
Giáo sư Luna Lu chia sẻ thêm: “Vào năm 2017, phòng thí nghiệm của tôi bắt đầu phát triển công nghệ cảm biến thông nh khi Bộ Giao thông Vận tải bang Indiana yêu cầu trợ giúp loại bỏ sự hư hỏng sớm của mặt đường bêtông mới được sửa chữa bằng cách xác định chính xác hơn thời điểm mặt đường sẵn sàng để cho thông xe”.
Sau khi nhúng một nguyên mẫu ban đầu của cảm biến vào các đoạn của nhiều đường cao tốc tại bang Indiana, chỉ số này liệt kê các phép thử cho các nhà thầu và công nhân xây dựng sử dụng để đảm bảo chất lượng mặt đường.
Cảm biến liên lạc với các kỹ sư thông qua một ứng dụng điện thoại thông nh qua đó biết chính xác khi nào mặt đường đủ cứng để đưa vào sử dụng. Mặt đường càng chắc chắn trước khi xe cộ lưu thông thì càng ít phải sửa chữa thường xuyên. Khả năng nhận thông tin ngay lập tức về cường độ của bê tông cũng cho phép các con đường thông xe đúng giờ hoặc sớm hơn sau khi đổ bê tông.
Với công nghệ tiên tiến này, tình trạng tắc nghẽn giao thông do sửa chữa đường có thể chỉ còn là dĩ vãng. Những người tham gia giao thông sẽ được hưởng lợi khi có một lộ trình di chuyển nhanh hơn, không phải chờ đợi, đồng thời lượng khí thải CO2 do các phương tiện bị chết máy chờ để đi qua công trường cũng sẽ giảm đáng kể.
Giáo sư Lu cho biết: “Công nghệ cảm biến thông nh này cho phép chúng tôi tiết kiệm hàng triệu USD tiền thuế và hàng tỷ giờ đã bị lãng phí do sửa chữa cơ sở hạ tầng giao thông. Nó cho phép bê tông kết nối với các kỹ sư, nhà thầu xây dựng, qua đó biết được các dữ liệu về cường độ bê tông ở bất kỳ thời điểm nào”.
Được biết, công ty khởi nghiệp của Giáo sư Lu, WaveLogix, cũng đang phát triển việc ứng dụng AI (trí tuệ nhân tạo) để tối ưu hóa hỗn hợp bê tông nhằm giảm lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông dựa trên dữ liệu mà các cảm biến thu thập từ đường cao tốc.
Việc sản xuất xi măng chiếm 8% lượng khí thải carbon của thế giới. Xi măng dư thừa có thể dẫn đến các vết nứt sớm trên mặt đường. Giáo sư Lu ước tính rằng việc sử dụng quá mức xi măng trong hỗn hợp bê tông có thể gây ra hơn 1 tỷ tấn khí thải carbon mỗi năm.
Giáo sư Lu tin rằng phương pháp mới sử dụng trí tuệ nhân tạo này có khả năng giảm từ 20% đến 25% lượng xi măng được sử dụng trong hỗn hợp bê tông – đồng thời làm cho mặt đường bền hơn và ít tốn kém hơn.
Kết hợp trí tuệ nhân tạo và cảm biến thu thập dữ liệu từ các đường cao tốc trên khắp nước Mỹ, các nhà khoa học đang nỗ lực làm việc để tối ưu hóa quy trình xây dựng - mở ra một tương lai xanh hơn trong thời gian tới.