Ý tưởng kết hợp các vật liệu để nâng cao hiệu suất đã xuất hiện từ những nền văn minh sơ khai. Cách đây hơn 5.000 năm, cư dân Lưỡng Hà và Ai Cập đã chế tạo gạch mộc bằng cách trộn bùn với rơm – có thể xem đây là dạng vật liệu composite đầu tiên trong lịch sử. Ở đây, bùn đảm nhiệm vai trò chất kết dính, còn rơm đóng vai trò vật liệu gia cường, giúp giảm nứt vỡ và cải thiện độ bền. Phát minh này minh chứng cho một nguyên lý cơ bản: sự kết hợp đúng đắn giữa các vật liệu riêng biệt có thể tạo ra một vật liệu mới với tính năng vượt trội.
Các công nhân sẽ tập trung bùn sét được lấy từ sông Nile và đổ vào một hố trộn. Sau đó, họ giẫm đạp lên lớp bùn này. Trong lúc giẫm đạp, rơm khô được thêm vào liên tục nhằm mục đích củng cố và tăng độ kết dính cho khối vật liệu dẻo. Sự kết hợp giữa bùn và rơm này được xem là vật liệu composite đầu tiên trong lịch sử xây dựng của nhân loại. Ảnh: Tư liệu
Sức mạnh từ việc kết hợp vật liệu
Kỷ nguyên hiện đại của vật liệu composite bắt đầu hình thành vào thế kỷ XX, được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong hóa học và kỹ thuật vật liệu. Năm 1905, nhà hóa học người Bỉ Leo Baekeland đã tạo ra composite tổng hợp đầu tiên, Bakelite, bằng cách kết hợp nhựa với bột gỗ hoặc sợi amiăng. Với khả năng chịu nhiệt và cách điện, vật liệu này nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi. Ba thập kỷ sau, vào năm 1936, DuPont phát triển sợi thủy tinh, một vật liệu nhẹ, bền bỉ, linh hoạt, có khả năng thay thế gỗ và kim loại. Trong Thế chiến II, sợi thủy tinh trở nên thiết yếu trong sản xuất máy bay và thân tàu, mở đường cho việc áp dụng quy mô công nghiệp trong ngành ô tô và dần dần là xây dựng từ những năm 1950.
Sự ra đời của Bakelite là một bước đột phá lớn. Nhờ đặc tính không dẫn điện và chịu nhiệt vượt trội, nó nhanh chóng trở thành vật liệu được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp. Đặc biệt, khả năng có thể tạo ra nhiều màu sắc đa dạng của Bakelite đã mang lại một lợi thế nghệ thuật cho các nhà thiết kế và nhà sản xuất các thiết bị gia dụng như radio và điện thoại quay số thời bấy giờ. Ảnh: Bakelite Telephones
Về bản chất, composite là vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều thành phần riêng biệt – chúng vẫn tách biệt ở cấp độ vi mô nhưng lại cùng nhau tạo nên một vật liệu mới với hiệu suất vượt trội.
- Chất nền (Matrix): Thường là một loại nhựa polymer, có nhiệm vụ liên kết, bảo vệ các thành phần khác.
- Cốt liệu gia cường (Reinforcement): Thường là sợi (thủy tinh, carbon, aramid, hoặc sợi tự nhiên), cung cấp độ bền và độ cứng.
Sự cộng hưởng này tạo ra các vật liệu bền hơn, nhẹ hơn và có tuổi thọ cao hơn so với vật liệu truyền thống. Trong kiến trúc và xây dựng, composite mở ra những khả năng thiết kế mới: trọng lượng nhẹ và độ bền cho phép tạo ra các nhịp lớn hơn với ít vật liệu hơn, trong khi tính dễ uốn nắn cho phép tạo ra các bề mặt cong liên tục, kết hợp cả cấu trúc và lớp vỏ. Khác với thép hoặc bê tông, composite có thể được tinh chỉnh riêng biệt để đáp ứng các tính năng cơ học, nhiệt hoặc âm học cụ thể, cho phép kiến trúc sư thiết kế dựa trên hiệu suất chứ không chỉ dựa trên hình thức.
Trung tâm Heydar Aliyev nổi tiếng đã sử dụng rộng rãi các vật liệu composite, cụ thể là Bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRC) và Polyester cốt sợi thủy tinh (GFRP), để tạo hình cho các tấm ốp ngoại thất với những đường cong độc đáo và đặc trưng của công trình. Ảnh: Hufton+Crow
Các vật liệu composite mang lại những lợi ích thiết thực tác động trực tiếp đến hiệu quả thi công. Đặc tính nhẹ của chúng giúp giảm đáng kể tải trọng lên móng, đồng thời đơn giản hóa việc vận chuyển và xử lý tại công trường. Điều này dẫn đến quá trình lắp đặt nhanh chóng hơn và giảm chi phí thi công. Đặc biệt, các cấu kiện composite đúc sẵn có thể được lắp đặt với thiết bị tối thiểu, giúp rút ngắn đáng kể tiến độ và giảm thiểu sự gián đoạn trong các khu vực đô thị đông đúc. Sau khi lắp đặt, khả năng chống ăn mòn và chống mỏi vượt trội của composite lại chuyển hóa thành yêu cầu bảo trì thấp hơn và tuổi thọ sử dụng dài hơn, đặc biệt trong những môi trường khắc nghiệt như khu vực ven biển hoặc khu công nghiệp.
Mặt tiền của phòng thí nghiệm do Penelas Architects thiết kế được cấu tạo từ hai lớp rõ rệt: lớp phía dưới là kính, và lớp phía trên là tấm nhôm composite – sự kết hợp giữa thép và nhôm. Ảnh: Miguel de Guzmán + Rocío Romero
Phân loại và ứng dụng
Các nhóm composite chính được ứng dụng trong xây dựng bao gồm: FRP (Polymer cốt sợi), GFRP (Polymer cốt sợi thủy tinh), CFRP (Polymer cốt sợi carbon), Bio-composites (Composite sinh học). Mỗi loại mang lại những ưu điểm cụ thể tùy thuộc vào loại sợi và chất nền được sử dụng.
GFRP: được làm từ sợi thủy tinh nhúng trong nhựa, kết hợp cường độ cơ học cao, trọng lượng nhẹ và độ bền tuyệt vời, cùng với khả năng chống ẩm và chống ăn mòn vượt trội. Vật liệu này dễ dàng tạo hình, tương đối rẻ tiền và được ứng dụng rộng rãi trong: Mặt tiền thông gió, mái nhà xuyên sáng, giếng trời, tấm panel module, các yếu tố trang trí…
GFRP. Ảnh: Altair
Lớp mặt tiền này của House of Dior (Seoul) được tạo nên từ các tấm vỏ sợi thủy tinh đúc khuôn dài (Polymer cốt sợi thủy tinh), được lắp ráp với nhau bằng độ chính xác tuyệt đối như trong ngành hàng không. Ảnh: Nicolas Borel
CFRP nổi bật với độ cứng, độ ổn định kích thước và khả năng chống mỏi vượt trội hơn hẳn so với GFRP, đồng thời có mật độ còn thấp hơn. Đây là lựa chọn lý tưởng cho: Cầu, lối đi bộ trên cao, vỏ kết cấu, tăng cường cốt thép bê tông… Đặc biệt, nó được dùng khi việc giảm trọng lượng là tối quan trọng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Ngoài độ bền, CFRP thể hiện hành vi đàn hồi tuyến tính và khả năng kháng môi trường xâm thực xuất sắc, khiến nó được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống gia cố và cải tạo kết cấu, kéo dài tuổi thọ của cầu và các tòa nhà lịch sử với tác động thị giác tối thiểu.
CFRP. Ảnh: Getty Images
Đây là chi tiết các giai đoạn liên kết các thanh composite sợi carbon (CFRP) với bê tông để tăng cường độ bền kết cấu. Ảnh: MDPI
Bio-composites đang nổi lên như một giải pháp thay thế thuộc thế hệ tiếp theo, kết hợp giữa hiệu suất kỹ thuật với tác động môi trường thấp. Chúng sử dụng các sợi tự nhiên như lanh, gai dầu, đay, cellulose hoặc tre, cùng với nhựa sinh học có nguồn gốc từ thực vật hoặc vật liệu tái chế.
Mặc dù có cường độ thấp hơn so với các loại composite tổng hợp, những vật liệu này lại sở hữu tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, khả năng cách nhiệt và cách âm ấn tượng, khả năng phân hủy sinh học một phần và một vẻ đẹp tự nhiên độc đáo. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như: Tấm ốp nội thất, tấm tiêu âm, nội thất đô thị, các bề mặt parametric… Hơn nữa, quá trình sản xuất composite sinh học cũng đòi hỏi ít năng lượng hơn và có thể góp phần vào các chu trình xây dựng tuần hoàn, qua đó hài hòa hóa sự đổi mới công nghệ với các nguyên tắc sinh thái.
Khi cả sợi và nhựa nền đều được chiết xuất từ sinh khối (biomass), vật liệu đó được phân loại là bio-composite. Ảnh: MaterialDistrict
Ngày 15 tháng 8 năm 2018, Gian trưng bày thử nghiệm đầu tiên đã chính thức được khánh thành. Công trình này do Khoa Vật liệu Sinh học và Chu trình Vật liệu trong Kiến trúc (BioMat), thuộc Viện ITKE (Đại học Stuttgart) thực hiện, đặt tại khuôn viên trường. Gian trưng bày là một kết cấu vỏ phân đoạn cong kép được thiết kế parametric, sử dụng các yếu tố gỗ cong đơn và composite sinh học nhẹ, được chống đỡ bằng ba dầm gỗ cong bắt chéo. Ảnh: BioMat at ITKE University of Stuttgart
Đón đầu thiết kế số
Composite được tạo ra nhờ các kỹ thuật sản xuất tiên tiến, cho phép kiểm soát nghiêm ngặt về hình dạng và hiệu suất. Các quy trình như đúc chuyển nhựa (RTM), kéo sợi (Pultrusion) hay đổ chân không (Vacuum Infusion) cho phép sản xuất các thành phần có hình học phức tạp, độ dày tối ưu và phân bố sợi chính xác, giúp tối đa hóa độ bền đồng thời giảm thiểu trọng lượng.
Khác với xây dựng truyền thống, các kỹ thuật này mang tính cộng gộp, chính xác và ít chất thải. Khi kết hợp với mô hình hóa kỹ thuật số, mô phỏng kết cấu và chế tạo bằng robot, công nghệ này đưa ý tưởng và việc xây dựng đến gần nhau hơn bao giờ hết, cho phép tạo ra các hình dạng, kết cấu và giải pháp kiến trúc bất khả thi với thép, bê tông hay gỗ.
Mạng lưới đổi mới toàn cầu
Sự phát triển của vật liệu này được hỗ trợ bởi một hệ sinh thái toàn cầu năng động, trong đó, tổ chức JEC đóng vai trò kết nối quan trọng. Với sự kiện hàng đầu là JEC World được tổ chức thường niên tại Paris, đây là nơi quy tụ lớn nhất của toàn bộ chuỗi giá trị vật liệu composite, trưng bày các dự án, công nghệ và nghiên cứu định hình tương lai của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả kiến trúc và xây dựng.
Sự kiện JEC World 2026 sẽ được tổ chức tại Trung tâm Triển lãm Paris Nord Villepinte từ ngày 10 đến 12 tháng 3 năm 2026. Ảnh: FOUCHA
Sự chuyển đổi từ bùn, đá, thép sang composite cho thấy mỗi thế hệ đều xác định lại vật liệu của mình để đáp ứng những thách thức mới. Ngày nay, composite thể hiện tinh thần đổi mới đó, kết hợp khoa học, tính bền vững và sự tự do thiết kế để một lần nữa mở rộng khả năng của kiến trúc và đáp ứng những thách thức phức tạp của thời đại chúng ta.
Thực hiện: Thiên Thư | Theo: ArchDaily
Xem thêm:
Đá xanh: Vật liệu gợi cảm trong không gian kiến trúc hiện đại
9 vật liệu lát sàn phổ biến cho không gian nhà đẹp
Tiềm năng vật liệu bền vững từ cây cối tại triển lãm Abney Effect
