Nghiên cứu thành công loại bê tông có thể lấy ánh sáng từ các sợi quang truyền ánh sáng

TS. Nguyễn Minh Hải (Đại học Đà Nẵng) cho biết, bê tông phát sáng chứa các sợi quang bên trong để tạo ra đường truyền ánh sáng, giúp thu ánh sáng tự nhiên cho các công trình xây dựng.

Bê tông phát sáng được nghiên cứu từ những năm 30 của thế kỷ 20 và được phát triển vào năm 2001 bởi Áron Losonczi - kiến trúc sư người Hungary - bằng cách trộn 4 - 5% (theo thể tích) sợi quang trong hỗn hợp bê tông. Bê tông này có trọng lượng nhẹ hơn. Vật liệu có kết cấu và bề mặt đồng nhất, có thể được sản xuất như một khối hay một tấm bê tông đúc sẵn. 

Lý do chính để sử dụng sợi quang trong bê tông là nó có thể truyền ánh sáng ngay cả khi góc tới lớn hơn 60°. Sợi quang bao gồm ba lớp gồm lớp lõi, lớp phủ và phủ đệm. Bê tông sợi quang có thể có cường độ nén khoảng 70 MPa (10.000 psi).

Theo TS. Nguyễn Minh Hải, khó khăn trong nghiên cứu là việc tăng hàm lượng sợi quang (giúp tăng khả năng truyền ánh sáng) sẽ làm giảm đáng kể độ bền cơ học của bê tông. Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tối ưu công thức chế tạo bê tông phát sáng từ các nguyên liệu gồm cát mịn, xi măng portland, xỉ hạt lò cao nghiền, tro bay và phụ gia siêu dẻo.

Thành phần của bê tông phát sáng không thể thiếu xi măng. Vì sợi quang chỉ chịu trách nhiệm truyền tải ánh sáng, nên không cần xi măng đặc biệt. Vì vậy, xi măng portland thông thường được sử dụng.

Vì bê tông phát sáng chỉ được sản xuất bằng vật liệu mịn nên đường kính của hạt cát phải < 1,18 mm. Cát nên không có bất kỳ tạp chất nào như thảm thực vật, đá lớn… Ngoài ra, nước được sử dụng cho bê tông phát sáng nên có chất lượng như nước uống, không có tạp chất. Cốt liệu thô được nghiền nhỏ, kích thước tối đa của hạt là 10mm, độ hấp thụ nước vào khoảng 0,15%. Tro bay và phụ gia dẻo được nhóm bổ sung để gia tăng kết cấu cho bê tông.
Để bê tông có thể phát sáng thì các sợi quang được bổ sung trong khoảng từ 4 đến 5% theo thể tích được sử dụng. Độ dày của các sợi quang có thể thay đổi giữa 2 µm và 2 mm cho phù hợp với các yêu cầu cụ thể về truyền dẫn ánh sáng.

Nghiên cứu này thực hiện nhằm tối ưu hóa thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông với cấu trúc đặc chắc và đảm bảo độ bền thích hợp nhằm hạn chế lỗ rỗng xuất hiện xung quanh sợi quang. Để đáp ứng mục tiêu, nghiên cứu đã sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính tro bay (FA) và xỉ lò cao nghiền mịn (GGBS). Bằng việc xác định được tỉ lệ tối ưu của FA/CKD và GGBS/CKD, nghiên cứu đã đưa ra được cấp phối bê tông đáp ứng được các yêu cầu cần thiết để có thể chế tạo được bê tông truyền sáng cường độ cao trong tương lai.

TS. Hải cho biết, ưu điểm chính của bê tông phát sáng là truyền ánh sáng. Loại bê tông này được ứng dụng tại các tòa nhà lớn, nơi ánh sáng không thể chiếu đến hết tất cả các phòng; do đó, tiết kiệm chi phí năng lượng chiếu sáng.

Bên cạnh việc sử dụng ánh sáng Mặt trời làm nguồn sáng, bê tông phát sáng cũng có thể được ứng dụng tại các nước có khí hậu lạnh để truyền nhiệt lượng vào trong phòng. Một ưu điểm khác là độ bền uốn của bê tông tăng xấp xỉ tỷ lệ phần trăm sợi quang trong vật liệu. Ví dụ: Khi tỷ lệ phần trăm sợi quang trong hỗn hợp là 4,5%, độ bền uốn cũng tăng xấp xỉ 4,5%.

Tuy vậy, nhược điểm của loại bê tông này là giá thành cao do sử dụng sợi quang. Hơn nữa, việc đúc khuôn cho bê tông phát sáng đòi hỏi người lao động có trình độ kỹ thuật cao.

Sản phẩm của nhóm được chế tạo thành công có cường độ chịu nén lên tới 80 MPa, đồng thời có hàm lượng sợi quang chiếm hơn 7% thể tích. Với độ bền cao và khả năng truyền dẫn ánh sáng tốt, nhóm nghiên cứu cho biết bê tông phát sáng được chế tạo theo công thức này có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế.

Loại bê tông này sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện được sử dụng để thắp sáng đường cao tốc và chiếu sáng các biển báo trên những đoạn đường dài. Nghiên cứu này là một bước tiến trong xu hướng sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, không tiêu thụ điện năng, không thải carbon dioxide hoặc các khí độc hại ra môi trường.

Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông cốt liệu mịn và thân thiện với môi trường ứng dụng trong chế tạo bê tông truyền sáng” là công trình nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Đức Tuấn, Huỳnh Phương Nam, Nguyễn Văn Hướng, và Nguyễn Minh Hải đến từ trường Đại học Đà Nẵng. Công trình đã công bố bài báo khoa học trên tạp chí uy tín quốc tế Case Studies in Construction Materials. Nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu để hướng đến các công trình xây dựng xanh, tiêu tốn ít năng lượng.