Sự ra đời và nguyên lý hoạt động của bê tông phát sáng
Bê tông phát sáng được nghiên cứu từ những năm 1930 của thế kỷ 20 và hoạt động dựa trên nguyên lý phát quang, sử dụng các hạt phụ gia đặc biệt để hấp thụ ánh sáng và phát xạ lại trong bóng tối.
Bê tông phát sáng (hay còn gọi là bê tông trong mờ, hay bê tông sợi quang) hoạt động dựa trên nguyên lý phát quang (photoluminescence), trong đó các vật liệu đặc biệt (như Strontium Aluminate, kẽm sulfua pha tạp) được trộn hoặc nhúng vào hỗn hợp bê tông, hấp thụ năng lượng ánh sáng (mặt trời, UV) ban ngày và giải phóng năng lượng đó thành ánh sáng nhìn thấy được trong bóng tối, tạo hiệu ứng tự phát sáng mà không cần nguồn điện.
Các loại bê tông xuyên sáng (không phải tự phát sáng trong bóng tối) hoạt động theo nguyên lý dẫn truyền ánh sáng qua các sợi quang học (sợi thủy tinh, sợi quang) được tích hợp trong cấu trúc bê tông, cho phép ánh sáng đi qua khối vật liệu.
Bê tông phát sáng ra đời từ khi nào
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% đến 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 độ. 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).
Về cơ bản, ý tưởng về việc vật liệu có khả năng phát sáng sau khi hấp thụ ánh sáng đã có sự phát triển từ những ý tưởng ban đầu từ thập kỷ 19-20, nhưng phiên bản bê tông phát sáng bền vững, có khả năng chịu lực cao như ngày nay là sản phẩm của khoa học vật liệu hiện đại.
Trong điều kiện có ánh sáng ban ngày (tự nhiên hoặc nhân tạo), các hạt phát quang (thường là hợp chất aluminate strontium pha đất hiếm hoặc kẽm sulfua pha đồng và nhôm) sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng từ môi trường xung quanh
Nguyên lý hoạt động của xi măng phát sáng
Nguyên lý hoạt động của bê tông phát sáng chủ yếu dựa trên quá trình phát quang của các hạt phụ gia được trộn lẫn vào hỗn hợp bê tông.
Hấp thụ ánh sáng: Trong điều kiện có ánh sáng ban ngày (tự nhiên hoặc nhân tạo), các hạt phát quang (thường là hợp chất aluminate strontium pha đất hiếm hoặc kẽm sulfua pha đồng và nhôm) sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng từ môi trường xung quanh.
Lưu trữ năng lượng: Năng lượng ánh sáng được tích trữ tạm thời bên trong cấu trúc tinh thể của các hạt phụ gia này.
Phát xạ ánh sáng: Khi không còn nguồn sáng (trời tối), năng lượng đã hấp thụ sẽ được giải phóng từ từ dưới dạng ánh sáng nhìn thấy được. Quá trình này có thể kéo dài trong một khoảng thời gian nhất định, giúp bề mặt bê tông phát sáng trong bóng tối mà không cần nguồn điện liên tục.
Sản phẩm bê tông phát sáng của nhà khoa học Việt
TS Nguyễn Minh Hải và cộng sự đã công bố nghiên cứu thành công loại bê tông có thể lấy ánh sáng vào nhà nhờ các sợi quang truyền ánh sáng.
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 < 1,18mm. 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 2µm và 2mm cho phù hợp với các yêu cầu cụ thể về truyền dẫn ánh sáng.
Bê tông truyền dẫn ánh sáng cường độ cao
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.
BÀI CÙNG CHỦ ĐỀ:
>> 8 loại bê tông mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai
>> Kinh nghiệm sản xuất bê tông cải tiến của thế giới (P1)
>> Chế tạo bê tông phát sáng có độ bền cao
>> Vật liệu tự phát sáng chống lại hiệu ứng đảo nhiệt đô thị
>> Nghiên cứu thành công loại bê tông có thể lấy ánh sáng từ các sợi quang truyền ánh sáng
Buildata
