Nghiên cứu thử nghiệm bê tông xuyên sáng ứng dụng để tiết kiệm năng lượng trong công trình xây dựng

Thông tin xuất bản của nghiên cứu:

- Tiêu đề: Experimental study on 80 MPa grade light transmitting concrete with high content of optical fibers and eco-friendly raw materials

- Tên tạp chí: Case Studies in construction Materials

Thông tin về nhóm nghiên cứu:

- Tác giả đầu: TS. Huỳnh Phương Nam (Đại học Đà Nẵng)

- Tác giả chính: TS. Nguyễn Minh Hải (Giảng viên Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng)

- Đồng tác giả: PGS.TS. Nguyễn Văn Hướng (Giảng viên, Trường ĐHBK-ĐHĐN), TS. Phạm Đức Quang (Giảng viên, Đại học quốc gia Hà Nội), Th.S Nguyễn Đức Tuấn (Giảng viên, Trường ĐHBK-ĐHĐN), TS. Đỗ Viết Hải (Giảng viên, Trường ĐHBK-ĐHĐN), KS. Nguyễn Thanh Bình (Cựu Sinh viên Trường ĐHBK-ĐHĐN), KS. Trần Quang Vy (Cựu Sinh viên, Trường ĐHBK-ĐHĐN)

Nhóm nghiên cứu gồm các giảng viên từ Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Đại học Quốc gia Hà Nội và các Kỹ sư là Cựu sinh viên Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN đã thử nghiệm thành công loại bê tông xuyên sáng có khả năng ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực xây dựng. Công trình đã được công bố bài báo khoa học trên tạp chí uy tín quốc tế Case Studies in Construction Materials.

“Phát triển các loại vật liệu xây dựng có khả năng truyền dẫn ánh sáng sẽ tăng sự lựa chọn cho các kỹ sư thiết kế khi muốn tối ưu hóa các công năng của công trình”

Chia sẻ về mục đích nghiên cứu, ý nghĩa ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu bê tông xuyên sáng, TS. Nguyễn Minh Hải – Giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, đại diện nhóm nghiên cứu cho biết:

“Với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng như hiện nay, năng lượng tiêu thụ cho việc chiếu sáng nhân tạo trong các công trình dân dụng và hạ tầng tăng, gây các tác động đáng kể đối với môi trường. Ngoài ra, các nhu cầu và tiêu chí về thẩm mỹ công trình cũng đang ngày được coi trọng. Do đó, các giải pháp lấy sáng tự nhiên vào các công trình dân dụng (nhất là nhà ống liền kề...), hạ tầng (đường hầm, các chỉ dẫn tín hiệu đường...), cùng với đó là tạo ra các hiệu ứng kiến trúc mới lạ là chủ đề được nhiều nhà khoa học và các tập đoàn xây dựng hàng đầu quan tâm. Bên cạnh các giải pháp kiến trúc, thì việc phát triển các loại vật liệu xây dựng có khả năng truyền dẫn ánh sáng là không thể thiếu. Hiện nay, vật liệu kính, gương, nhựa trong suốt được coi là vật liệu chủ đạo. Tuy nhiên, vật liệu kính cũng có những nhược điểm nhất định như: cường độ ánh sáng qua kính quá lớn dẫn đến các bất tiện khi việc làm việc hoặc sinh hoạt trực tiếp dưới lớp kính, cường độ cơ học dưới tác động va đập, gió bão của kính là không cao, giá thành tương đối cao.... Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp song song sẽ tăng sự lựa chọn cho các kỹ sư thiết kế khi muốn tối ưu hóa các công năng của công trình, về tính thẩm mỹ, về tính thân thiện với môi trường, cách nhiệt ....”

 
Bê tông xuyên sáng (nguồn: DOI: 10.2174/1874149501711010615) - Lấy sáng và tạo điểm nhấn kiến trúc trong các tòa nhà, công trình khác, tạo đường truyền dẫn ánh sáng trong các đường hầm ....

“Nghiên cứu về Bê tông xuyên sáng được kế thừa và tối ưu hóa nhằm phát triển bê tông xuyên sáng có cường độ cao mà vẫn đảm bảo được khả năng truyền sáng”

Một số thí nghiệm trong nghiên cứu (a) Thí nghiệm cường độ bê tông xuyên sáng, (b) thí nghiệm đo tính truyền sáng

TS. Nguyễn Minh Hải cho biết: Trên thế giới, các nghiên cứu về ống dẫn sáng (Light tube) hoặc bê tông xuyên sáng, gạch xuyên sáng rất được quan tâm trong 1,2 thập kỷ gần đây. Bê tông xuyên sáng (Light transmitting concrete) là một trong những giải pháp như vậy. Nguyên lý đơn giản của loại vật liệu này là bố trí các sợi quang học (loại sợi có khả năng truyền dẫn ánh sáng) vào bên trong bê tông để giúp bê tông có khả năng truyền dẫn ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo. Tuy loại vật liệu này đã được bắt đầu nghiên cứu khởi điểm từ đầu những năm 2000, và được sử dụng thí điểm tại một số các công trình, nhưng dường như vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi như kỳ vọng.

Có nhiều nguyên nhân, nhưng 01 nguyên nhân lớn là do “kỹ thuật hiện nay chưa tối ưu hóa được cấp phối bê tông nền để cân bằng 02 công năng cơ bản là khả năng truyền sáng và cường độ cơ học khi loại vật liệu này sản xuất ở dạng tấm mỏng”. Nghĩa là, để tăng khả năng truyền sáng thì ta bố trí sợi quang càng nhiều, nhưng khi bố trí sợi quang càng nhiều thì cường độ của bê tông càng giảm. Do đó, chưa thể sản xuất loại vật liệu này dưới dạng tấm mỏng với mật độ sợi quang cao. Điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng và tối ưu hóa giá thành trong sản xuất sau này.

Với cách đặt vấn đề như vậy, nhóm nghiên cứu đã tập trung thử nghiệm nhằm tối ưu hóa cấp phối của bê tông nền với mục tiêu phát triển bê tông xuyên sáng có cường độ cao (trên 80 Mpa) mà vẫn đảm bảo được khả năng truyền sáng của nó (nghĩa là khi sợi quang được bố trí với mật độ cao). Đây là tiền đề để phát triển các tấm bê tông xuyên sáng mỏng sau này, qua đó giảm được giá thành và tăng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này.

Kết quả của 01 nghiên cứu cần cả chuyên môn về vật liệu, kiến trúc, hạ tầng và quang học đã  tạo tiền đề quan trọng để sản xuất các tấm bê tông xuyên sáng mỏng hơn

Kết quả lớn nhất mà nghiên cứu thu được là phát triển được cấp phối bê tông vừa có độ dẻo rất cao, vừa đảm bảo được cấu trúc đặc chắc sau khi đóng rắn, vừa có tính bám dính cao với các sợi quang. Điều này giúp phát triển bê tông xuyên sảng cân bằng được việc đảm bảo cường độ cao (trên 80Mpa) với mật độ bố trí sợi quang cao là 7.1% trong khi các nghiên cứu về loại vật liệu này hiện nay dừng ở mức cường độ 40-65Mpa khi mật độ sợi quang tối đa là 5%. Đây là tiền đề quan trọng để sản xuất các tấm bê tông xuyên sáng mỏng hơn và sáng hơn sau này. Ngoài ra, một số kết quả về mức độ truyền sáng, quan sát cấu trúc, ... cũng tạo ra một cơ sở dữ liệu để cho các nghiên cứu sau này.

Ví dụ về mẫu thử bê tông trong thí nghiệm đo tính truyền sáng

Cường độ bê tông truyền sáng của nhóm nghiên cứu khi so sánh với các nghiên cứu trên thế giới

Định hướng tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm trước khi áp dụng vào công trình thực tế

Sau khi thử nghiệm và đạt được kết quả hiện tại,  TS. Nguyễn Minh Hải – Đại diện nhóm nghiên cứu cho biết còn một số tính năng nhóm nghiên cứu chưa thí nghiệm hết. Ví dụ như tính thấm, tính chịu nhiệt, độ bền theo thời gian ... của loại vật liệu này. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu muốn tăng thêm mật độ sợi quang đến mức 20% diện tích bề mặt để giải pháp lấy sáng hiệu quả hơn. Sau khi rõ ngọn ngành các vấn đề thì sẽ tính đến việc sản xuất thử nghiệm và áp dụng trong công trình thực tế.

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng là trung tâm nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ (NCKH&CGCN) có uy tín hàng đầu khu vực miền Trung – Tây Nguyên. Hoạt động NKCH và CGCN này được Nhà trường quan tâm và chú trọng đẩy mạnh trong cả giảng viên, sinh viên. Nhiều nghiên cứu của cả giảng viên, sinh viên được xã hội công nhận và ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống. Với “Nghiên cứu thử nghiệm bê tông xuyên sáng cấp độ 80 MPa, hàm lượng sợi quang cao, nguyên liệu thân thiện với môi trường”, hy vọng nhóm nghiên cứu của các giảng viên Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Đại học Quốc gia Hà Nội và các Kỹ sư là cựu sinh viên Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN sẽ mang lại kết quả như kỳ vọng và áp dụng vào thực tế công trình một ngày không xa.

Bài: Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN
Nguồn: TS. Nguyễn Minh Hải, Giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường